摘要:針對傳統(tǒng)100%光伏板密度的光伏陣列對作物的遮蔭影響導(dǎo)致作物生長與光伏發(fā)電存在“爭光”矛盾,致使土地非農(nóng)化、農(nóng)光應(yīng)用效果不佳的問題,在蘇南地區(qū)的光伏農(nóng)業(yè)園區(qū)中,以100%光伏板密度的光伏陣列為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,形成75%光伏板密度、50%光伏板密度的光伏陣列?;谔栞椛鋸?qiáng)度和環(huán)境溫度逐時變化,搭建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),在跨度為6.8 m的單跨陣列中取南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)進(jìn)行光伏陣列內(nèi)外的光熱環(huán)境測試,分析探索不同光伏板密度對光伏陣列的光熱環(huán)境變化規(guī)律。結(jié)果表明:不同光伏板密度對光伏陣列下方光熱環(huán)境影響明顯,不同光伏板密度的光伏陣列的太陽輻射強(qiáng)度、氣溫、土壤溫度關(guān)系為:50%光伏板密度gt;75%光伏板密度gt;100%光伏板密度。隨著光伏板密度的減少,不同密度光伏陣列的太陽輻射強(qiáng)度隨之增加,呈現(xiàn)中區(qū)大于南北兩區(qū)的特點(diǎn)。不同密度光伏板在夏季白天對內(nèi)部空氣起到降溫作用,光伏板密度越高,降溫效果越好,在夜晚對內(nèi)部空氣起到保溫作用。
關(guān)鍵詞:太陽能;光伏陣列;環(huán)境測試;光伏板密度;溫度;光照強(qiáng)度
中圖分類號:S162.4; TK519" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A" " " 文章編號:2095?5553 (2025) 04?0293?08
Study on the influence of different densities of PV panels on the photothermal environment of photovoltaic array
Qu Wenhui Bao Encai Yang Chen Xu Guijun Wang Qi Xia Liru
(1.School of Ecology and Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, 210044, China; 2.Institute of Agricultural Facilities and Equipment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, 210014, China; 3.School of Automation, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, 210044, China; 4.Shenzhen Energy Nanjing Holding Co., Ltd., Nanjing, 210019, China)
Abstract: To provide a theoretical basis for designing and constructing new photovoltaic (PV) array structures, this study addressed the limitations of traditional PV arrays with 100% panel density. These arrays often create excessive shading that adversely impacts crop growth, leading to conflicts between agricultural productivity and photovoltaic power generation. This issue contributes to inefficient land use and suboptimal application outcomes. This research was conducted in a photovoltaic agriculture park in southern Jiangsu Province, using a standard PV array with 100% density as the baseline. Structural modifications were made to create arrays with 75% and 50% panel densities. An environmental monitoring system was established to record hourly variations in solar radiation intensity and ambient temperature. Measurements were taken within a single?span PV array with a 6.8 m span, assessing the light and thermal environments in southern, central, and northern areas inside and outside the arrays. The results revealed significant effects of panel density on the photothermal environment beneath the arrays. Solar radiation intensity, air temperature, and soil temperature exhibited the following relationship across the different panel densities: 50% gt; 75% gt; 100%. As PV panel density decreased, the solar radiation intensity beneath the PV arrays increased, with the central region receiving higher levels of radiation than the northern and southern regions. Additionally, PV arrays with varying densities influenced internal air temperatures. During summer days, higher panel densities can provide a stronger cooling effect, while at night, these arrays can help retain heat within the internal air. This study demonstrates that reducing PV panel density can improve the photothermal environment below the arrays, thereby offering valuable insights for balancing agricultural productivity and photovoltaic power generation.
