节能光伏日光温室整体透光率试验研究及PAR模拟

i2017-08%0*KDOLJT 节能日光温室是中国自主研发的温室结构，多年来作为具有典型中国特色、规模数量较大的设施类型，一直是中国温室园艺装备升级的重点。截止到2013年，中国设施农业面积已达到350万hm2，其中日光温室面积达88万hm2，占设施总面积的25%1，设施农业总产值7080亿元，约占中国农林牧渔业累计总产值89465.7亿元的8%2-3。在化石能源濒临枯竭的背景下，日光温室由于具有较大型温室而言的高保温比和采光蓄热技术的不断提升，目前已成为中国设施园艺产业突破资源环境瓶颈制约，保持中国冬季设施产品的长期有效供给的重要手段。太阳能光伏发电作为再生能源的重点领域，是未来新能源发展的主要阵地，也是国务院确定的战略性新兴产业之一。在全球市场的推动下，中国的可再生能源产业发展迅猛，各类水利、风能、光伏装机量快速增长。光伏农业却只是光伏新能源发展中很小的一部分，但其发展速度极快。目前，不少省份已完成了光伏农业大棚的建设，并开始运营。2014年3月，中国的光伏农业种植大棚、光伏养殖农业大棚、弱光型光伏农业种植大棚、渔光互补水产养殖项目已达400余个4，2013年底，通过国家审批通的农业光伏和渔光互补项目超过2.9 GW，而2014年17月，已签约拟建或正在建设的光伏农业项目超过2 GW。近两年来，英利、保利协鑫、青岛昌盛等知名光伏企业逐步投建光伏农业项目，使得国内光伏农业产业发展的态势更加迅猛。中国光伏农业装机容量自2009年伊始的不足1 MW，到目前的1182 MW仅用了5年时间，据预估，2018年中国光伏农业年装机量将达到3260 MW，累计将达到12416 MW。中国对光伏的探索起步较迟，光伏农业探索也比较缺乏。最近几年以来，随着光伏产业的发展，中国开始逐步对农业光伏进行探索，研究的方向主要是农业光伏实际应用的可行性、意义、存在问题及建议等方面。光伏大棚（图1）是将农业大棚与太阳能发电系统有机结合，将太阳能板铺设在大棚上，充分利用了太阳能资源、空间资源，还解决了农业大棚内部的照明、灌溉、通风、供暖等所需能源的问题，此外光伏大棚抗腐蚀能力、风、雨、雪能力强，寿命比普通的温室大棚长。我国已有许多学者对光伏大棚进行了探索。中国的光伏设施农业模式已逐渐在山东、江苏、江西、内蒙古等全国范围内推广5。黄勇6的研究结果表明，光伏日光温室不但可以解决以往温室的电力供应，在保证生产需求的同时，可以提升产品质量，并做到节能节水，减少污染和碳排放量，对经济增长、环境保护、社会教育等方面有着积极的影响。严聚仁7论证了中国光伏产业急需向国内转型，在国内推广光伏产业大棚势在必行。冯秀萍等人8以对北京农业科技学院的农业科技节能光伏日光温室整体透光率试验研究及PAR模拟*张勇1，邹志荣1*，鲍恩财1，杨宇1，汤青川2（1. 西北农林科技大学，陕西杨凌 712100；2. 青海大学，西宁 810000）m ;v i2017-08园和西北农林科技大学新天地公司的的农业科技园为案例，论述了在农业大棚中应用光伏太阳能技术的设计方案，为现代农业在未来的发展方向做出了预测。杨月梅等9的研究结果显示，光伏大棚发电项目对生态农业积极影响大于消极影响。外国学者开展光伏技术在农业中的应用研讨会，会议聚焦讨论光伏板技术研究和其在农业应用方面的可能性10-11。同年有学者提出，光伏水泵在农业灌溉、温室、围栏电源、鱼塘曝气等方面有很大作用12。在这之后罗马尼亚、意大利等国家也逐渐将光伏引入农业，阐述了太阳能光伏板在农业中使用的可能性，并对农业光伏电站做了经济效益分析13-14。Yano等15研究了棋盘型和线型的太阳能板的排列方式，结果显示，前者虽稍微降低了光照强度，但对植物生长更为有利。在温室园艺产业中，包括太阳能等在内的各类清洁能源技术正在逐渐地被应用于温室生产中。目前，研究者主要从2个技术方向将太阳能应用于日光温室中，一个是直接利用太阳能结合光热蓄热技术，另一种途径是利用太阳能发电技术，将太阳能转化为电能然后进一步应用。