青海地區(qū)不同結(jié)構(gòu)光伏日光溫室建造技術(shù)探討＊

賀慧霞，張廣楠，陳來(lái)生**（.青海大學(xué)財(cái)經(jīng)學(xué)院，西寧 8000；.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 8006）

日光溫室與光伏發(fā)電相結(jié)合的光伏日光溫室，既可在溫室內(nèi)蔬菜果品的正常生產(chǎn)，又可發(fā)電，具有農(nóng)業(yè)作物經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)電效益的“雙贏”效果[1]，不僅提高了土地利用率，還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)民、企業(yè)、政府的“多贏”局面，成為集高效種植、農(nóng)業(yè)科普、休閑觀光于一體的新型農(nóng)業(yè)項(xiàng)目。青海高原是中國(guó)光照資源最豐富的地區(qū)，利用光能和發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[2]，近年來(lái)陸續(xù)建造了一批光伏日光溫室，總結(jié)和分析不同結(jié)構(gòu)的光伏日光溫室，對(duì)于以后光伏日光溫室健康發(fā)展具有重要的意義。

青海省光伏日光溫室主要結(jié)構(gòu)形式

土墻日光溫室+后置光伏

該類型位于青海省大通縣蔬菜園區(qū)，利用原有的半地下式土墻日光溫室為基礎(chǔ)，將土墻結(jié)構(gòu)的日光溫室后墻中澆筑鋼立柱，后墻外再立一鋼架立柱，形成2道立柱，支撐光伏板，建造而成的光伏日光溫室，即生產(chǎn)種植蔬菜果品，又進(jìn)行光伏發(fā)電，并利用光伏發(fā)電在冬季通過(guò)電熱轉(zhuǎn)化補(bǔ)充溫室溫度，實(shí)現(xiàn)溫室高效生產(chǎn)。

日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)為跨度10 m，后墻和山墻為機(jī)械碾壓土墻，墻體厚度為底部(±0.000m處)3.6～4.0 m，墻體頂高處厚度為1.80～2.00 m，溫室高度4.3 m，溫室后坡仰角43°，溫室長(zhǎng)度依據(jù)當(dāng)?shù)氐匦未_定，為70～86 m，溫室凈面積670 m2以上，畦面下深0.8～1.4 m，成半地下式（或坑式）溫室。前后溫室間距6 m，座北朝南，偏西5～7°，溫室骨架為間隔距離1米的桁架鋼框架結(jié)構(gòu)，溫室內(nèi)有鋼管或砼預(yù)制件的中立柱。前坎為砼澆筑圈梁，前棚用0.12 mm棚膜，采用中置式電動(dòng)卷簾結(jié)構(gòu)的保溫被進(jìn)行夜間保溫（圖1～2）。

圖1 土墻日光溫室+后置光伏示意圖

圖2 土墻日光溫室+后置光伏實(shí)景圖

土墻日光溫室+前置光伏

該類型位于青海省互助縣蔬菜園區(qū)，利用原有的日光溫室建造光伏溫室，其結(jié)構(gòu)與圖1溫室結(jié)構(gòu)相同，不同的是，該類型光伏溫室是將土墻結(jié)構(gòu)的日光溫室前棚面加裝鋼架支撐光伏板，后墻頂端加一預(yù)埋件的砼澆筑橫梁，連接立柱支撐光伏板框架體，光伏板置于鋼框架上，橫向連通，每2道中間留空，用于溫室光照（圖3～4）。日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同于上述的土墻日光溫室。

圖3 土墻日光溫室+前置光伏示意圖

圖4 土墻日光溫室+前置光伏實(shí)景

土墻日光溫室+頂平鋪光伏

該溫室位于青海省湟中縣李家山設(shè)施農(nóng)業(yè)基地，利用土墻日光溫室，在溫室墻體外加裝高于溫室高度1 m以上的鋼架，在鋼架上平鋪光伏板，光伏板間隔距離3～5 m，構(gòu)建成頂平鋪式光伏日光溫室（圖5），現(xiàn)已拆除。

