基于可變傾角農(nóng)光大棚的光照調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

張毅強(qiáng)，馬 磊，陶晟宇，孫 潔，林燕丹，孫耀杰

(1.復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系，上海 200433; 2.復(fù)旦大學(xué)六次產(chǎn)業(yè)研究院，上海 200433; 3.上海綜合能源系統(tǒng)人工智能工程技術(shù)研究中心，上海 200433)

引言

光伏農(nóng)業(yè)大棚是光伏與農(nóng)業(yè)大棚相結(jié)合的農(nóng)光互補(bǔ)模式，其機(jī)理是將光伏組件架設(shè)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚上方或利用光伏組件替換棚頂實(shí)現(xiàn)棚頂發(fā)電、棚下種植[1]。農(nóng)光大棚模式下，光伏組件對(duì)日照的遮擋導(dǎo)致農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部陰影遮擋進(jìn)較為嚴(yán)重，導(dǎo)致喜陽(yáng)類農(nóng)業(yè)作物長(zhǎng)勢(shì)不好(如番茄、西瓜、青椒等)，只適宜種植對(duì)光照需求極低的喜陰植物，如菌菇、西芹、黃花菜等，嚴(yán)重影響設(shè)施種植的適用范圍。光伏與農(nóng)作物光需求的矛盾限制了光伏農(nóng)業(yè)的推廣與應(yīng)用[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)棚內(nèi)陰影遮擋對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量相關(guān)性的研究主要集中在遮陰比或透光率領(lǐng)域[3-5]。文獻(xiàn)[6]中將薄膜電池鋪設(shè)于溫室屋頂，測(cè)量時(shí)間內(nèi)(9:00—17:00)光伏溫室的透光率為32.64%～80.96%，平均透光率為66.27%；文獻(xiàn)[7]中采用雙玻晶硅電池，考慮了接線盒面積、街線條等因素后的溫室透光率約40%；文獻(xiàn)[8]中將薄膜電池與陽(yáng)光板1∶1排列布置，晴天時(shí)透光率為34.7%～41.7%，陰天則降至19.9%～27.8%。

遮陰比例僅是衡量作物整體產(chǎn)量的間接因素，其決定性指標(biāo)在于被遮陰程度是否影響作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，基于遮陰度等參數(shù)對(duì)植物長(zhǎng)勢(shì)的測(cè)量方法并不契合植物自身生長(zhǎng)規(guī)律。為進(jìn)一步分析遮陰比例和遮陰程度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響，本文提出一種利用單軸跟蹤系統(tǒng)對(duì)光伏農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行分光、調(diào)光的方法，該方式以需光植物的光合特征為理論基礎(chǔ)，以單軸跟蹤支架為實(shí)現(xiàn)手段。

目前光伏農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，單軸與大棚的結(jié)合形式主要有“交錯(cuò)”和“不交錯(cuò)”兩種形式，這兩種形式對(duì)于平單軸或斜單軸均可。

當(dāng)光伏組件與大棚交錯(cuò)(一般為垂直)時(shí)，在一個(gè)大棚內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)隨時(shí)間發(fā)生變化的遮陰區(qū)域，通過對(duì)光伏組件角度的調(diào)整可改變陰影區(qū)域的分布從而優(yōu)化遮陰區(qū)域下農(nóng)作物的光照條件。此時(shí)，春秋拱棚一般沿東西走向，平單軸與斜單軸均南北走向，如圖1所示。

圖1 交錯(cuò)結(jié)合形式Fig.1 Vertical combination form

不交錯(cuò)結(jié)合形式分為兩種，平單軸光伏組件位于春秋拱棚的東側(cè)或西側(cè)，大棚前后存在露地被光伏組件遮陰的區(qū)域，如圖2所示；斜單軸位于冬暖溫室后墻，為避免光伏組件對(duì)大棚北側(cè)大棚的遮陰，通常需要增大棚間距，如圖3所示。

圖2 不交錯(cuò)結(jié)合形式一Fig.2 Parallel combination form 1

圖3 不交錯(cuò)結(jié)合形式二Fig.3 Parallel combination form 2

1 需光作物的光合特性

現(xiàn)代農(nóng)作物多是白堊紀(jì)喜光被子植物的后代，對(duì)光照的要求很高，如番茄、黃瓜等[9]。但是這些喜光植物也存在“光抑制現(xiàn)象”，過高的光照強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)光脅迫，導(dǎo)致光合作用能力降低[10]。