太阳能蓄热系统得到的主要是低品位热能，主要用来提高日光温室冬季的保温蓄热能力，而太阳能发电技术可利用太阳能获取高品位能源（电能），应用范围更为广泛，可为温室环境调控设备提供能量。因此，日光温室的光伏发电和内部植物正常生长直接的耦合关系研究仍然是太阳能日光温室亟待解决的问题。为了从结构上解决日光温室光伏发电与内部种植生长的问题，西北农林科技大学设施农业团队在省部级项目的支持下，自2013年开始展开了一系列的研究，在日光温室的光伏发电与内部植物生长耦合方面得到了一些阶段性的研究结果。k; ; i为进行各种不同覆盖率光伏日光温室的光照透过率分析研究，该试验选择3种不同覆盖方式和不同组件覆盖率的温室，3个光伏温室的建筑跨度一致，长度稍有差别，试验温室方位为正南。温室东西长度为5075 m之间，南北跨度为10 m；温室墙体厚度为1 m；温室之间间距为10 m。试验同时选择了1座普通圆拱采光面日光温室作为对照温室，该温室跨度为10 m，长度为60 m。试验温室位于青海西宁，该地的经纬度为东经1014917、北纬36343。试验温室的具体构造如图2所示。经详细计算光伏组件的分布，得到的光伏组件覆盖率分别为47%、58%和81%。光照测量采用哈尔滨物格生产的长期数据记录仪，该仪器主要包括温湿度传感器探头、土壤温度传感器探头及辐照度计。温度测量范围为-50120，湿度测量范围为099%，光照度测量范围为0200000 lx，温度测量精度为0.5，湿度测量精度为3%，光照度测量精度为5%。光照探头在温室内的布置如图2中所示，分别均匀地布置在温室内的光伏组件下方和组件的间隔部位，每个位置布置2台，最后的试验光照数据均采用各部位光照探头的平均数据。B q; i _W C q; i _WE v iD q; i :_Wm ;Fqs q k iFqZ T# q; (iV qs通过试验，得到各不同组件覆盖方式下的温室光照度指标如图3所示。从图3可知，光照性能总体上依照室外、无组件覆盖对照温室、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）呈下降趋势。为了更加明确地分析各种差别组件覆盖条件 i2017-08m ;Fqs q8iV qs m FqZ T/ i;v温室总体透光率为58.87%；光伏组件纵向间隔布置（58%覆盖率）总体透光率约38.45%；光伏组件横向间隔布置（58%覆盖率）总体透光率为29.00%；光伏组件横向间隔布置（81%覆盖率）总体透光率为24.21%。因此差别覆盖率的总体透光性能由高到低的次序为无组件覆盖对照温室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）。通过阴影分析可知，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（在种植区域有部分阴影落在后墙上），具体影响因种植园艺作物的种类不同而有所差别。而对于温室内部温度的影响，在后续的研究中会进一步阐明。; i1“3 Es为了进一步分析组件覆盖率在50%及以下的整体透过率，该试验通过ECOTECT软件对温室与光伏板结合模式进行了进一步的模拟分析。ECOTECT模拟中温室模型方位为正南，温室东西长度为30 m，南北跨度为10 m，其他建筑参数与试验温室相同。对30%、45%和50%间隔布置等3种方式进行模拟分析，分析模型光伏温室在11月、12月与1月的日均PAR值，以及111月3个月的日均PAR值，综合比较温室内部光照的日均PAR数据，如图5所示。下的差别透过率，可用以下公式计算光伏温室整体透过率：分别计算不同组件覆盖温室的整体透过率，结果如图4所示。因此，如图3、4所示，室外最大照度为51417.50 lx，10:0016:00的室外照度平均值为43215.91 lx；无组件覆盖对照温室照度平均值为25439.08 lx，总体透光率为58.87%；光伏组件纵向间隔布置（58%覆盖率）照度平均值为19770.3.11 lx，总体透光率约38.45%。