寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內(nèi)環(huán)境比較研究

祁娟霞， 曹麗華，李建設(shè)， 葉 林， 劉 馨， 張雪艷，*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏設(shè)施園藝工程技術(shù)研究中心，寧夏設(shè)施園藝(寧夏大學(xué))技術(shù)創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏農(nóng)村科技發(fā)展中心，寧夏 銀川 750021)

寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內(nèi)環(huán)境比較研究

祁娟霞1， 曹麗華2，李建設(shè)1， 葉 林1， 劉 馨1， 張雪艷1，*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏設(shè)施園藝工程技術(shù)研究中心，寧夏設(shè)施園藝(寧夏大學(xué))技術(shù)創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏農(nóng)村科技發(fā)展中心，寧夏 銀川 750021)

試驗(yàn)以二代日光溫室為對照，以光伏日光溫室(D1)、光伏雙膜雙網(wǎng)大棚(D2)以及光伏陰陽棚(D3，陽棚D3a、陰棚D3b)為處理，系統(tǒng)比較寧夏不同光伏溫室冬季各月以及典型天氣內(nèi)部環(huán)境差異、建造的光伏成本與收益，明確各光伏溫室內(nèi)環(huán)境的越冬特性。結(jié)果表明，D1冬季各月最高溫度、光強(qiáng)均顯著高于對照(CK)與其他光伏溫室，CK最低溫度最高、平均濕度最低，D3a平均溫度略低于CK，濕度和光強(qiáng)顯著高于CK，D2與D3b溫度光照顯著低于其他溫室，濕度顯著高于其他溫室；D2在典型晴天、陰天、雪天的溫度和光照均最低、濕度最高，D1雪天溫度低于CK，其他典型天氣溫度最高，濕度最低，D3a與CK差異不顯著；各月各光伏溫室發(fā)電量為D1>D3>D2，預(yù)計(jì)光伏發(fā)電10.15年后可收回光伏成本。綜合分析得出，D1溫室內(nèi)環(huán)境總體優(yōu)于CK，D3a與CK接近，D1、D3a、CK均適宜果菜越冬生產(chǎn)，D2冬季溫度低于0 ℃，不適宜食用菌栽培，D3b溫室環(huán)境仍適宜食用菌栽培。

光伏溫室；環(huán)境比較；典型天氣；光伏投入；發(fā)電收入

隨著石油和煤炭的大量開發(fā)，不可再生資源保有儲量越來越少，且石油和煤炭資源的利用會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，極具增長潛力，太陽能產(chǎn)業(yè)蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展機(jī)會和市場空間[1]。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能[2]。光伏溫室是指在傳統(tǒng)溫室上通過安裝太陽能光伏板組件發(fā)電，有效利用太陽能資源、產(chǎn)出清潔綠色能源的同時(shí)，開啟了現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)的一種新型發(fā)展模式[3]，其可節(jié)約煤炭、土地和空間資源，減排二氧化碳等污染物，還可就地解決設(shè)施農(nóng)業(yè)電力需求問題，另外能緩解光伏產(chǎn)業(yè)的困局，提高土地利用率，增加土壤的產(chǎn)出率，提升農(nóng)業(yè)品質(zhì)和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的“雙贏”[4-5]。光伏溫室的研究多集中在光伏并網(wǎng)發(fā)電方面，如對太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建立及相關(guān)技術(shù)的研究[6-7]，對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率直接控制方法與成本效益的研究[8-9]，而針對光伏農(nóng)業(yè)中的不同光伏溫室類型下冬季溫室內(nèi)環(huán)境特性以及光伏板成本和發(fā)電效益的比較則鮮有報(bào)道。

本研究以寧夏二代日光溫室為對照，系統(tǒng)研究光伏日光溫室、雙膜雙網(wǎng)大棚、陰陽型日光溫室冬季溫室內(nèi)環(huán)境變化，分析不同光伏溫室下光伏板投入成本和發(fā)電收益，明確各光伏溫室冬季的越冬特性以及各類型光伏溫室大棚成本回收年限，為光伏農(nóng)業(yè)冬季高效利用和各光伏溫室光伏發(fā)電收益回報(bào)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在寧夏永寧200 MW光伏農(nóng)業(yè)科技示范園內(nèi)進(jìn)行。以寧夏二代日光溫室為對照(CK)、設(shè)計(jì)光伏日光溫室(D1)、光伏雙膜雙網(wǎng)大棚(D2)、光伏陰陽日光溫室(D3，陽棚D3a、陰棚D3b)3個(gè)處理，各類型光伏溫室采用統(tǒng)一規(guī)格的單玻光伏板，長165 cm，寬99.2 cm，厚0.4 cm，發(fā)電功率Pmax為(250±3)% W，單價(jià)4 元·W-1。光伏板安裝于各溫室頂之上2.5 m處的向陽面，38°傾斜。D1、D3a和CK均種植番茄，統(tǒng)一水肥灌溉和栽培管理，保溫被揭蓋時(shí)間一致，D2和D3b均栽培香菇，統(tǒng)一給菌棒注水管理。