1.1 農(nóng)作物光合生產(chǎn)過程

植物的光合生產(chǎn)過程大致可分為三個(gè)階段：一是光能和原料的吸收、運(yùn)輸階段，植物吸收光與二氧化碳，并運(yùn)送至葉綠素內(nèi)的“光合反應(yīng)中心”；二是能量的轉(zhuǎn)換階段，植物將無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物、 光能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能；三是生物化學(xué)階段，植物將葉片中初步合成的碳水化合物運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)器官用于生長(zhǎng)發(fā)育，或轉(zhuǎn)化為還原度更高的化合物[11]。整個(gè)光合過程有條不紊地進(jìn)行新物質(zhì)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和積累，保證了植物的正常生長(zhǎng)。

其中，第一階段必須充分滿足植物需求的光與二氧化碳。圖4是植物的光需求示意圖，在光補(bǔ)償(light compensation point, LCP)點(diǎn)處，植物的光合作用同化量與新陳代謝呼吸量相當(dāng)，是滿足植物需光量的下限值；隨著光照繼續(xù)增強(qiáng)，植物的光合作用強(qiáng)度也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到光飽和點(diǎn)(light saturation point, LSP)時(shí)，光合作用強(qiáng)度不再增加，這時(shí)過多的光照會(huì)造成光資源的損耗和浪費(fèi)。

圖4 農(nóng)作物光需求示意圖Fig.4 Light demand of crops

1.2 農(nóng)作物光合“午休”現(xiàn)象

植物的光合作用曲線主要分為單峰型和雙峰型。單峰型植物，在中午光照最強(qiáng)時(shí)出現(xiàn)光合作用強(qiáng)度峰值；雙峰型植物則分別在上、下午出現(xiàn)峰值，午間反而會(huì)出現(xiàn)低谷的“午休”現(xiàn)象[12]。

作物“午休”現(xiàn)象較為普遍，部分作物存在嚴(yán)重午睡現(xiàn)象，如番茄、黃瓜等[13, 14]，該類作物的光合作用在上午達(dá)到峰值，中午開始下降并在下午一直保持在較低的水平。隨著中午陽(yáng)光輻射強(qiáng)度增大，棚內(nèi)環(huán)溫升高、濕度降低，植物會(huì)關(guān)閉部分氣孔、暗呼吸作用加強(qiáng)，從而減少植物體內(nèi)的水分流失，減輕強(qiáng)光造成的損害，這是植物長(zhǎng)期以來形成的自我保護(hù)機(jī)制。

可以看到，“午休”的發(fā)生不僅降低了棚內(nèi)作物的生產(chǎn)力，也造成了大量光資源的浪費(fèi)。因此，在該時(shí)段充分利用太陽(yáng)能電池發(fā)電，其他時(shí)段滿足作物正常的光需求，便能在光伏發(fā)電的同時(shí)將對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響降到最低，滿足喜光型農(nóng)作物在光伏大棚內(nèi)的種植。

1.3 農(nóng)業(yè)光伏互補(bǔ)策略

本文提出一種用于農(nóng)業(yè)光伏互補(bǔ)的策略，在優(yōu)化后的單軸農(nóng)光系統(tǒng)中，當(dāng)光照強(qiáng)度超過植物的光飽和點(diǎn)時(shí)光伏系統(tǒng)開始發(fā)電，光照強(qiáng)度低于植物光飽和點(diǎn)時(shí)使光伏面板平行于入射光線，保證棚內(nèi)正常采光，維持農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。該方法分析了農(nóng)作物的產(chǎn)量、光合作用速率、光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)之間的關(guān)系，驗(yàn)證了在一定范圍內(nèi)作物產(chǎn)量與最大光合速率呈正相關(guān)。結(jié)合植物特性保證在新的農(nóng)光模式下，部分喜陽(yáng)作物也能正常生長(zhǎng)。