Keywords: solar energy; photovoltaic array; environmental testing; PV panel density; temperature; illumination
0 引言
光伏農(nóng)業(yè)[1]是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與農(nóng)田耕作有機(jī)融合的新興產(chǎn)業(yè)形式[2],提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性和效益性的同時助力新能源的推廣應(yīng)用[3]。露地光伏農(nóng)業(yè)[4]作為光伏農(nóng)業(yè)的重要分支,在農(nóng)田或其他露天場地上架設(shè)光伏板發(fā)電,是一種創(chuàng)新性可持續(xù)發(fā)展的新能源模式。農(nóng)光互補(bǔ)[5]的普及能夠解決中東部地區(qū)光伏發(fā)展受用地指標(biāo)掣肘的現(xiàn)狀,為區(qū)域能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色發(fā)展提供有益嘗試[6]。
從初始小面積示范溫室發(fā)展應(yīng)用到農(nóng)業(yè)設(shè)施上,國內(nèi)外都在積極推動光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展[7]。然而,發(fā)展過程中存在一定的弊端和挑戰(zhàn)。目前,生物物質(zhì)量的積累主要由光資源的捕獲驅(qū)動,作物的生長需要充分的光照條件[8]。光伏板的遮擋減少作物的平均可用光照,光伏電站的不合理布局放大光伏板遮蔭[9]的負(fù)面影響,例如作物光合作用減弱[10]、營養(yǎng)物質(zhì)積累減少[11]、病害加重[12]以及產(chǎn)量下降[13]等,進(jìn)而導(dǎo)致土地的利用率低下,影響光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的可持續(xù)性。在規(guī)劃和設(shè)計(jì)光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目時,需充分考慮光伏板對作物的遮蔭影響,并結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的作物種植和光伏板布局方式,最大程度地保證作物的生長和光伏發(fā)電效率。有學(xué)者針對光伏板對作物造成的間歇性遮光進(jìn)行研究,Jiang等[14]以光伏農(nóng)業(yè)的光照強(qiáng)度管理為目的,開發(fā)19.0%、30.4%和38.0%這3種鋪設(shè)密度的半透明光伏板,探究不同遮蔭水平對獼猴桃生長的影響;Marrou等[15]對萵苣的試驗(yàn)中,探究春、夏季光照的削弱對作物有嚴(yán)重的影響;Kadowaki等[16]為測試光伏陣列遮蔭對洋蔥生長的影響,將傳統(tǒng)100%光伏板鋪設(shè)密度進(jìn)行改造,測試2種光伏陣列陣型:棋盤式和直線式;Yano等[17]以光伏陣列(占屋頂面積的12.9%)的東西向單跨溫室為研究對象,探究太陽光能的空間分布。目前,國內(nèi)外已經(jīng)廣泛開展相關(guān)光伏農(nóng)業(yè)的光熱環(huán)境條件及其對作物生長影響的研究,但是研究光伏板的鋪設(shè)密度和排列方式對作物生長影響幾乎都是從理論角度分析,針對光伏發(fā)電和作物生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用效果的報道較少。
綜上所述,本文對傳統(tǒng)光伏板的鋪設(shè)密度進(jìn)行合理改造,探究3種光伏板密度對光伏陣列光熱環(huán)境的影響,量化其光熱環(huán)境差異,以期推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效,為推進(jìn)可持續(xù)性的、低鋪設(shè)密度的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),促進(jìn)光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入高效耦合階段,使光伏農(nóng)業(yè)進(jìn)一步朝著可持續(xù)的方向發(fā)展。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)對象