1.2 測試方法

采用紫藤多功能無線采集器，對不同光伏溫室內(nèi)溫度、濕度和光照進(jìn)行全天監(jiān)測，測試高度距離地面1.5 m，每隔0.5 h記錄一次數(shù)據(jù)，選擇2015年12月、2016年1月和2月，比較冬季不同光伏溫室內(nèi)的環(huán)境變化，并測定番茄株高、莖粗、單果質(zhì)量和單菌棒香菇質(zhì)量，記錄產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

通過公式發(fā)電量=Pmax×F×y×17.5%/3600(F—光輻射量，MJ·m-2；y—光伏板面積；17.5%—光電轉(zhuǎn)換效率)，計(jì)算各光伏溫室發(fā)電量。

數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS17.0軟件進(jìn)行處理分析，采用LSD方法在P﹤0.05水平進(jìn)行單因素顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光伏溫室大棚冬季溫室內(nèi)環(huán)境比較

2.1.1 不同光伏溫室大棚內(nèi)冬季溫度比較

對冬季不同光伏溫室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行比較分析，綜合各月數(shù)據(jù)可以看出，最高溫度由高到低依次為D1>D3a>CK>D3b>D2，平均溫度為CK>D1>D3a>D3b>D2，最低溫度為CK>D3b>D3a>D1>D2，CK冬季平均溫度和最低溫度均最高，D1的最高溫度最高，光伏雙膜雙網(wǎng)大棚D2的冬季最高溫度、平均溫度和最低溫度均為幾類光伏溫室中最低(表1)。

2.1.2 不同光伏溫室大棚內(nèi)濕度比較

各光伏溫室大棚冬季12月最高濕度較為接近，1月D1最高濕度顯著低于其他溫室，2月D2濕度顯著低于其他處理；冬季三個(gè)月平均濕度總體表現(xiàn)為，CK的平均濕度均為最低，D1總體略高于CK，D3b最高，分別為12月97.00%、1月94.76%、2月93.46%，D2僅次于D3b(表2)。

2.1.3 不同光伏溫室大棚內(nèi)光照比較

表3統(tǒng)計(jì)了不同光伏溫室內(nèi)11:00—16:00的光照強(qiáng)度，從表3可以看出，所有溫室最高、平均、最低光強(qiáng)均隨時(shí)間呈增加趨勢，其中D1與D3a冬季的最高、平均、最低光照均高于其他溫室，12月、1月的最高光強(qiáng)均在47～50 klx，2月達(dá)到60 klx以上，平均光強(qiáng)12月和1月在23.0～28.5 klx，2月達(dá)35.0～38.6 klx，其三個(gè)月的平均光照強(qiáng)度分別比CK高21 klx、19 klx，這說明光伏板并沒有影響光線的透過率，反而增加了溫室內(nèi)光照強(qiáng)度，可能原因是經(jīng)溫室采光面反射出去的光經(jīng)光伏板反射又透過溫室采光面所致；D2與D3b的最高、平均、最低光強(qiáng)均顯著低于其他溫室，12月最高光強(qiáng)在2～4 klx，1月4～6 klx，2月7.0～9.5 klx，三個(gè)月平均光強(qiáng)在1.0～3.5 klx。

表1 不同光伏溫室大棚內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)表

同一列不同行數(shù)據(jù)后沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

The values in the same column without the same lowercase letters showed significant difference atP<0.05. The same as below.