2 光伏支架系統(tǒng)的選擇

目前常見的光伏支架類型有固定式、平單軸、斜單軸、雙軸支架等。固定式支架安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，但是光能利用率和發(fā)電量相對(duì)較低，并且一旦安裝，運(yùn)行方式和空間位置無法改變；單軸跟蹤系統(tǒng)相比固定軸發(fā)電量可提升20%～27%，相比雙軸跟蹤支架，其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，運(yùn)維成本更低且發(fā)電量的差異不大；雙軸跟蹤方式可以跟蹤太陽(yáng)方位角和高度角，發(fā)電量比固定式高30%左右，但其維護(hù)周期較短，且農(nóng)光支架較高，維護(hù)困難、成本高，應(yīng)用性價(jià)比不佳。

光伏農(nóng)業(yè)既要考慮光伏發(fā)電效率，也要兼顧光伏組件下農(nóng)作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在固定式支架的光伏農(nóng)業(yè)模式下，光分布不均勻，會(huì)形成大面積的遮陰，喜陽(yáng)作物在遮陰區(qū)域往往無法正常生長(zhǎng)。

斜單軸跟蹤系統(tǒng)不僅相對(duì)固定式支架具有更高的發(fā)電效率，還能根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整組件的角度，調(diào)節(jié)光伏陣列對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的遮陰影響。因此綜合考慮發(fā)電量、生態(tài)位因素、運(yùn)維成本和穩(wěn)定性等因素，將斜單軸跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚，能夠有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的光資源分配，達(dá)到光伏農(nóng)業(yè)的調(diào)光效果。

3 工作模式分析

假設(shè)一天內(nèi)從早到晚劃分，弱光時(shí)間段為T0～T1，與T4～T5，次強(qiáng)光時(shí)間段為T1～T2與T3～T4，強(qiáng)光條件為T2～T3，如圖5所示。

圖5 光照強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between light intensity andtime

假設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電最優(yōu)函數(shù)J1(t)與發(fā)電量成正比，在不同光照情況下存在權(quán)重系數(shù)，計(jì)算方式如下：

(1)

其中，P(t)為光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率，權(quán)重系數(shù)nx(x=1,2,3,4,5)與P(t)相關(guān)，需根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)在當(dāng)?shù)貙?shí)際的功率情況進(jìn)行計(jì)算，如表1所示，P(t)在系統(tǒng)額定功率在不同范圍內(nèi)，參數(shù)nx的取值不同。

當(dāng)功率存在波動(dòng)時(shí)，nx計(jì)算方式如下：

(2)

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)表(x=1,2,3)

表1中權(quán)重系數(shù)的預(yù)設(shè)值的解釋：由于在弱光下植物對(duì)光需求較大，此時(shí)進(jìn)行光伏發(fā)電影響較大，因此設(shè)為負(fù)值；在其他時(shí)刻設(shè)定為恒定值，也可根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行適宜修正。

T0、T1、T2、T3、T4、T5的確定受太陽(yáng)照度與農(nóng)業(yè)植物光補(bǔ)償點(diǎn)E1、光飽和點(diǎn)E2的影響：

T0、T5為太陽(yáng)升起時(shí)刻；

T1、T4為E(t)=E1(農(nóng)業(yè)植物光補(bǔ)償點(diǎn))時(shí)刻；

T2、T3為E(t)=E2(光飽和點(diǎn))時(shí)刻；

其中T0～T2太陽(yáng)照度E(t)上升，T3～T5太陽(yáng)照度E(t)下降。

農(nóng)業(yè)植物的生長(zhǎng)最優(yōu)函數(shù)J2(t)與太陽(yáng)照度、光照時(shí)間及光照波長(zhǎng)存在一定關(guān)系，計(jì)算公式如下：

(3)

其中，E(t)為太陽(yáng)照度隨時(shí)間的函數(shù)；S(w)為光伏組件下農(nóng)業(yè)植物的吸收光譜，是波長(zhǎng)的函數(shù)，其中w0為波長(zhǎng)下限，w1為波長(zhǎng)上限。

以水稻葉片吸收光譜為例，水稻葉片對(duì)光的吸收波段主要集中在420～490 nm的藍(lán)紫光區(qū)域以及630～670 nm的紅光區(qū)域，對(duì)520～590 nm波段的綠光吸收很少，因此w0可以取400 nm，w1取700 nm(針對(duì)不同植物w0和w1略有不同)。