1.1.1 露地光伏陣列介紹
露地光伏陣列位于南京市溧水區(qū)農(nóng)光互補(bǔ)基地(北緯31.62°,東經(jīng)119.18°,海拔約360 m)。該基地占地約46.67 hm2,總裝機(jī)量達(dá)20 MW。光伏陣列坐北朝南,由Φ300 mm的管預(yù)制樁及斜支撐架等支撐;試驗(yàn)場景所在片區(qū)陣列長度為150 m,跨度為6.80 m,共47跨;光伏組件下沿距地面2.5 m,光伏組件傾角為24°;單塊光伏組件材料為265 W多晶硅,長為1 640 mm,寬為992 mm,厚度為35 mm;陣列內(nèi)部沿東西方向種植花生、油菜等作物。
1.1.2 不同光伏板密度的光伏陣列改造
75%光伏板密度、50%光伏板密度與100%光伏板密度的光伏陣列相比,除光伏板鋪設(shè)密度不同外,所有材料結(jié)構(gòu)均一致。不同光伏板密度的露地光伏陣列采用鋼結(jié)構(gòu)作為樁體支撐,水泥作為樁體的填充材料。首先,管預(yù)制樁底部有水泥澆筑地基,保證樁體穩(wěn)定性;其次,管預(yù)制樁中有支撐立柱,支撐立柱與水泥地基中的預(yù)埋件相連,起到固定管預(yù)制樁和支撐光伏組件的重量的作用。不同光伏板密度的光伏陣列主要有3種比例,即100%、75%和50%。50%光伏板密度、75%光伏板密度是在原有的光伏組件鋪設(shè)(100%光伏板鋪設(shè)密度)情況下改造形成的,鋪設(shè)方式如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為考察不同光伏板密度對光伏陣列光熱環(huán)境的影響,依據(jù)光伏陣列空間結(jié)構(gòu)形態(tài),將3種光伏板密度的單跨光伏陣列內(nèi)部分成南區(qū)、中區(qū)與北區(qū)。在單跨試驗(yàn)光伏方陣中,沿從南到北的跨度方向取0.65 m、3.40 m、6.15 m處和長度方向共面的3個測試斷面,即南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)的3個測試斷面,所有傳感器布置在測試斷面上。測試的環(huán)境因子包括不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)外太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度及土壤溫度,儀器參數(shù)見表1。
太陽輻射強(qiáng)度及空氣溫度測點(diǎn)設(shè)置在作物冠層高度1.0 m位置處,土壤溫度測點(diǎn)設(shè)置在作物根系深度位置,即地下0.15 m深度。試驗(yàn)測試時間為2023年7月1—20日。3個區(qū)域的傳感器測點(diǎn)具體布置情況如圖2所示。所有傳感器進(jìn)行全天測試,數(shù)據(jù)記錄時間間隔為10 min。同時,夏季白晝時間段記為06:00—18:00,夜間階段記為18:00至次日06:00。
1.3 數(shù)據(jù)處理
應(yīng)用Microsot Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,應(yīng)用Origin 2021軟件制作相關(guān)圖表。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同光伏板密度對光伏陣列內(nèi)部的太陽輻射強(qiáng)度影響
太陽輻射能是光伏陣列內(nèi)部農(nóng)作物生長的主要能量來源,在作物生育期內(nèi)有著重要的影響[18]。基于此,規(guī)定太陽輻射強(qiáng)度作為不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)部光環(huán)境的評價指標(biāo)。
