光伏温室屋顶组件排布对太阳光利用率的影响

李天宇，孙耀杰，吴佳露，孙玉卿，张 宇，杨 彪,

(1.哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院智能照明实验室(iLLab)，广东 深圳 518055；2.复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433；3.哈尔滨工业大学建筑学院寒地建筑科学与工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150006)

引言

随着技术发展，到2050年左右，太阳能光伏发电的成本会有可能接近现在的风电成本[1]。在建筑科学领域，学者正在将注意力转向 “农业建筑+光伏发电”的光伏温室上，即将光伏组件安装于建筑屋顶上，充分接收太阳辐射，这种做法不但节约了成本，单位面积上的太阳能转换设施的价格也可以大大降低，有效地利用了屋面的复合功能[2]。例如，Pérez-Alonso等[3]对光伏温室进行了文献调研后，并使用24个薄膜光伏组件在西班牙东南部搭建了1 024 m2的光伏温室实物模型(光伏组件覆盖率为9.8%)。为期9个月的持续测量结果表明，该温室单位面积发电量为8.25 kWhm-2。王彪等[4]使用Ecotect®软件模拟分析了光伏温室在夏日的10:00、12:00、14:00和16:00四个时间点温室内的太阳辐射分布，仿真结果验证了光伏温室可以提供适宜作物生长的辐射范围。光伏温室一方面可以利用充足的农业占地面积解决光伏电站的用地问题，另一方面可以结合新能源和现代设施农业手段，为不同农作物提供适宜的生长条件。

与传统居住建筑所关注的可见光采光和人类视觉需求不同，农业光伏温室建筑光学应该主要关注不同类型温室的采光率和不同农作物的光照需求，所涉及的理论基础、科学依据和设计标准完全不同。首先要解决的是太阳光在农作物和合理分配的问题，并且满足农业和光伏产业的综合效益最大化。尽管光伏农业温室的土地资源互补和规模效应使其具有较好的推广前景，但农业和光伏如何更高效地共用和共享太阳能(争光问题)以便同时保证农作物产量和光伏发电量，是探索农业光伏模式要解决的核心问题。

光伏农业温室的组件覆盖率要低于某个阈值，以保证阴影遮挡不影响农作物的正常生长和基本产量。欧盟建议此阈值的经验值为25%～50%，但与此相关的系统性研究尚处于起步阶段，实证依据不足。赵雪等[5]在西安地区对比了光伏组件覆盖率为50%的光伏温室和普通温室的太阳辐射及有效光合透光率，晴天的光损失率分别为30.3%和17.6%；阴天基本减半，为15.8%和9.4%，但对番茄的产量没有明显影响。Cossu等[6]同样验证了光伏组件对温室接受太阳辐射所产生的损失，实验光伏温室的面积为960 m2、覆盖率为50%，结果发现光伏温室内的太阳辐射减少了64%，距离光伏覆盖面最远的出光损失最低；用部分光伏所发电力对光伏温室内种植的番茄进行LED补光，并不能完全弥补产量的损失，所得结论与赵雪有明显不同，可能是由于温室结构、地理位置或气候条件引起的。

Castellano[7]利用Autodesk Ecotect®软件对一个长宽高为32 m×10 m×4 m的虚拟光伏温室进行建模和分析，讨论覆盖率为0%、20%、30%和50%时的采光情况，并对比了3种覆盖率为20%的3种不同直线式排布。仿真结果表明，从年平均值来看，除了覆盖率为50%(采光面全覆盖)的情况不能满足高能农作物的光照要求(3 000 lx)之外，其他情况都可以满足。但不同位置的光伏组件对不同种植区域的影响程度也不同，张勇[8]提出了一种光伏组件与内部植栽交错式的布局，光伏板主要集中于温室顶部，这样可以使正午时段光伏组件对种植区域遮阳率低于20%的前提下，将覆盖率提高到58%。在之前研究的基础上，张勇等[9]继续探讨了不同覆盖率及光伏组件排布方式对温室内阳光透过率的影响，在宁夏地区对比了81%覆盖率(横向间隔)、58%覆盖率(横向间隔)、58%覆盖率(纵向间隔)以及无光伏组件覆盖的四种光伏温室透光率。结果表明：光伏组件纵向间隔布置(58%覆盖率)>光伏组件横向间隔布置(58%覆盖率)>光伏组件横向间隔布置(81%覆盖率)。而且，58%的纵向间隔布置对种植区域的影响与无组件覆盖基本相当。对于具体项目而言，即使有参考最佳覆盖率，仍然需要决定采用何种光伏组件布局方式，以实现能源产量和农业产量最大化。