圖6為農(nóng)業(yè)相關(guān)權(quán)重系數(shù)m(E(t))示意圖：由于植物在弱光時(shí)間段，光照低于補(bǔ)償點(diǎn)，不足以供給植物所需要的最低光照強(qiáng)度，還會(huì)消耗有機(jī)物，因此m(t)為負(fù)，且照度越低，m(t)越小，最低系數(shù)與植物夜間消耗的有機(jī)物有關(guān)；在次強(qiáng)光時(shí)間段，即光補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)之間，m(t)隨照度增加而增加；在強(qiáng)光時(shí)間段，光照大于飽和點(diǎn)，此時(shí)農(nóng)業(yè)權(quán)重系數(shù)在一定范圍內(nèi)為最大值，最大值與植物對(duì)陽(yáng)光的需求有關(guān)；當(dāng)照度E(t)過大引起的溫度超過植物生長(zhǎng)最佳范圍時(shí)，m(t)下降，在達(dá)到植物生長(zhǎng)所能承受的最高溫度時(shí)，m(t)降為0；照度繼續(xù)增加將對(duì)植物造成傷害，m(t)將變?yōu)樨?fù)，并迅速降低。

m(E(t))的最大值受植物品種及光飽和度影響，根據(jù)與J1(t)的交點(diǎn)位置計(jì)算得到，在光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)的中間階段隨照度變化呈線性變化。因?yàn)樵趙0～w1區(qū)間及光譜曲線確定時(shí)，S(w)為一常數(shù)，因此J2(t)的曲線與m(E(t))相似。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電最優(yōu)函數(shù)J1(t)，農(nóng)業(yè)植物的生長(zhǎng)最優(yōu)函數(shù)J2(t)在光飽和點(diǎn)時(shí)存在交點(diǎn)，可計(jì)算m(E(t))的最大值。m(E(t))最小值根據(jù)實(shí)際植物對(duì)溫度的敏感性確定。

圖6 農(nóng)業(yè)相關(guān)權(quán)重函數(shù)圖Fig.6 Agriculture related weight function chart

依據(jù)前文分析，該文針對(duì)具有正常的雙峰光合作用曲線的農(nóng)作物設(shè)計(jì)該模型工作模式如圖7所示。

圖7 模型的工作模式Fig.7 Working mode of the model

假設(shè)光伏支架能精確跟蹤入射光角度，通過程序編碼，使跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下操作：

1)讀取天氣數(shù)據(jù)，判定當(dāng)天天氣為晴天或陰天，如鑒定為晴天，轉(zhuǎn)入步驟2，反之，跳至步驟3。

2)在弱光條件下(如清晨、傍晚)，因太陽(yáng)高度角較低，無需從農(nóng)業(yè)角度考慮改變跟蹤角度，跟蹤支架可按照自身算法運(yùn)行；在次強(qiáng)光條件下，通過調(diào)節(jié)跟蹤角度，使光伏組件盡量與陽(yáng)光入射角度平行排布，最大程度減少遮擋光照的面積，光資源主要供農(nóng)業(yè)作物群進(jìn)行吸收；在強(qiáng)光條件下，即光照強(qiáng)度超過植物光合作用飽和點(diǎn)時(shí)(如中午或者夏天早上等光照強(qiáng)烈的時(shí)候)，利用光伏陣列形成全部或部分遮擋，減少農(nóng)業(yè)植物群的受照光強(qiáng)，防止植物曬傷。

3)在陰雨天氣下，光照強(qiáng)度極低，嚴(yán)重影響了光伏系統(tǒng)發(fā)電，因此，設(shè)計(jì)停止光伏系統(tǒng)工作，根據(jù)溫室大棚的需求進(jìn)行光伏面板的開合。

通過以上調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)植物的最佳光合作用，同時(shí)光伏組件將過盛的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能。

4 算例分析

第3節(jié)中，直接依據(jù)農(nóng)作物的“午休”時(shí)間與光伏系統(tǒng)的最佳發(fā)電時(shí)間，設(shè)定兩者的交集作為軸跟蹤光伏系統(tǒng)的工作時(shí)間。事實(shí)上，大量農(nóng)業(yè)研究表明，多數(shù)農(nóng)作物一天內(nèi)(5:00—18:00)所接收的日光輻射達(dá)到其LSP的70%及以上時(shí)，基本能夠保持正常地生長(zhǎng)發(fā)育。