表2 不同光伏溫室大棚冬季溫室內(nèi)濕度統(tǒng)計(jì)表

表3 不同光伏溫室大棚冬季溫室內(nèi)11:00—16:00光照強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

2.2 不同光伏溫室大棚冬季溫室內(nèi)夜間溫濕度環(huán)境比較

夜間0:00—6:00溫度大體上呈降低的趨勢，但降低的幅度非常小，2:00的溫濕度可代表夜間整體的溫濕度狀況，因此選擇夜間2:00的溫濕度表示夜間環(huán)境。D2夜間溫度最低，1月和2月達(dá)到-2 ℃以下，12月D1與D3a的夜間溫度最高，其次是CK和D3b，1月D1與CK的夜間溫度最高，其次是D3a和D3b，2月份D1夜間溫度最高，D3a、D3b、CK較為接近；12月幾種光伏溫室內(nèi)空氣濕度與CK間差異不大，均在95%左右，1月與2月幾種光伏溫室內(nèi)空氣濕度差距逐漸增大，其中1月CK的濕度最低，D3b的濕度最高、D2與D3a比較接近(圖1)。

2.3 不同天氣各光伏溫室大棚內(nèi)環(huán)境比較

2.3.1 典型晴天時(shí)不同光伏溫室大棚內(nèi)環(huán)境比較

由圖2可以看出，晴天時(shí)D2的溫度、濕度、光照日變化幅度最小，且其溫度跟光照顯著低于其他幾種光伏溫室，其濕度顯著高于D1、D3a、CK；除D2外，其他幾種光伏溫室夜間溫度與CK均接近，濕度低于CK，其中D1、D3a的溫度、光照最高，顯著高于CK；D3b與D2顯著低于CK，D3b與D2間光照強(qiáng)度接近，濕度的變化則與之相反。

2.3.2 典型雪天時(shí)不同光伏溫室大棚內(nèi)環(huán)境比較

圖1 不同光伏溫室大棚冬季溫室內(nèi)夜間溫度和濕度比較Fig.1 Comparison of temperature and humidity in different photovoltaic greenhouses in winter

由圖3可以看出，雪天時(shí)溫濕度日變化不明顯，溫度大致日變化幅度在2 ℃左右，D2溫度最低，比其他各光伏溫室低4 ℃左右，其他各光伏溫室間溫度、濕度均相差不大，其溫度相差1 ℃左右，除CK在12:00以后濕度明顯下降外，其他各光伏溫室濕度在96%～99%范圍內(nèi)變化。

圖2 典型晴天時(shí)不同光伏溫室大棚冬季溫度、濕度、光照日變化Fig.2 Diurnal variation of temperature， humidity and light intensity in typical sunny days in different photovoltaic greenhouses

圖3 典型雪天時(shí)不同光伏溫室大棚溫度、濕度日變化Fig.3 Diurnal variation of temperature and humidity in typical snowy days in different photovoltaic greenhouses

2.3.3 典型陰天時(shí)不同光伏溫室大棚內(nèi)環(huán)境比較

陰天時(shí)各溫室內(nèi)溫度10:00才開始上升，D1的溫度日變化高于其他光伏溫室，D3a與CK間差異較小，D3b與D2低于CK，D2溫度日變化始終低于其他溫室，D1和D2日最高溫度出現(xiàn)在16:00，其他溫室日最高溫度出現(xiàn)在14:00；溫室內(nèi)濕度以D3b最高，其次是D2，所有溫室濕度均在10:00后下降，D3b與D2濕度降低幅度較小，D2最低濕度出現(xiàn)在18:00左右，其他溫室濕度降低幅度較大，最低濕度約為55%，出現(xiàn)在16:00左右(圖4)。

2.4 不同光伏溫室大棚各月發(fā)電量，光伏板成本與發(fā)電收入比較

根據(jù)各月太陽輻射總量(寧夏年均太陽總輻射4 950～6 100 MJ·m-2，按中間值5 500 MJ·m-2計(jì)算)、光伏板面積(1.636 8 m2)、光伏板單價(jià)4元·W-1、光伏電價(jià)格(0.9元·度-1)及各溫室光伏板數(shù)量計(jì)算各光伏溫室光伏投入、各月發(fā)電情況和發(fā)電收入，如圖5所示，則各光伏溫室大概10.15年可收回光伏板成本投入。

圖4 典型陰天時(shí)不同光伏溫室大棚溫度、濕度日變化Fig.4 Diurnal variation of temperature and humidity in typical cloudy days in different photovoltaic greenhouses

圖5 不同光伏溫室大棚各月發(fā)電量，光伏板成本與年收入比較Fig.5 Comparison of the solar power generation， photovoltaic panels cost and annual revenue in different photovoltaic greenhouses