具有相同覆盖率的光伏温室，需要根据不同地区日照和气候类型选取最合理的光伏阵列的排布方式，并对光伏农业温室中采光时间和空间分布进行分析。Yano等[10]使用两个装有30个相同规格光伏组件的真实光伏温室，对比了直线式和棋盘式2种排布方式的太阳辐射接收量、光伏发电量和太阳光空间分布。实验结果表明，尽管棋盘式能量利用效率略低于直线式，但光的空间均匀度却比直线式高；直线式光伏温室有部分地面被长期遮挡，但棋盘式光伏温室只存在当天间歇式遮挡，更有利于农作物的生长。Kadowaki等[11]探索了温室屋顶安装光伏组件及其排布对大葱的产量影响。在两个相同尺度和朝向的实验光伏温室的屋顶上，分别按照直线式和棋盘式排布相同数量的光伏组件，覆盖率均为12.9%。同时有设置了一个尺度和朝向相同的传统温室，作为对照组，种有相同数量的大葱。一年后的称重结果表明，直线式光伏温室的洋葱产量明显低于对照组温室，而棋盘式光伏温室相对对照组温室来说，大葱的减产程度要低，造成减产可能因为直线式排布的光伏组件对部分区域有长期遮挡，有待进一步验证。

目前关于农业光伏建筑光学的研究基础比较有限，尚未形成系统性的研究成果，亟需足够支撑标准制定的科学依据。以往关于光伏温室的研究，主要以计算机模拟仿真和实地测量为主，难以平衡和兼顾环境和温室的精确性和可重复性。现有的光伏农业项目中，光伏板影响植物生长的问题越来越突出[12]。本研究利用人工天穹实验系统将软件仿真和物理实验有机结合，研究光伏温室屋顶的几何结构和光伏组件排布对温室内自然光分布的影响，通过对比4种典型排列方式在4个典型纬度地区春夏秋冬四季的太阳光利用率，得出可为光伏温室建筑采光设计标准提供参考的实证科学数据。

1 光伏温室采光的人工天穹模拟

1.1 天空光环境模拟

实验采用可以使用计算机软件控制的人工天穹系统来模拟太阳光，由一个用来模拟太阳直射光的氙灯和2 100个用来模拟天空扩散光的LED平面光源共同组成，如图1所示(天穹直径=15 m；氙灯直径=50 cm；氙灯色温：6 000 K；LED平面光源：2 100个，亮度和色温均可调节，色温调节范围为2 700～6 500 K；具备一键复现全球地理位置任意时刻的自然采光情景的功能，并预设了15种CIE标准天空的亮度分布)。氙灯光源为平行光，被安装于垂直轨道上，可以根据所模拟地区和对应季节的太阳高度角沿着运行轨道进行全天动态模拟，如图2所示。垂直轨道的一端安装在落地安装的水平轨道上，另一端吊装于天穹顶部中心点。

图1 人工天穹实验系统Fig.1 Artificial sky system

图2 太阳模拟光源氙灯Fig.2 Xenon lamp for sun simulation

太阳光由太阳直射光和天空扩散光两部分组成，本研究主要探讨光伏温室顶部的光伏组件对温室内部的遮光问题，因此应尽量排除天空扩散光的影响，主要探究太阳光中的太阳直射光。故本研究中将LED平面光源全部关闭，只保留模拟太阳直射光的氙灯来进行实验，以便探究光伏温室屋顶组件排布对太阳光利用率的影响。

1.2 光伏温室建筑模型

为了在人工天穹内研究光伏温室内部光照分布影响，本实验采用了1∶16缩尺模型模拟光伏温室，模型由模拟光伏组件的铝塑板和不锈钢的支架组成，光伏组件由不透光深蓝色铝塑板模拟。单个光伏温室模型长2 m、宽0.5 m，放置于人工天穹内部中央位置的4 m×4 m实验台中，如图3所示。此系统可以快速复现不同时间季节的自然光环境，并模拟光伏温室内部全年光照变化。

