節(jié)能光伏日光溫室整體透光率試驗(yàn)研究及PAR模擬

i2017-08%0*KDOLJT 節(jié)能日光溫室是中國自主研發(fā)的溫室結(jié)構(gòu)，多年來作為具有典型中國特色、規(guī)模數(shù)量較大的設(shè)施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級(jí)的重點(diǎn)。截止到2013年，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已達(dá)到350萬hm2，其中日光溫室面積達(dá)88萬hm2，占設(shè)施總面積的25%1，設(shè)施農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值7080億元，約占中國農(nóng)林牧漁業(yè)累計(jì)總產(chǎn)值89465.7億元的8%2-3。在化石能源瀕臨枯竭的背景下，日光溫室由于具有較大型溫室而言的高保溫比和采光蓄熱技術(shù)的不斷提升，目前已成為中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)突破資源環(huán)境瓶頸制約，保持中國冬季設(shè)施產(chǎn)品的長期有效供給的重要手段。太陽能光伏發(fā)電作為再生能源的重點(diǎn)領(lǐng)域，是未來新能源發(fā)展的主要陣地，也是國務(wù)院確定的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。在全球市場(chǎng)的推動(dòng)下，中國的可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，各類水利、風(fēng)能、光伏裝機(jī)量快速增長。光伏農(nóng)業(yè)卻只是光伏新能源發(fā)展中很小的一部分，但其發(fā)展速度極快。目前，不少省份已完成了光伏農(nóng)業(yè)大棚的建設(shè)，并開始運(yùn)營。2014年3月，中國的光伏農(nóng)業(yè)種植大棚、光伏養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)大棚、弱光型光伏農(nóng)業(yè)種植大棚、漁光互補(bǔ)水產(chǎn)養(yǎng)殖項(xiàng)目已達(dá)400余個(gè)4，2013年底，通過國家審批通的農(nóng)業(yè)光伏和漁光互補(bǔ)項(xiàng)目超過2.9 GW，而2014年17月，已簽約擬建或正在建設(shè)的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目超過2 GW。近兩年來，英利、保利協(xié)鑫、青島昌盛等知名光伏企業(yè)逐步投建光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，使得國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的態(tài)勢(shì)更加迅猛。中國光伏農(nóng)業(yè)裝機(jī)容量自2009年伊始的不足1 MW，到目前的1182 MW僅用了5年時(shí)間，據(jù)預(yù)估，2018年中國光伏農(nóng)業(yè)年裝機(jī)量將達(dá)到3260 MW，累計(jì)將達(dá)到12416 MW。中國對(duì)光伏的探索起步較遲，光伏農(nóng)業(yè)探索也比較缺乏。最近幾年以來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國開始逐步對(duì)農(nóng)業(yè)光伏進(jìn)行探索，研究的方向主要是農(nóng)業(yè)光伏實(shí)際應(yīng)用的可行性、意義、存在問題及建議等方面。光伏大棚（圖1）是將農(nóng)業(yè)大棚與太陽能發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，將太陽能板鋪設(shè)在大棚上，充分利用了太陽能資源、空間資源，還解決了農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的照明、灌溉、通風(fēng)、供暖等所需能源的問題，此外光伏大棚抗腐蝕能力、風(fēng)、雨、雪能力強(qiáng)，壽命比普通的溫室大棚長。我國已有許多學(xué)者對(duì)光伏大棚進(jìn)行了探索。中國的光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)模式已逐漸在山東、江蘇、江西、內(nèi)蒙古等全國范圍內(nèi)推廣5。黃勇6的研究結(jié)果表明，光伏日光溫室不但可以解決以往溫室的電力供應(yīng)，在保證生產(chǎn)需求的同時(shí)，可以提升產(chǎn)品質(zhì)量，并做到節(jié)能節(jié)水，減少污染和碳排放量，對(duì)經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)、社會(huì)教育等方面有著積極的影響。