夏季不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)外太陽輻射強(qiáng)度的變化情況如表2所示。太陽輻射強(qiáng)度整體呈現(xiàn)露天(平均太陽輻射強(qiáng)度為336 W/m2)高于光伏陣列板下區(qū)域的規(guī)律,隨著光伏板鋪設(shè)密度的增加,太陽輻射強(qiáng)度不斷減弱。從3種鋪設(shè)密度對比可知,測試期間露天白晝平均太陽輻射強(qiáng)度比50%光伏板密度下3區(qū)高42.6~188.3 W/m2,比75%光伏板密度下3區(qū)高59.8~246 W/m2,比100%光伏板密度下3區(qū)高72.2~361.4 W/m2。
選擇7月4日(晴天)、7月13日(陰雨天)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖3所示,晴天條件下,露天的太陽輻射強(qiáng)度最大達(dá)985.6 W/m2。此時,50%光伏板密度的光伏陣列的各區(qū)域(依次為南區(qū)、中區(qū)、北區(qū))的太陽輻射強(qiáng)度分別為900.6 W/m2、925.6 W/m2、883.1 W/m2,比露天低8.6%、6.1%、10.4%;75%光伏板密度的光伏陣列的各區(qū)域的太陽輻射強(qiáng)度分別為121.9 W/m2、908.1 W/m2、149.4 W/m2,比露天低87.6%、7.9%、84.8%;100%光伏板密度的光伏陣列的各區(qū)域的太陽輻射強(qiáng)度分別為108.1 W/m2、667 W/m2、100.6 W/m2,比露天低89%、31.3%、89.8%。3種光伏板密度的光伏陣列的太陽輻射強(qiáng)度從大到小為50%光伏板密度、75%光伏板密度、100%光伏板密度;50%光伏板密度、75%光伏板密度、100%光伏板板下中區(qū)太陽輻射強(qiáng)度明顯大于南北兩區(qū)??紤]露天太陽輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況,個別時間段雖有波動,但各測點(diǎn)曲線一致性較好,在對應(yīng)的時間段都有相應(yīng)的變化趨勢,且各曲線峰值對應(yīng)時間基本一致。
如圖4所示,陰雨天氣下不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)部測點(diǎn)的太陽輻射強(qiáng)度大小關(guān)系類似于晴天,變化趨勢較晴天相對穩(wěn)定。從相同光伏板密度的光伏陣列來看,中區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度明顯大于南北兩區(qū),且隨著光伏板密度的減少,相同密度的光伏陣列各區(qū)域的太陽輻射強(qiáng)度的差距縮小。
2.2 不同光伏板密度對光伏陣列內(nèi)部的空氣溫度影響
不同光伏板密度的露地光伏陣列夏季空氣溫度分析如表3所示。試驗(yàn)測試期間雨水較多,陰雨天氣時間段占總體試驗(yàn)階段的2/3,露天環(huán)境的晝平均氣溫為33.7 ℃,分別比不同密度光伏陣列區(qū)域高1.4 ℃~2.5 ℃;露天環(huán)境的夜平均氣溫為26.8 ℃,分別比不同密度光伏陣列內(nèi)部區(qū)域低0.1 ℃~0.3 ℃,說明光伏組件在夏季白天對內(nèi)部空氣具有降溫作用。
從不同密度光伏陣列下3個區(qū)域的日平均氣溫情況得知,露天環(huán)境的日平均氣溫為30.3 ℃,50%光伏板密度的光伏陣列板下溫度比露天低約0.7 ℃,75%光伏板密度的光伏陣列板下溫度比露天低約0.9 ℃,100%光伏板密度的光伏陣列板下溫度比露天低約1.2 ℃,氣溫整體呈現(xiàn):50%光伏板密度gt;75%光伏板密度gt;100%光伏板密度,說明光伏板鋪設(shè)密度越高,在夏季白天對內(nèi)部空氣的降溫效果越好。從單個光伏板密度的光伏陣列來看,相同光伏板密度不同區(qū)域的氣溫誤差在儀器測量范圍內(nèi),所以差異不大。