图3 人工天穹内的光伏温室建筑模型(1∶16缩尺)Fig.3 The architectural model of the photovoltaic greenhouse in the artificial sky (1∶16 scale)

实验分别模拟了哈尔滨(北纬45°)、北京(北纬40°)、上海(北纬31°)、深圳(北纬22°)4个纬度地区在冬至(12月22日)、夏至(6月22日)、春分(3月21日)和秋分(9月23日)4个季节的天气情况下全天的太阳高度角。考虑到光伏板之间的互相遮挡问题，四组光伏温室建筑模型的摆放方式与光照测量位置如图4所示。通过计算分析光伏板在各种倾角条件下全年太阳辐射总量和光伏电池发电量，确定太阳能板放置的最佳倾角[13]。模型支架倾斜角度可在22°、30°、40°、45°四种模式之间切换，分别对应深圳、上海、北京、哈尔滨4个纬度地区的最佳倾角，如图5所示。

图4 光伏温室模型布局俯视图Fig.4 Top view of photovoltaic greenhouse model layout

图5 光伏温室建筑模型4种倾角侧视图Fig.5 Side views of four inclination angles of the photovoltaic greenhouse model

光伏温室屋顶的光伏组件，按照材料类型，可以分为晶硅组件、薄膜组件、双玻组件。对于单个组件透光率几乎为零的晶硅组件来说，典型光伏阵列的排布方式可以分为横向排布和纵向排布两种。按照遮挡程度，可以分为全遮挡和部分遮挡两种。本实验设置光伏组件的覆盖率固定为50%，排布方式按水平和竖直两个方向的间隔式和棋盘式排布，4种光伏组件的排布方式如图6所示。

图6 4种光伏组件排布方式Fig.6 4 ways of arrangement of photovoltaic panels

1.3 数据采集

实验采取了全比例微缩实物模型光分布点网测量方法，分别以4种不同的光伏组件排布方式来模拟4种不同太阳光遮挡情况下的光伏温室建筑模型。在模型内均匀地布置20个测点(图4)。并使用照度传感器来测量温室内的光照条件和空间分布情况，利用测得照度值间接反应光谱响应变化。如图7所示，测得照度值(E)。对每一种光伏温室建筑模型进行不同纬度地区下的冬/夏至和春/秋分4个季节全天太阳高度角的动态模拟，每一次模拟都从日出到日落每隔0.5 h测量一次数据，并将这些数据做归一化处理。春分和秋分太阳轨迹完全等同，因此春秋两季合并处理，即4个季节的实际测量分三次即可完成，总共得到64组的照度值(E)。

图7 光伏温室模型内照度传感器Fig.7 Illuminance sensor inside the photovoltaic greenhouse model

测试完毕后，撤掉光伏温室建筑模型，在完全无遮挡的情况下，在相同位置的20个测点测量4个纬度地区的3种不同季节太阳直射光的全天照射情况，测得总共16组照度值E0作为基准值。至此，实验室模拟数据采集完毕。

经过归一化处理和分析计算得到不同的光伏组件排布方式下光伏温室内部的不同采光系数。对每组温室内照度值(E)都根据其相应太阳直射光照射情况下测得的基准值(E0)计算其每个测点在每个时间点的采光系数值(E/E0)。对比分析按照4种光伏组件排布方式测量和计算得到的采光系数，并验证出能够将太阳能最大化利用的光伏组件排布方式。

2 实验结果

2.1 数据处理

为排除不同测点间室外照度值的不同导致的室内照度值差别，以采光系数(DF: daylight factor)E/E0来衡量光伏温室对太阳能的相对利用率更为合理[14]。其中，E为有光伏组件遮挡情况下，布置在温室模型内部的20个传感器所测量到的照度值，E0为无遮挡情况下的基准值。

由于测量基值的实验过程在测量4种光伏温室照度值之后进行。两次实验之间人工天穹系统进行了检修，并更换了氙灯，新旧氙灯的亮度有差距。为保证采光系数有意义，对比两灯照在实验台上的最大照度值，将其比值作为校准系数(n)校准原始采光系数(E/E0)。校准采光系数为E/nE0，其中n=11.4。