光伏组件横向间隔布置（58%覆盖率）照度平均值为12532.26 lx，总体透光率为29.00%；光伏组件横向间隔布置（81%覆盖率）照度平均值为10463.22 lx，总体透光率为24.21%。分析可知，在10:0016:00无组件覆盖对照m ; ; i q i =; s q ( 1“3 q ( 1“3 q ( 1“3 q ( 1“3 W T q ( 1“3 W T q ( 1“3 W T q ( 1“3 W T q ( 1“3 ( T q ( 1“3 ( T q ( 1“3 ( T q ( 1“3 ( T q ( 1“3;vMYHW i2017-08分析可知，3种日光温室与光伏板结合模式的尝试，11月和12月PAR范围在0.40 4.00 MJ/(m2d )之间，1月在0.35 3.50 MJ/(m2d )之间，不同类型排布对温室内光照的影响差异不是特别大，30%平铺式覆盖和45%间隔式排布方式相比，前者在温室中部光照有明显优势，45%间隔式排布与50%平铺式排布相比，后者在中部光照有明显劣势，因此综合考虑经济条件和植物生长需求，在生产中适宜取以45%间隔式光伏板覆盖温室顶部的模式。 9该研究以中国蓬勃发展的光伏日光温室为研究对象，针对光伏日光温室设计中存在的光伏组件覆盖和植物生产互相争抢光资源的问题，在系统研究光伏组件遮光机理的基础上，试验分析了3种不同覆盖率和不同覆盖方式的光伏温室，并对30%、45%和50%间隔布置光伏温室进行了初步的PAR分析。在10:0016:00，无组件覆盖对照温室总体透光率为58.87%；光伏组件纵向间隔布置（58%覆盖率）总体透光率约33.97%；光伏组件横向间隔布置（58%覆盖率）总体透光率为29.00%；光伏组件横向间隔布置（81%覆盖率）总体透光率为24.21%。30%、45%和50%间隔布置光伏温室总体光照PAR分布趋势相同，区别是30%平铺式覆盖和45%间隔式排布方式相比，前者在温室中部光照有明显优势，45%间隔式排布与50%平铺式排布相比，后者在中部光照有明显劣势，综合考虑经济条件和植物生长需求，因此在生产中适宜取以45%间隔式光伏板覆盖温室顶部的模式。 IDk S ; i# ?M j ? S ; i + j ! ?Z 5F S ! v ; j j0 g > o ; j ;?“d iv S/ V;Q o j j B S/_ Y ! ; j ? ? 1BSLFS#' -JOEMFZ.3 #FOTPO'+ FUBM“TTFTTNFOU PGTPMBSFOFSHZQPUFOUJBMJOBHSJDVMUVSF1BQFS“NFSJDBO TPDJFUZPGBHSJDVMUVSBMFOHJOFFST 7PO0IFJN3“ 4USJQQFM.)1IPUPWPMUBJDPOHSJE DPOOFDUFEBQQMJDBUJPOTJOBHSJDVMUVSBMQSPEVDUJPO 9*XPSMEDPOHSFTTPOBHSJDVMUVSBMFOHJOFFSJOH7PMVNF 1SPDFFEJOHTPGBDPOGFSFODFIFMEJO.JMBO *UBMZ “VHVTU4FQUFNCFS#FMHJVN$*(3 .FSFMCF LF 0IFJNC37 'FUU/ )VFOTFMFS) FUBM1IPUPWPMUBJDBQQMJDBUJPOT JOBHSJDVMUVSF'FEFSBMNJOJTUSJFTPGSFTFBSDIBOE UFDIOPMPHZBOEPGBHSJDVMUVSFTFNJOBSPOUIFDVSSFOU TUBUVTIFMEJO,SBOJDITUFJO %BSNTUBEUPOUIFUIUPUI +VOF,5#-“SCFJUTQBQJFS %BOJFMF$ -PNCBSEJ(7 8 S/d79 “ ,5$- Tef 3 qp V1V Y iy#; yb YT; 3 q1VY ! jf ; 6 ?; ; i8i; q k#1“3 E j</