圖5顯示晴天條件下不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)外氣溫變化。光伏陣列內(nèi)外氣溫曲線總體趨勢一致。晴天條件下所有測點(diǎn)在6∶00—13∶30氣溫保持逐漸上升趨勢,13∶30—18∶00氣溫逐漸下降。除個別時間點(diǎn)有輕微不穩(wěn)定性波動外,各測點(diǎn)曲線一致性較好,均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。
露天的晝平均氣溫為36.4 ℃,50%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫分別為35.0 ℃、34.6 ℃、34.6 ℃;75%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫為34.1 ℃、34.5 ℃、33.9 ℃;100%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫為33.3 ℃、33.5 ℃、33.5 ℃。從3種鋪設(shè)密度來看,板下區(qū)域溫度呈現(xiàn):50%光伏板密度gt;75%光伏板密度gt;100%光伏板密度。露天的日平均氣溫為30.8 ℃,50%光伏板密度各區(qū)域的日平均氣溫為30.2 ℃、30.1 ℃、30.1 ℃;75%光伏板密度各區(qū)域的日平均氣溫為29.9 ℃、30.1 ℃、29.7 ℃;100%光伏板密度各區(qū)域的日平均氣溫為29.4 ℃、29.5 ℃、29.6 ℃。從3種鋪設(shè)密度來看,和上述晝平均氣溫規(guī)律一致,從單個鋪設(shè)密度來看,3個區(qū)域的溫度差異處于測量儀器誤差范圍內(nèi)。
如圖6所示,陰雨天氣條件下,露天的晝平均氣溫為33.4 ℃,50%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫分別為32.9 ℃、32.6 ℃、32.8 ℃;75%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫為32.6 ℃、32.6 ℃、32.5 ℃;100%光伏板密度各區(qū)域的晝平均氣溫分別為32.5 ℃、32.3 ℃、32.5 ℃。露天的夜平均氣溫為28.9 ℃,50%光伏板密度各區(qū)域?yàn)?8.8 ℃、29.1 ℃、29.0 ℃;75%光伏板密度各區(qū)域?yàn)?8.9 ℃、29.0 ℃、29.0 ℃;100%光伏板密度各區(qū)域?yàn)?8.9 ℃、29.1 ℃、29.0 ℃。由此可知,不同鋪設(shè)密度光伏陣列有一定的降溫作用,和晴天規(guī)律一致,單個鋪設(shè)密度的3個區(qū)域測點(diǎn)氣溫差異不大。
2.3 不同光伏板密度對光伏陣列內(nèi)部的土壤溫度影響
如圖7所示,所有測點(diǎn)曲線一致性較好,其中,露天的晝平均土壤溫度顯著高于板下各區(qū)域,說明露地光伏陣列內(nèi)部的土壤溫度情況受光伏組件影響較大,即光伏組件在夏季白天對土壤能起到降溫的作用。
20天試驗(yàn)階段整體而言,露天的晝平均土壤溫度為28.7 ℃,3種鋪設(shè)密度光伏板下中區(qū)的平均土壤溫度分別為28.2 ℃、28.1 ℃、28.3 ℃,可見不同光伏板密度對光伏陣列中區(qū)的土壤溫度影響不大。而就單個鋪設(shè)密度來看,50%光伏板密度的南區(qū)、北區(qū)的總晝平均土壤溫度為28.3 ℃、27.2 ℃,相差1.1 ℃;75%光伏板密度的南區(qū)、北區(qū)的總晝平均土壤溫度皆為27.6 ℃;100%光伏板密度的南區(qū)、北區(qū)的總晝平均土壤溫度為26.9 ℃、27.0 ℃,相差不大,可見75%光伏板密度、100%光伏板密度的南北區(qū)對比50%光伏板密度的南北區(qū)域的土壤溫度更為穩(wěn)定。
如圖8所示,晴天天氣條件下,露天的晝平均土壤溫度明顯高于不同光伏板密度的光伏方陣內(nèi)部3個測點(diǎn)。3種光伏板密度的光伏陣列下(依次為50%、75%、100%)中區(qū)的晝平均土壤溫度分別為28.8 ℃、28.6 ℃、28.9 ℃,與露天分別相差0.3 ℃、0.5 ℃、0.2 ℃。3種鋪設(shè)密度板下南區(qū)分別為27.6 ℃、27.4 ℃、27.3 ℃,與露天分別相差1.5 ℃、1.7 ℃、1.8 ℃;北區(qū)分別為27.5 ℃、27.4 ℃、27.3 ℃,與露天分別相差1.6 ℃、1.7 ℃、1.8 ℃。由此可見,隨著光伏陣列的光伏板密度的減少,板下各區(qū)的土壤溫度隨之升高。從單個鋪設(shè)密度光伏陣列來看,50%光伏板密度、75%光伏板密度、100%光伏板密度的光伏陣列的南北區(qū)的晝平均土壤溫度與其對應(yīng)中區(qū)分別相差1.2 ℃、1.2 ℃、1.6 ℃。由此說明,相較于100%光伏板密度光伏陣列,50%光伏板密度、75%光伏板下3區(qū)的土壤溫度差異更小,更穩(wěn)定。
