光伏溫室的研究綜述

郭騰騰

（云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南昆明 650504）

光伏溫室的研究綜述

郭騰騰

（云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南昆明 650504）

國內(nèi)外學(xué)者對光伏溫室已經(jīng)進(jìn)行了大量的實驗研究，本文在對這些實驗研究進(jìn)行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出現(xiàn)如今光伏溫室研究的幾點不足，以及對光伏溫室研究的建議。

光伏溫室；熱場分布；CFD模擬；設(shè)計建造

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是一個朝陽的產(chǎn)業(yè)，特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展前景廣闊。我國的溫室大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施總量早已達(dá)到世界第一，這類設(shè)施建在地勢平坦的地方，而且頂部無遮擋，如果在溫室頂上安裝光伏板將其改造成光伏溫室，將光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合起來，不僅可以解決土地資源的緊缺問題，而且可以實現(xiàn)多重收益。

1 國外光伏溫室的研究進(jìn)展

對光伏溫室的研究最早是在已有溫室大棚上搭建光伏組件進(jìn)行的。Cossu M和Murgia L等［1］就是在已有的東西導(dǎo)向的溫室大棚（總面積為960m2）的前坡面全部覆蓋上多晶硅光伏組件，覆蓋面積為溫室屋頂總面積的50%，其光伏組件的總額定功率為68kWp，并將光伏組件產(chǎn)生的電能用于取暖和照明，來研究溫室內(nèi)部的太陽輻射分布以及溫度和濕度的改變。結(jié)果表明，太陽輻射的分布是有南北梯度的，光伏組件的產(chǎn)電量可以滿足溫室內(nèi)照明和取暖的要求。

為了最大程度地降低光伏組件遮光對溫室內(nèi)部的太陽輻射的影響，Cossu M和Yano A等［2］將一種新型的球形微太陽電池應(yīng)用于26.5°的溫室屋頂上組成半透明的模型并進(jìn)行了測試，半透明的模型是由4 800塊夾在玻璃中間的球形硅微小電池組成的。全部微太陽電池和金屬導(dǎo)體的覆蓋率為9.7%。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的多晶硅模塊相比，微小太陽電池半透明模塊的產(chǎn)量收益略高。此外，為了提高能源效率和光伏溫室的可持續(xù)發(fā)展，Yano A和Onoe M等［3］還對溫室屋頂上的球形微太陽電池的排布進(jìn)行了變化研究，一種是用1 500個直徑為1.8mm的晶體硅球形微太陽電池以15.4個/cm2電池的密度排布在108mm× 90mm的溫室屋頂上，另一種是用同樣的光伏電池500個以5.1個/cm2電池的密度排布在相同尺寸的屋頂上，通過計算單位溫室土地面積的年度電能生產(chǎn)表明，這樣的排布更適合高輻射度地區(qū)，只有在高輻射度的地區(qū)，冬季的產(chǎn)電量才能滿足溫室的需求。為了研究評估配有光伏陣列東西導(dǎo)向的哥特式尖拱型溫室內(nèi)的陽光能量的空間分布。Yano A和Kadowaki M等［4］還研究了在同一溫室屋頂上覆蓋相同面積的光伏組件（均為屋頂面積的12.9%），將排布方式分別采用棋盤型和直線型排布，所有的排布均是使用30塊相同的光伏電池，來研究溫室內(nèi)的陰影情況和光伏組件的產(chǎn)電情況。結(jié)果表明，2種排布方式的產(chǎn)電量幾乎沒有差別，與直線型布局相比，棋盤布局能很好地改善溫室內(nèi)陽光輻射空間分布不平衡的問題，棋盤型能夠使溫室內(nèi)的植物接收到更好的陽光能源。所以，溫室屋頂上光伏組件的排布對于溫室內(nèi)的氣候環(huán)境有很大的影響。為了進(jìn)一步研究光伏組件布局對植物生長的影響，Kadowaki M和Yano A［5］還在棋盤型和直線型排布的溫室里種植大蔥，來研究不同排布對大蔥生長的影響。結(jié)果顯示，與直線型相比，棋盤型的排布更利于大蔥的生長。