2.5 不同光伏溫室大棚內(nèi)番茄、香菇長勢和產(chǎn)量比較

表4統(tǒng)計(jì)了各光伏溫室種植作物番茄和香菇簡單長勢和產(chǎn)量情況，結(jié)果顯示，各光伏溫室株高無顯著差異，D1的番茄莖粗和單果質(zhì)量顯著大于其他溫室，CK次之；單棒菇質(zhì)量以D3b顯著高于D2，產(chǎn)量變化趨勢與單果質(zhì)量和單棒菇質(zhì)量一致。

表4 不同光伏溫室大棚番茄、香菇長勢和產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

Table 4 Statistical table of growth and yield of tomato， edodes in different photovoltaic greenhouses

處理Treatment株高Plantheight/cm莖粗Stemdiameter/mm單果質(zhì)量Singlefruitweight/g單棒菇質(zhì)量Singlemushroomweight/g產(chǎn)量Yield/(kg·667m-2)CK145.5a12.4b134.8b7204dD1150.3a13.8a146.2a7420cD2736.7a9577bD3a141.63a12.9b120.5c7142dD3b750.3b9753a

3 結(jié)論與討論

光伏農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的一種趨勢，它的發(fā)展不僅能有效利用太陽能生產(chǎn)出清潔綠色能源，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境保護(hù)；還能實(shí)現(xiàn)高效種植、養(yǎng)殖和綜合保護(hù)種養(yǎng)環(huán)境，為種植、養(yǎng)殖及后續(xù)農(nóng)產(chǎn)品加工供給能源，可促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效及改善農(nóng)民生活質(zhì)量，為綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一條新的路徑[4，10]。

本研究結(jié)果顯示，就各光伏溫室月環(huán)境總體而言，D1跟CK溫度最高，D2的最低，而濕度以D2和D3b最大，D1最低，D1和D3a的光照最強(qiáng)，CK光照居中，這說明光伏板并未影響光線的透過，反而增加了溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度，這可能是因?yàn)榻?jīng)溫室采光面反射出去的光經(jīng)光伏板反射又透過溫室采光面所致，而光伏板數(shù)量越多，其覆蓋面積越大，反射面積也越大，故溫室內(nèi)光線越強(qiáng)，這與董微等[11]研究光伏溫室內(nèi)外環(huán)境對比的結(jié)果一致。而D2跟D3b之所以光強(qiáng)最弱，是因?yàn)镈2的雙膜雙網(wǎng)阻礙了光線透過，D3b的棉被白天沒有卷起來，因此光線弱。對于夜間溫度，總體上說以D1夜間溫度最高，其次是CK和D3b，D2夜間溫度最低，1月和2月達(dá)到-2 ℃以下，這與D1等的墻體結(jié)構(gòu)可蓄熱保溫有較大關(guān)系；12月各光伏溫室內(nèi)夜間空氣濕度相差不大，都在95%左右，1月和2月各光伏溫室內(nèi)夜間濕度差距逐漸增大，總體上D1和CK的最低，D3b的最高。各種典型天氣下均以D2的溫度最低，夜間各光伏溫室內(nèi)溫度除D2外都相差不大，白天隨著溫度的升高差距拉開，晴天時(shí)各光伏溫室內(nèi)光照以D1最強(qiáng)，D3a其次，D3b與D2的較弱；雪天各光伏溫室內(nèi)溫濕度日變化幅度為2 ℃左右，而且除D2外其他各溫室內(nèi)溫度相差也不大，各典型天氣下溫濕度變化曲線與歐亞麗等[12]、趙麗莉等[13]研究環(huán)境變化的結(jié)果一致。陰天時(shí)各光伏溫室內(nèi)溫度12:00才開始上升，15:00達(dá)到最大值，晴天和陰天9:00溫度就已經(jīng)開始上升，14:00達(dá)到最大值，而雪天溫濕度曲線基本上趨于直線，這說明溫度越高，溫濕度日變化曲線幅度越大，最大值出現(xiàn)的時(shí)間越早，這與車忠仕等[14]研究典型天氣下日光溫室的微氣候特點(diǎn)的結(jié)果和李瑞英[15]研究的冬季日光溫室內(nèi)氣溫預(yù)測結(jié)果相符。各光伏溫室中D1的番茄莖粗和單果質(zhì)量顯著大于其他溫室，CK次之，單棒菇質(zhì)量以D3b顯著高于D2。