如圖9所示,陰雨天氣條件下,露天的晝平均土壤溫度依舊明顯高于不同密度光伏方陣內(nèi)部3個測點(diǎn),整體波動相對平緩。3種光伏板密度的光伏陣列的中區(qū)的晝平均土壤溫度分別為29.6 ℃、29.2 ℃、29.2 ℃,與露天分別相差0.1 ℃、0.5 ℃、0.5 ℃;3種光伏板密度的光伏陣列的南區(qū)分別為29.0 ℃、28.7 ℃、28.2 ℃,與露天分別相差0.7 ℃、1.0 ℃、1.5 ℃;北區(qū)分別為28.8 ℃、28.8 ℃、28.3 ℃,與露天分別相差0.9 ℃、0.9 ℃、1.4 ℃。由此可見,隨著光伏陣列的光伏板密度的減小,板下的土壤溫度隨之升高。從單個光伏板密度的光伏陣列來看,50%光伏板密度的光伏陣列南北區(qū)的晝平均土壤溫度與中區(qū)相差0.7 ℃;75%光伏板密度的光伏陣列南北區(qū)的晝平均土壤溫度與中區(qū)相差0.5 ℃;100%光伏板密度的光伏陣列南北區(qū)的晝平均土壤溫度與中區(qū)相差0.9 ℃。說明在陰雨天氣條件下,相較于50%光伏板和100%光伏板密度的光伏陣列,75%光伏板下3區(qū)的土壤溫度差異更小。
3 討論
探究不同光伏板密度對光伏陣列光熱環(huán)境的影響,結(jié)果表明:不同鋪設(shè)密度的光伏陣列下3區(qū)域的太陽輻射強(qiáng)度明顯小于露天,相同光伏板密度的光伏陣列下中區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度明顯大于南北兩區(qū)。不同光伏板密度的光伏陣列內(nèi)部的氣溫關(guān)系為:50%光伏板密度gt;75%光伏板密度gt;100%光伏板密度,單個鋪設(shè)密度的光伏陣列內(nèi)部各區(qū)域的氣溫大小差異不大。不同光伏板密度對光伏陣列內(nèi)部的土壤溫度有相應(yīng)的降溫作用。此外,國外學(xué)者針對不同鋪設(shè)密度光伏組件下光熱環(huán)境進(jìn)行的探究,再次證明探究不同光伏板密度的光伏陣列的光熱環(huán)境是必要的。Kim等[19]以光合有效輻射、最高溫度、最低溫度和濕度4個天氣變量,開發(fā)鋪設(shè)密度為25.6%和32%的農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)模型,得出鋪設(shè)密度為32%的雙面農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)的總利潤最高的結(jié)論。此外,其通過模擬作物和太陽能生產(chǎn),得出韓國紅豆、綠豆、大豆、芝麻和玉米5種作物的減產(chǎn)率在鋪設(shè)密度為25.6%和32%之間存在顯著差異的結(jié)論[20]。Gonocruz等[21]評估了不同光伏組件鋪設(shè)密度對水稻生產(chǎn)的影響,當(dāng)光伏組件鋪設(shè)密度約為27%~39%時,日本水稻產(chǎn)量減少約80%。Ahmed等[22]通過建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)型框架得出,在保證約為90%水稻產(chǎn)量時,總利潤可以比水稻種植高出22~115倍(或30~132倍),從而為農(nóng)民提供高效益。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對露天光伏種植業(yè)光熱環(huán)境做了相關(guān)研究。魏來等[13]以木板模擬光伏組件,在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站分析了光伏組件對田間光照條件的影響,發(fā)現(xiàn)晴天條件下光伏組件行間地面日平均光照強(qiáng)度比露天對照弱約18%,說明光伏組件對下方光環(huán)境有一定影響;林佳鴻[7]通過對固定支架光伏茶園和露天茶園的微氣候分析發(fā)現(xiàn),露天光伏茶園板下和板間比露天茶園的茶樹冠層的空氣溫度低,同時在晴天白天,光伏板大多數(shù)時候起到降溫作用,部分夜晚能起到保溫作用。本研究觀測的不同光伏板鋪設(shè)密度的光伏陣列光熱環(huán)境均一定程度上低于露天環(huán)境,在夏季能起到降溫的作用,與前人研究較為一致。