嚴(yán)聚仁7論證了中國光伏產(chǎn)業(yè)急需向國內(nèi)轉(zhuǎn)型，在國內(nèi)推廣光伏產(chǎn)業(yè)大棚勢(shì)在必行。馮秀萍等人8以對(duì)北京農(nóng)業(yè)科技學(xué)院的農(nóng)業(yè)科技節(jié)能光伏日光溫室整體透光率試驗(yàn)研究及PAR模擬*張  勇1，鄒志榮1*，鮑恩財(cái)1，楊  宇1，湯青川2（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌 712100；2. 青海大學(xué)，西寧  810000）m ;v i2017-08園和西北農(nóng)林科技大學(xué)新天地公司的的農(nóng)業(yè)科技園為案例，論述了在農(nóng)業(yè)大棚中應(yīng)用光伏太陽能技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在未來的發(fā)展方向做出了預(yù)測(cè)。楊月梅等9的研究結(jié)果顯示，光伏大棚發(fā)電項(xiàng)目對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)積極影響大于消極影響。外國學(xué)者開展光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研討會(huì)，會(huì)議聚焦討論光伏板技術(shù)研究和其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面的可能性10-11。同年有學(xué)者提出，光伏水泵在農(nóng)業(yè)灌溉、溫室、圍欄電源、魚塘曝氣等方面有很大作用12。在這之后羅馬尼亞、意大利等國家也逐漸將光伏引入農(nóng)業(yè)，闡述了太陽能光伏板在農(nóng)業(yè)中使用的可能性，并對(duì)農(nóng)業(yè)光伏電站做了經(jīng)濟(jì)效益分析13-14。Yano等15研究了棋盤型和線型的太陽能板的排列方式，結(jié)果顯示，前者雖稍微降低了光照強(qiáng)度，但對(duì)植物生長更為有利。在溫室園藝產(chǎn)業(yè)中，包括太陽能等在內(nèi)的各類清潔能源技術(shù)正在逐漸地被應(yīng)用于溫室生產(chǎn)中。目前，研究者主要從2個(gè)技術(shù)方向?qū)⑻柲軕?yīng)用于日光溫室中，一個(gè)是直接利用太陽能結(jié)合光熱蓄熱技術(shù)，另一種途徑是利用太陽能發(fā)電技術(shù)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能然后進(jìn)一步應(yīng)用。太陽能蓄熱系統(tǒng)得到的主要是低品位熱能，主要用來提高日光溫室冬季的保溫蓄熱能力，而太陽能發(fā)電技術(shù)可利用太陽能獲取高品位能源（電能），應(yīng)用范圍更為廣泛，可為溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備提供能量。因此，日光溫室的光伏發(fā)電和內(nèi)部植物正常生長直接的耦合關(guān)系研究仍然是太陽能日光溫室亟待解決的問題。為了從結(jié)構(gòu)上解決日光溫室光伏發(fā)電與內(nèi)部種植生長的問題，西北農(nóng)林科技大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在省部級(jí)項(xiàng)目的支持下，自2013年開始展開了一系列的研究，在日光溫室的光伏發(fā)電與內(nèi)部植物生長耦合方面得到了一些階段性的研究結(jié)果。k; ; i為進(jìn)行各種不同覆蓋率光伏日光溫室的光照透過率分析研究，該試驗(yàn)選擇3種不同覆蓋方式和不同組件覆蓋率的溫室，3個(gè)光伏溫室的建筑跨度一致，長度稍有差別，試驗(yàn)溫室方位為正南。溫室東西長度為5075 m之間，南北跨度為10 m；溫室墻體厚度為1 m；溫室之間間距為10 m。試驗(yàn)同時(shí)選擇了1座普通圓拱采光面日光溫室作為對(duì)照溫室，該溫室跨度為10 m，長度為60 m。試驗(yàn)溫室位于青海西寧，該地的經(jīng)緯度為東經(jīng)1014917、北緯36343。試驗(yàn)溫室的具體構(gòu)造如圖2所示。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算光伏組件的分布，得到的光伏組件覆蓋率分別為47%、58%和81%。光照測(cè)量采用哈爾濱物格生產(chǎn)的長期數(shù)據(jù)記錄儀，該儀器主要包括溫濕度傳感器探頭、土壤溫度傳感器探頭及輻照度計(jì)。溫度測(cè)量范圍為-50120，濕度測(cè)量范圍為099%，光照度測(cè)量范圍為0200000 lx，溫度測(cè)量精度為0.5，濕度測(cè)量精度為3%，光照度測(cè)量精度為5%。光照探頭在溫室內(nèi)的布置如圖2中所示，分別均勻地布置在溫室內(nèi)的光伏組件下方和組件的間隔部位，每個(gè)位置布置2臺(tái)，最后的試驗(yàn)光照數(shù)據(jù)均采用各部位光照探頭的平均數(shù)據(jù)。