圖5 土墻日光溫室+頂平鋪光伏示意圖

加氣塊框架結(jié)構(gòu)日光溫室+后置光伏

上述3種光伏日光溫室是利用原有的日光溫室建造光伏溫室，此種光伏日光溫室是新建光伏日光溫室，位于青海省同仁縣設(shè)施園區(qū)，該光伏溫室采用間隔距離1 m的無(wú)立柱桁架鋼骨架，墻體為框架結(jié)構(gòu)填充加氣磚，溫室跨度9 m，光伏系統(tǒng)采用1立柱支撐光伏板，立柱置于溫室內(nèi)后墻前的通道上，頂穿后屋面的結(jié)構(gòu)（圖6～7）。

圖6 加氣塊框架結(jié)構(gòu)日光溫室+后置光伏示意圖

圖7 加氣塊框架結(jié)構(gòu)日光溫室+后置光伏實(shí)景

不同光伏日光溫室的特點(diǎn)

利用舊棚建造的光伏溫室減少光照、影響生產(chǎn)

前3種光伏日光溫室全部為利用現(xiàn)有的日光溫室結(jié)構(gòu)，加裝光伏建造完成。從實(shí)際看，對(duì)后面的溫室產(chǎn)生了不同程度的遮光，特別是冬季遮光時(shí)間比較長(zhǎng)，影響了溫室內(nèi)蔬菜果品的正常生長(zhǎng)，主要原因是原有溫室跨度、高度、溫室間距都是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析后建造的，特別是棚間距離保證了前后溫室在冬至?xí)r都能夠達(dá)到光照，確保溫室獲得最大的熱量。其中，土墻日光溫室+前置光伏結(jié)構(gòu)影響最大，基本上一年四季難以使溫室獲得充足的光照，采用前棚面上加裝光伏板后，遮光面積占比大，造成后溫室內(nèi)植物生長(zhǎng)難以獲得最大光照，以至于放棄了蔬菜種植，使原有的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地成為光伏發(fā)電基地。

舊棚建改造的光伏溫室影響現(xiàn)有溫室結(jié)構(gòu)

土墻日光溫室+后置光伏中，光伏板立柱是加裝的，在溫室后墻體中挖深洞澆筑立柱，與后屋面緊密相連，由于光伏板承載風(fēng)的面積大，當(dāng)遇到大風(fēng)天氣時(shí)，放置于溫室頂部的光伏板造成搖動(dòng)，對(duì)相連的后墻和后屋面的保溫性和溫室的密閉性造成一定的損害，應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)上的聯(lián)結(jié)應(yīng)該分離，形成獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)比較適合于風(fēng)大地區(qū)。其次是放置于日光溫室頂部的光伏板在降水時(shí)，形成了集水面，對(duì)土墻形成了淋蝕效應(yīng)，素土結(jié)構(gòu)的后墻和后屋面長(zhǎng)期雨水沖刷淋蝕后，損壞了溫室墻體結(jié)構(gòu)，特別是強(qiáng)降水過(guò)程和部分持續(xù)降水地區(qū)易出現(xiàn)后墻體坍塌和淋洞，需要耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行維修。

新建光伏溫室熱橋面積大、保溫性能差

加氣塊框架結(jié)構(gòu)日光溫室+后置光伏是新建的光伏日光溫室，棚間距離的設(shè)計(jì)保證了前后光伏溫室互不影響光照。但光伏板布置于穿后屋面的立柱上，一是在施工上難以對(duì)后屋面進(jìn)行密閉性處理，二是穿頂?shù)匿摿⒅灤┤展鉁厥液笪菝鎯?nèi)外，形成載熱面積大的熱傳導(dǎo)體，造成溫室大量熱量散失，三是鋼立柱支撐光伏板后，受到大風(fēng)的影響大，光伏板晃動(dòng)后使后屋面與立柱的縫隙越來(lái)越大，成為該溫室嚴(yán)重散熱通道。四是光伏板距離溫室屋脊距離大，光伏板高懸與頂部，對(duì)于后面的溫室采光影響大，可降低高度，適宜高度為卷起的保溫被不影響光伏板光照，正常發(fā)電。