本試驗(yàn)所呈現(xiàn)的光熱環(huán)境差異主要由于光伏陣列的不同光伏組件鋪設(shè)密度及空間結(jié)構(gòu)形態(tài)等因素(太陽高度角、方位及光伏方陣跨度等)導(dǎo)致的,因此,無法通過試驗(yàn)分析單一因素如何影響光伏陣列內(nèi)部光熱環(huán)境。通過連續(xù)20天的試驗(yàn)光伏陣列光熱環(huán)境測試結(jié)果分析表明,相比露天環(huán)境,光伏組件下方的光熱環(huán)境更適合耐蔭作物生長。隨著不同光伏板密度的減少,板下中區(qū)優(yōu)于南北兩區(qū)。后期可充分利用基于傳統(tǒng)100%光伏板改造的75%、50%光伏板密度的光伏陣列,通過篩選不同耐蔭作物、利用條帶式復(fù)合種植方式及融合復(fù)合種植農(nóng)機(jī)農(nóng)藝等,綜合提高其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。
4 結(jié)論
為改善傳統(tǒng)100%光伏板密度的露地光伏陣列對作物遮蔭影響的現(xiàn)狀,以長三角地區(qū)的3種光伏板密度的光伏陣列為研究對象,進(jìn)行不同光伏板密度對光伏陣列內(nèi)外的光熱環(huán)境測試。
1) 連續(xù)20天的光照數(shù)據(jù)表明,露天的平均太陽輻射為173.3 W/m2,50%光伏板密度、75%光伏板密度、100%光伏板密度的光伏陣列的平均太陽輻射為113.8 W/m2、92.5 W/m2、66.4 W/m2。從3種鋪設(shè)密度來看,隨著光伏組件鋪設(shè)密度的減小,光伏板下的太陽輻射強(qiáng)度增加;從單種鋪設(shè)密度來看,光伏板下中區(qū)比南北兩區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度高。
2) 測試結(jié)果表明,50%光伏板密度、75%光伏板密度、100%光伏板密度的光伏陣列露天日平均氣溫分別為29.6 ℃、29.4 ℃、29.2 ℃、30.3 ℃;晝平均氣溫分別為32.2 ℃、31.8 ℃、31.2 ℃、33.7 ℃;晝平均土壤溫度分別為27.9 ℃、27.8 ℃、27.4 ℃、28.7 ℃,同時不同密度光伏陣列下的夜平均氣溫差異不大。因此,不同鋪設(shè)密度光伏陣列內(nèi)部的夏季的氣溫和土壤溫度整體變化規(guī)律為:在白天,不同光伏板密度對光伏陣列各區(qū)域呈現(xiàn)光伏組件鋪設(shè)密度越高,降溫效果越好;在夜晚,不同密度的光伏陣列處于開放的大環(huán)境,并未造成明顯影響。
針對光伏農(nóng)業(yè)用地資源約束及現(xiàn)有高鋪設(shè)密度光伏陣列不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)問題,以蘇南地區(qū)光伏農(nóng)業(yè)陣列為研究對象,在現(xiàn)有光伏陣列發(fā)電的基礎(chǔ)上,將100%光伏板鋪設(shè)密度的光伏陣列結(jié)構(gòu)改造形成75%光伏板密度、50%光伏板密度的光伏陣列。通過搭建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測不同光伏板密度的光伏陣列的光熱環(huán)境,量化其光熱環(huán)境差異,為后續(xù)的種植試驗(yàn)研究、推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效提供數(shù)據(jù)支撐,同時為推進(jìn)可持續(xù)性和低鋪設(shè)密度的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
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