因各光伏溫室所用光伏板數(shù)量為D1>D3>D2，所以成本投入與發(fā)電量也是以D1最多，D3其次，D2最少；根據(jù)寧夏年光輻射總量、光伏板功率及各溫室所用光伏板數(shù)量，通過公式預(yù)算年發(fā)電量，結(jié)果顯示，光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝并正式啟動(dòng)后，各光伏溫室均需約10.15年可收回投入成本。通過對各光伏溫室內(nèi)環(huán)境比較，冬季D1跟D3a內(nèi)溫度最高，光照最強(qiáng)，溫室內(nèi)作物長勢良好，可進(jìn)行大多數(shù)耐寒性蔬菜作物的越冬栽培生產(chǎn)，如菠菜、蔥、白菜等耐寒性葉菜的越冬生產(chǎn)，但果菜越冬仍有困難，而D3b光照弱，冬季除1月最低溫度低于0 ℃外，其他各月溫度均在0 ℃以上，且D2產(chǎn)量較高，因此可進(jìn)行菌菇類及喜低溫和需光量低的作物的越冬生產(chǎn)。綜合光伏板投入成本和發(fā)電收入，建議大力推廣光伏日光溫室(D1)和光伏陰陽棚陽棚(D3a)兩種光伏溫室，以加快光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高國民經(jīng)濟(jì)收入。

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(責(zé)任編輯 張 韻)

Comparative study on the environment of different photovoltaic greenhouses and greenhouse in winter in Ningxia

QI Juanxia1， CAO Lihua2， LI Jianshe1， YE Lin1， LIU Xin1， ZHANG Xueyan1，*

(1.SchoolofAgriculture，NingxiaUniversity，F(xiàn)acilityHorticultureEngineeringTechniqueCenterofNingxia，ResearchCenterforTechnologicalInnovationofFacilityHorticultureNingxia(NingxiaUniversity)，Yinchuan750021，China; 2.RuralScienceandTechnologyDevelopmentCenterofNingxia，Yinchuan750021，China)

Photovoltaic greenhouses are developed rapidly in Ningxia， in this paper second-generation solar greenhouse was chosen as the control (CK)， photovoltaic solar greenhouse (D1)， photovoltaic film double dual greenhouse (D2) and combining light with shade solar greenhouse (D3， solar greenhouse D3a， shade of greenhouse D3b) were chosen as treatments， the weather in every month in winter and the typical internal environment difference were analyzed in these photovoltaic greenhouse in Ningxia， and the costs and benefits of photovoltaic building were also analyzed to clarify the overwinter characteristics of each photovoltaic greenhouse environment. The results showed that the maximum temperature and light intensity of D1 were significantly higher than that of CK and other photovoltaic greenhouse in winter， the minimum temperature of CK was the highest and average humidity of CK was the lowest， the average temperature of D3a was lower than CK， but the humidity and light intensity were significantly higher than CK， temperature and light intensity of D2 and D3b were significantly lower than other greenhouses， but humidity were significantly higher than other greenhouses. In typical sunny， cloudy， snowy days， the temperature and light intensity of D2 were the lowest， and the humidity was the highest. The temperature in snowy day of D1 was lower than CK， but other typical weather temperature was the highest and humidity was the lowest. There was no significant difference in D3a and CK. The power generation of each photovoltaic greenhouse in each month was D1>D3>D2， and the construction cost of photovoltaic greenhouses could be recovered after 10.15 years. According to the comprehensive analysis， the inner greenhouse environment of D1 was better than CK， D3a was close to CK. D1， D3a and CK were suitable for fruit and vegetable production in winter. The winter temperature of D2 was below 0 ℃， which was not suitable for mushroom cultivation. D3b greenhouse environment was still suitable for mushroom cultivation.

photovoltaic greenhouse; environmental comparison; typical weather; photovoltaic input; electricity generation income

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.10

2016-07-29

國家星火項(xiàng)目(2015GA880006)；國家成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“沙漠光伏電站溫室高效利用及產(chǎn)業(yè)化示范”；寧夏農(nóng)業(yè)科技園區(qū)專項(xiàng)項(xiàng)目(2015BN06)；自治區(qū)國內(nèi)引才312計(jì)劃項(xiàng)目

祁娟霞(1991—)，女，寧夏固原人，碩士研究生，主要從事設(shè)施蔬菜高產(chǎn)栽培生理生態(tài)研究。 E-mail: 1508472996@qq.com

*通信作者，張雪艷，E-mail: zhangxueyan123@sina.com

S625.5

A

1004-1524(2017)03-0414-07

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 414-420

http://www.zjnyxb.cn

祁娟霞， 曹麗華，李建設(shè)，等. 寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內(nèi)環(huán)境比較研究[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(3)： 414-420.