與傳統(tǒng)的實測實驗相比，有很多人運用計算機(jī)來進(jìn)行模擬實驗，研究光伏溫室的許多特性。Bhattacharya T 和Chakraborty A K［6］運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模擬計算集成在溫室屋頂?shù)娜嵝员∧ぬ栯姵兀ㄟ^運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬計算，它能在試驗前期就能過預(yù)算出集成在溫室屋頂上的太陽電池的產(chǎn)電量，還模擬了太陽電池對植物光合作用的影響。結(jié)果表明，可以相應(yīng)地調(diào)整光伏組件的覆蓋率，來模擬對植物光合作用的影響，在10%的覆蓋率的情況下對植物光合作用的影響不大。Gupta R和Tiwari G N等［7］運用CAD-3D陰影分析來分析進(jìn)入到覆蓋了光伏組件的溫室在溫室內(nèi)壁和地板上的輻射分布，實驗是基于印度新德里的地理參數(shù)進(jìn)行的，實驗中調(diào)整光伏溫室的長度和寬度來研究落在光伏溫室內(nèi)壁和地板上的陰影，分別選擇冬季和夏季典型的晴朗天氣進(jìn)行試驗。結(jié)果顯示，在東西導(dǎo)向的溫室大棚里，45°傾角時太陽能的輻射損失最少，但是結(jié)果是基于印度新德里的。實驗方法同樣適用于其他地區(qū)和尺寸的溫室。為了準(zhǔn)確預(yù)測裝有太陽能光伏板的溫室內(nèi)部的小氣候，F(xiàn)atnassi H和Poncet C等［8］使用計算流體動力學(xué)（CFD）模型模擬了配有光伏組件的2種類型的溫室（不對稱和Venlo）內(nèi)部的太陽輻射分布，通過分析模擬出來的數(shù)據(jù)顯示，與不對稱的溫室相比，Venlo溫室的太陽輻射更均勻，更有利于溫室內(nèi)植物和熱空氣的對流。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)目前國外對于太陽能光伏溫室的文獻(xiàn)顯示多是集中于研究階段，文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)多是實驗得到的，對于工業(yè)化生產(chǎn)的光伏溫室的研究數(shù)據(jù)很少，還是集中在實驗室的開發(fā)研究上，對于系統(tǒng)的光伏溫室的數(shù)據(jù)影響規(guī)律鮮有報道。但是，毋庸置疑，國外的光伏溫室的研究價值對于現(xiàn)在研究光伏溫室還是很有用處的。無論是亞洲還是歐洲的研究都是基于本地區(qū)氣候進(jìn)行的，因為全球各地的氣候條件不同，而溫室的建造都是基于生產(chǎn)需要的，所以說研究方法是值得借鑒的。而具體的研究生產(chǎn)實驗仍需要創(chuàng)新，研究出適合當(dāng)?shù)氐奶柲芄夥鼫厥摇?/p>

2 國內(nèi)光伏溫室的研究進(jìn)展

與國外相比，我國太陽能光伏溫室的研究相對落后，雖然我國現(xiàn)已經(jīng)建設(shè)成很多的太陽能光伏溫室，但并未實現(xiàn)光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雙收益，這是值得思考的。而且并未找到我國生產(chǎn)化的光伏溫室的收益數(shù)據(jù)。