電力經(jīng)濟(jì)效益

假設(shè)采用土墻日光溫室+前置光伏結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，每個(gè)大棚占地667 m2來(lái)計(jì)算，頂部組件為一個(gè)光伏系統(tǒng)，大棚頂部組件為5排22列，每2列為一組共11組，每2組隔2 m作為透光，共需要110塊組件，假設(shè)采用325 Wp 的組件，傾角選用45°，峰值日照小時(shí)數(shù)用1629 h，裝機(jī)量為35.75 kW，考慮組件衰減效率為98.00%，系統(tǒng)效率為83.29%，年發(fā)電量可達(dá)47535.28 kW?h，節(jié)約煤炭14562 t，按照青海電網(wǎng)與光伏企業(yè)的實(shí)際結(jié)算價(jià)0.2277元/kW?h來(lái)計(jì)算發(fā)電年收益大概為10823.8元，其余光伏日光溫室發(fā)電量計(jì)算過(guò)程與土墻日光溫室+前置光伏結(jié)構(gòu)計(jì)算一致，在計(jì)算過(guò)程中考慮組件的安裝傾角即可。但是綜合多方考慮將發(fā)出的電力用于溫室用電和農(nóng)業(yè)用電經(jīng)濟(jì)效益較高。

發(fā)展建議

改進(jìn)現(xiàn)有光伏日光溫室結(jié)構(gòu)

光伏日光溫室是新型的日光溫室結(jié)構(gòu)，即要保證設(shè)施內(nèi)植物的正常生長(zhǎng)[3]，又要利用設(shè)施基地的空間建造光伏電站發(fā)電，但目前看，沒(méi)有科學(xué)合理的光伏日光溫室結(jié)構(gòu)，需要盡早開(kāi)展該類型日光溫室的設(shè)計(jì)研究，為今后的大規(guī)模建造提供技術(shù)支撐。

增加聯(lián)結(jié)分離設(shè)計(jì)

舊棚利用型光伏溫室和新建光伏日光溫室設(shè)計(jì)中，光伏和日光溫室在建筑結(jié)構(gòu)上的聯(lián)結(jié)應(yīng)分離設(shè)計(jì)[4]，形成相對(duì)獨(dú)立的光伏板支撐結(jié)構(gòu)，不造成對(duì)溫室的影響為宜，特別是風(fēng)沙比較大的地區(qū)。對(duì)光伏板集水面易于造成淋蝕的后前提頂部和后屋面進(jìn)行防水處理，同時(shí)，也可以建立雨水集水系統(tǒng)，進(jìn)一步利用降水資源循環(huán)利用。

調(diào)節(jié)光照影響

利用舊棚建造的光伏溫室，光照影響難以改善，為增加溫室內(nèi)植物產(chǎn)量和質(zhì)量，比較有效的方法有四種，一是調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，改種耐陰和耐低溫植物品種，打造青海省有機(jī)食用菌生產(chǎn)基地和高原夏季冷涼蔬菜基地或根據(jù)溫室內(nèi)前后不同的光照條件配置對(duì)光照要求不同的植物，東西向起壟種植。二是對(duì)日光溫室進(jìn)行光補(bǔ)充，可以在溫室內(nèi)增加LED補(bǔ)光系統(tǒng)，增加光照。三是熱量補(bǔ)充，利用電熱轉(zhuǎn)換設(shè)施對(duì)溫室進(jìn)行熱量補(bǔ)充。四是采用新型日光溫室專用的塑料薄膜，如PO膜等，增加日光溫室棚面的透光率，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。