通過文獻(xiàn)查閱，該文選擇一種需光型農(nóng)作物——番茄(中蔬4號(hào))，其LCP為53.1 μmol/m2s，LSP為1985 μmol/m2s。該數(shù)值與光照的轉(zhuǎn)換關(guān)系[14]為：

1 lx=0.0185 μmol/m2s=0.00402 W/m2

(4)

根據(jù)式(4)可以計(jì)算得到番茄光飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)輻照度為393.34 W/m2。因此，只需要保證在正常日照時(shí)段棚內(nèi)的輻照度達(dá)到其LSP的70%(即301.94 W/m2)，棚內(nèi)的番茄便能夠正常生長(zhǎng)，保證其產(chǎn)量。

根據(jù)以上設(shè)定，對(duì)光伏大棚進(jìn)行建模仿真計(jì)算，分別對(duì)固定式支架和采用光照調(diào)節(jié)下單軸跟蹤式支架兩種情景在Ladybug軟件中進(jìn)行仿真實(shí)測(cè)，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后發(fā)電量與日照輻射

圖8 優(yōu)化前后發(fā)電量與日照輻射對(duì)比圖Fig.8 Comparison of power generation and sunshine radiation after optimization

優(yōu)化結(jié)果如表2及圖8所示，由于中蔬四號(hào)番茄對(duì)光照強(qiáng)度的需求較高，因此在調(diào)節(jié)過程中，僅在13：00附近光照強(qiáng)度高于光補(bǔ)償點(diǎn)，因此在該時(shí)間段內(nèi)溫室的光照強(qiáng)度有所降低，其余時(shí)間段內(nèi)組件傾角的改變均加大了溫室內(nèi)部的光照強(qiáng)度。如藍(lán)線表示固定組件光伏溫室內(nèi)部的光照情況，對(duì)于番茄這種作物來說超過其光適宜點(diǎn)的時(shí)間僅有在11:30—14:30之間共計(jì)約3 h的時(shí)長(zhǎng)。通常情況下，對(duì)于陽(yáng)生作物而言其達(dá)到適宜的光照條件時(shí)長(zhǎng)至少需要4 h以上，因此原有的光伏溫室并不能較好地滿足番茄生長(zhǎng)發(fā)育所需要的光環(huán)境。而經(jīng)過單軸系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的溫室內(nèi)部，其光照強(qiáng)度在番茄適宜生長(zhǎng)區(qū)間的時(shí)間約為5 h。因此對(duì)于農(nóng)業(yè)來說，這種調(diào)節(jié)方法能夠改善陽(yáng)生作物的光環(huán)境，并能夠有效增加適宜光強(qiáng)的日照時(shí)長(zhǎng)。但調(diào)節(jié)組件角度的過程中，溫室內(nèi)部的光照強(qiáng)度和組件的發(fā)電量往往是互斥關(guān)系，但在本例中，調(diào)節(jié)后的日總發(fā)電量?jī)H下降了12.5%。

基于以上結(jié)果可知，通過光照調(diào)節(jié)來平衡光伏發(fā)電與植物生長(zhǎng)的措施是可行的；對(duì)于陽(yáng)性作物而言，單軸系統(tǒng)的可以在造成少量電能的損失情況下改善陽(yáng)性作物的光照條件，提升光伏農(nóng)業(yè)的協(xié)同共生發(fā)展的可行性。

5 結(jié)論

本文利用喜光作物的光合特性，提出將斜單軸跟蹤系統(tǒng)替代固定軸光伏系統(tǒng)，與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種具有光照調(diào)節(jié)能力的新型光伏農(nóng)業(yè)大棚。該模型能很好的適應(yīng)需光農(nóng)作物生長(zhǎng)，有效解決光伏系統(tǒng)遮陰問題。同時(shí)，該文對(duì)模型發(fā)電量進(jìn)一步優(yōu)化，提升了光伏系統(tǒng)可發(fā)電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。事實(shí)上，該模型不僅適用于光需求大的農(nóng)作物，針對(duì)喜陰植物、半喜陰半喜陽(yáng)植物，通過相應(yīng)調(diào)整光伏系統(tǒng)工作方式，同樣能夠滿足其正常生長(zhǎng)。該文的研究對(duì)光伏農(nóng)業(yè)的結(jié)合與發(fā)展有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。