对64组数据中20个测点计算全天校准采光系数平均值，代表每一测点在4种光伏组件排布下每个纬度和季节的采光系数。并对每一纬度中的4个季节的校准采光系数求和，得到每一纬度可代表全年自然光照射情况温室内20个测点的采光系数。

2.2 光伏温室采光系数

本实验排除了天空扩散光只考虑太阳直射光的影响而且光伏组件遮光率恒定，因此每种排布方式的光伏系统对太阳能的使用效率相同，温室内平均采光系数相同。用平均采光系数来衡量光伏组件排布方式的优劣是无意义的，应使用能够描述采光均匀度的参数衡量光伏组件排布方式的优劣[15]。使用合理的光伏组件排布方式可使温室内部均匀受光，提高农业对太阳光的利用率。避免个别点位被遮挡时间过长而导致采光系数不足，或采光系数远高于平均值造成太阳光浪费。

本研究采用20个测点采光系数的离散程度描述光伏温室内采光均匀度。本实验采用箱型图(Box-plot)来表示数据离散程度，并进行组件比较。

2.2.1 纬度和季节的影响

本实验使用箱型图来表示不同纬度和季节的天然光照射情况下，每组数据中20个测点采光系数的离散程度，从而验证出温室屋顶光伏组件的最好排布方式见表1。

对比分析光伏组件的4种不同排布方式下20个测点采光系数的箱型图。每组数据中“排布1”均表现出上四分位与下四分位之间的距离较其他3种排布偏大，且中位数较其他3种排布偏低。

表1 不同纬度和季节20个测点采光系数平均值和离散程度

对比分析不同纬度地区的温室内20个测点采光系数的箱型图。北京和哈尔滨的上四分位与下四分位之间的距离较深圳和上海偏大，且这种趋势在春/秋分的日光照射情况下尤为明显。然而北京和哈尔滨两地在春/秋分太阳光照射情况下，20个测点采光系数的中位数较深圳和上海偏高。

2.2.2 全年采光系数及其分散程度

为进一步明确不同纬度地区光伏组件排布方式对温室内的采光均匀度的影响。绘制每一纬度地区全年日照情况下4种光伏组件排布方式20个测点采光系数箱型图。对每一纬度地区，将每一测点的4个季节日照情况的采光系数值进行相加计算，得到代表每一纬度全年日照情况的4种排布方式对比图见表2。春/秋分、夏至和冬至4个日期可代表4个季节，从而近似涵盖了全年天然光照射情况。

对比分析各纬度地区全年的日照情况4种排布方式的箱型图，同样显示：“排布1”的上四分位与下四分位之间的距离较其他3种排布偏大且中位数较其他3种排布偏低的情况。

表2 全年日照情况下20个测点采光系数平均值和离散程度

3 结论

本实验使用人工天穹实验系统和光伏温室缩尺模型模拟研究不同太阳光条件下，光伏组件的不同排布方式对光伏温室太阳光利用率的影响。对比分析4种光伏组件排布方式测量得到的20个测点采光系数离散程度，并验证能够将太阳光最大化利用的光伏组件排布方式，得到以下结论：

由实验结果可得，无论是综合考虑每一纬度全年的天然光照射情况，还是考虑每一纬度和每种季节的天然光照射情况，排布1的20个测点采光系数离散程度均表现出比其他3种排布偏大的趋势。即排布1的光伏温室对太阳光的利用率最低，而其他3种排布的光伏温室对太阳光的利用率较高。除此之外，不同纬度和季节测得的采光系数分散程度之间具有差异。北京和哈尔滨这两个典型中国北方纬度地区测得的采光系数离散程度较深圳和上海大，即相同温室条件下，中国北方地区的光伏温室对太阳的利用率较低南方地区偏低，春/秋分季节更加显著。

总体而言，对比水平方向的间隔式排布、竖直方向的间隔式排布、水平方向的棋盘式排布和竖直方向的棋盘式排布这4种光伏组件排布对光伏温室太阳光利用率的影响。水平方向的间隔式排布对太阳光利用率最低，其他3种排布无明显差别。故在实际建造光伏温室时，尽量减少水平方向的间隔式排布方式，进而减少光伏板对农作物生长的负面影响。

为进一步探索光伏组件排布方式对光伏温室采光的影响，在后续的研究中可以通过改变光伏组件遮光率，光伏组件的倾斜角度等变量来实现。