B q; i _W C q; i _WE v iD q; i :_Wm ;Fqs q k iFqZ T# q; (iV qs通過試驗(yàn)，得到各不同組件覆蓋方式下的溫室光照度指標(biāo)如圖3所示。從圖3可知，光照性能總體上依照室外、無組件覆蓋對(duì)照溫室、光伏組件縱向間隔布置（58%覆蓋率）、光伏組件橫向間隔布置（58%覆蓋率）、光伏組件橫向間隔布置（81%覆蓋率）呈下降趨勢(shì)。為了更加明確地分析各種差別組件覆蓋條件 i2017-08m ;Fqs q8iV qs m FqZ T/ i;v溫室總體透光率為58.87%；光伏組件縱向間隔布置（58%覆蓋率）總體透光率約38.45%；光伏組件橫向間隔布置（58%覆蓋率）總體透光率為29.00%；光伏組件橫向間隔布置（81%覆蓋率）總體透光率為24.21%。因此差別覆蓋率的總體透光性能由高到低的次序?yàn)闊o組件覆蓋對(duì)照溫室光伏組件縱向間隔布置（58%覆蓋率）光伏組件橫向間隔布置（58%覆蓋率）光伏組件橫向間隔布置（81%覆蓋率）。通過陰影分析可知，58%的縱向間隔布置對(duì)種植區(qū)域的影響與無組件覆蓋基本相當(dāng)（在種植區(qū)域有部分陰影落在后墻上），具體影響因種植園藝作物的種類不同而有所差別。而對(duì)于溫室內(nèi)部溫度的影響，在后續(xù)的研究中會(huì)進(jìn)一步闡明。; i1“3 Es為了進(jìn)一步分析組件覆蓋率在50%及以下的整體透過率，該試驗(yàn)通過ECOTECT軟件對(duì)溫室與光伏板結(jié)合模式進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬分析。ECOTECT模擬中溫室模型方位為正南，溫室東西長度為30 m，南北跨度為10 m，其他建筑參數(shù)與試驗(yàn)溫室相同。對(duì)30%、45%和50%間隔布置等3種方式進(jìn)行模擬分析，分析模型光伏溫室在11月、12月與1月的日均PAR值，以及111月3個(gè)月的日均PAR值，綜合比較溫室內(nèi)部光照的日均PAR數(shù)據(jù)，如圖5所示。下的差別透過率，可用以下公式計(jì)算光伏溫室整體透過率：分別計(jì)算不同組件覆蓋溫室的整體透過率，結(jié)果如圖4所示。因此，如圖3、4所示，室外最大照度為51417.50 lx，10:0016:00的室外照度平均值為43215.91 lx；無組件覆蓋對(duì)照溫室照度平均值為25439.08 lx，總體透光率為58.87%；光伏組件縱向間隔布置（58%覆蓋率）照度平均值為19770.3.11 lx，總體透光率約38.45%。光伏組件橫向間隔布置（58%覆蓋率）照度平均值為12532.26 lx，總體透光率為29.00%；光伏組件橫向間隔布置（81%覆蓋率）照度平均值為10463.22 lx，總體透光率為24.21%。分析可知，在10:0016:00無組件覆蓋對(duì)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種日光溫室與光伏板結(jié)合模式的嘗試，11月和12月PAR范圍在0.40 4.00 MJ/(m2d )之間，1月在0.35 3.50 MJ/(m2d )之間，不同類型排布對(duì)溫室內(nèi)光照的影響差異不是特別大，30%平鋪式覆蓋和45%間隔式排布方式相比，前者在溫室中部光照有明顯優(yōu)勢(shì)，45%間隔式排布與50%平鋪式排布相比，后者在中部光照有明顯劣勢(shì)，因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件和植物生長需求，在生產(chǎn)中適宜取以45%間隔式光伏板覆蓋溫室頂部的模式。 9該研究以中國蓬勃發(fā)展的光伏日光溫室為研究對(duì)象，針對(duì)光伏日光溫室設(shè)計(jì)中存在的光伏組件覆蓋和植物生產(chǎn)互相爭搶光資源的問題，在系統(tǒng)研究光伏組件遮光機(jī)理的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)分析了3種不同覆蓋率和不同覆蓋方式的光伏溫室，并對(duì)30%、45%和50%間隔布置光伏溫室進(jìn)行了初步的PAR分析。在10:0016:00，無組件覆蓋對(duì)照溫室總體透光率為58.87%；光伏組件縱向間隔布置（58%覆蓋率）總體透光率約33.97%；光伏組件橫向間隔布置（58%覆蓋率）總體透光率為29.00%；光伏組件橫向間隔布置（81%覆蓋率）總體透光率為24.21%。30%、45%和50%間隔布置光伏溫室總體光照PAR分布趨勢(shì)相同，區(qū)別是30%平鋪式覆蓋和45%間隔式排布方式相比，前者在溫室中部光照有明顯優(yōu)勢(shì)，45%間隔式排布與50%平鋪式排布相比，后者在中部光照有明顯劣勢(shì)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)條件和植物生長需求，因此在生產(chǎn)中適宜取以45%間隔式光伏板覆蓋溫室頂部的模式。 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</