2012年5月14日，我國首座示范性光伏溫室在甘肅省嘉峪關(guān)建成，該光伏溫室的建成對于我國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)具有顯著的示范意義［9］。而且在當(dāng)今化石能源瀕臨枯竭環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，光伏溫室將無疑會成為中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)突破資源環(huán)境瓶頸制約，調(diào)控環(huán)境污染，保證我國冬季設(shè)施產(chǎn)品的長期有效供給的重要手段之一。此外，由于光伏發(fā)電不僅解決了取水灌溉、機(jī)械動力所需要的供電問題，還可以產(chǎn)出多余的電力上網(wǎng)輸出。因此，光伏農(nóng)業(yè)是符合生物鏈關(guān)系和生產(chǎn)原料能量系統(tǒng)要求的重要農(nóng)業(yè)工程形式。從長遠(yuǎn)來看，發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)不僅可以解決光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)幍氐默F(xiàn)狀，對于我國的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型也具有重要意義［10］。因此，為了更好地研究適合我國工業(yè)發(fā)展生產(chǎn)的光伏溫室，許多人開始了對光伏溫室的研究。但是，大多數(shù)都還處在理論研究的階段［11-14］。

昝錦羽等［15］基于云南省昆明市冬至日的氣候特點，使用Ecotect軟件建立光伏溫室大棚模型，通過改變屋頂光伏面板的排布方式，分別采取排布一排、兩排緊密式光伏電池和一排、兩排棋盤式光伏電池，來模擬研究溫室內(nèi)的溫度和溫室內(nèi)外溫度差，通過比較研究溫室模擬出的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用相同數(shù)量的電池組件排布下，緊密型溫室大棚棚內(nèi)溫度和棚內(nèi)外溫度差較大，棚內(nèi)溫度較恒定。此外，孫迎龍［16］還應(yīng)用CFD模擬了江蘇省常州市嘉澤地區(qū)光伏連棟玻璃溫室內(nèi)部的溫度和氣流流動，通過對比模擬值和測量值，發(fā)現(xiàn)CFD模擬的數(shù)據(jù)和測量的數(shù)據(jù)出入不大，說明了運用CFD模擬的可靠性和運用CFD模擬確實可以對光伏溫室的建設(shè)起到指導(dǎo)作用。為了驗證CFD模擬是否可行，孫迎龍［17］還通過CFD模擬軟件模擬驗證了在自然通風(fēng)條件下光伏玻璃溫室的溫度場。結(jié)果表明，光伏玻璃溫室室內(nèi)的溫度測量結(jié)果和CFD軟件的模擬結(jié)果絕對誤差均值為0.96℃，相對誤差均值為2.94%。這表明CFD軟件的模擬溫度場結(jié)果和試驗測量的結(jié)果基本吻合，驗證了CFD軟件模擬的可行性。

3 光伏溫室研究展望

目前對光伏溫室的研究有很多，但絕大多數(shù)主要是針對光伏溫室大棚中小氣候環(huán)境實際測量得到的實驗數(shù)據(jù)，以及少數(shù)影響溫室參數(shù)的模擬實驗。較少文獻(xiàn)是針對光伏溫室的設(shè)計上的系統(tǒng)研究。而且與普通的日光溫室相比，光伏溫室的投資較高，一旦建成修改的可能性很小，如果能在建造前期模擬要建造溫室的內(nèi)部環(huán)境就會事半功倍。對此，建議在建造光伏溫室大棚前期可以開展計算模擬實驗，以了解建造參數(shù)對溫室內(nèi)部氣候的影響規(guī)律，對溫室建造設(shè)計起到指導(dǎo)作用。而且運用計算機(jī)軟件模擬具有實驗周期短、實驗成本低、適用性好、靈活性高的特點，這也將減少財力、物力、人力和時間上的不必要消耗?？梢酝ㄟ^對比多組模擬實驗結(jié)果，總結(jié)規(guī)律，作為建造和設(shè)計光伏溫室的依據(jù)，提高光伏溫室的輻照利用率，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)光伏的多重收益。因此，為了更加深入地了解和研究光伏溫室，建議在設(shè)計和建造光伏溫室前可以使用類似CFD這種計算模擬軟件先建立光伏溫室大棚的模型，對光伏溫室的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行模擬實驗，先得到光伏溫室的內(nèi)部熱場分布，可以借鑒前人的經(jīng)驗，適當(dāng)調(diào)整溫室大棚的尺寸、光伏組件的覆蓋率、排布方式，模擬對比實驗結(jié)果，探索溫室尺寸、光伏組件遮擋率、排布方式對其的影響規(guī)律，將熱場分布研究應(yīng)用于光伏溫室大棚的設(shè)計上。

［1］Cossu M，Murgia L，Ledda L，et al.Solar radiation distribution inside a greenhouse with south-oriented photovoltaic roofs and effects on crop productivity［J］.Applied Energy，2014（6）：89-100.

［2］Cossu M，Yano A，Li Z，et al.Advances on the semi-transparent modules based on micro solar cells:First integration in a greenhouse system［J］.Applied Energy，2016（162）：1042-1051.

［3］Yano A，Onoe M，Nakata J.Prototype semi-transparent photovoltaic modules for greenhouse roof applications［J］.Biosystems Engineering，2014（3）：62-73.

［4］Yano A，Kadowaki M，F(xiàn)urue A，et al.Shading and electrical features of a photovoltaic array mounted inside the roof of an east-west oriented greenhouse［J］.Biosystems Engineering，2010 （4）：367-377.

［5］Kadowaki M，Yano A，Ishizu F，et al.Effects of greenhouse photovoltaic array shading on Welsh onion growth［J］.Biosystems Engineering，2012（3）：290-297.

［6］Bhattacharya T，Chakraborty AK，Pal K.Computer Simulation of the Influence of Shading on Solar Photovoltaic Array［J］.International Journal of Ambient Energy，2016：1-19.

［7］Gupta R，Tiwari GN，Kumar A，et al.Calculation of total solar fraction for different orientation of greenhouse using 3D-shadow analysis in Auto-CAD［J］.Energy&Buildings，2012（4）：27-34.

［8］Fatnassi H，Poncet C，Brun R，et al.CFD study of climate conditions under greenhouses equipped with photovoltaic panels ［J］.Acta Horticulturae，2014（1054）：1-10.

［9］佚名.甘肅嘉峪關(guān)建成國內(nèi)首座示范性光伏溫室［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2012（5）：87.

［10］阮曉東.光伏農(nóng)業(yè)：綠色新路［J］.新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2014 （3）：30-33.

［11］柴江權(quán)，夏明建.光伏溫室發(fā)展前景廣闊［J］.長江蔬菜，2015（3）：3-4.

［12］劉輝，傅巧娟，沈國正，等.薄膜光伏太陽能大棚在杭推廣前景分析［J］.杭州科技，2012（4）：44-47.

［13］曹飛，張冬霞.論述薄膜太陽能大棚應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.商品與質(zhì)量（消費研究），2015（5）：275.

［14］高騰飛，李建功.基于駐馬店農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化薄膜光伏大棚可行性探索［J］.建筑節(jié)能，2015（9）：30-33.

［15］昝錦羽.光伏溫室大棚若干問題的研究［D］.昆明：云南師范大學(xué)，2013.

［16］孫迎龍.光伏玻璃溫室內(nèi)溫度和氣流分布的CFD分析研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2014.

［17］孫迎龍，王新忠.光伏玻璃溫室自然通風(fēng)條件下的CFD模擬驗證［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015（4）：176-179.

A Review of Research on Photovoltaic Greenhouse

Guo Tengteng
（School of Energy and Environment Science，Yunnan normal university，Kunming Yunnan 650504）

Domestic and foreign scholars have done a lot of experimental research on photovoltaic greenhouse,based on the summary of the experimental research,this paper put forward some problems in the research of photovoltaic greenhouse,and proposed some suggestions for the research of photovoltaic greenhouse.

photovoltaic greenhouse；thermal-field distribution；CFD simulation；design and build

S625

A

1003-5168（2017）04-0158-03

2017-03-12

郭騰騰（1990-），女，碩士在讀，研究方向：光伏技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。