淺談雙玻組件在光伏農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 閆健 買發(fā)軍 王建勃 何懼

0 引言

隨著近兩年國(guó)家出臺(tái)相關(guān)扶持政策，光伏電站又迎來(lái)一個(gè)發(fā)展的春天。現(xiàn)今光伏電站被分成兩種主要形式：一是大型地面電站，主要分布在我國(guó)西北地區(qū)的青海、甘肅、新疆等地；二是分布式電站，主要在我國(guó)東南沿海及中部地區(qū)的大型工業(yè)園區(qū)或經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)，主要利用工業(yè)園區(qū)和開發(fā)區(qū)內(nèi)的廠房屋面進(jìn)行光伏電站的建造。鑒于我國(guó)有廣大的農(nóng)業(yè)地區(qū)，新興光伏農(nóng)業(yè)大棚成為另外一種光伏電站的選擇，這種農(nóng)業(yè)與光伏相結(jié)合的方式，既可有效地解決光伏電站占用土地面積大、無(wú)法二次利用的問(wèn)題，又能滿足大棚中農(nóng)作物對(duì)溫度、光照、通風(fēng)等生長(zhǎng)條件的需求。

我國(guó)大棚面積居世界第一，大部分的農(nóng)業(yè)大棚屬于中小型日光大棚，造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。光伏農(nóng)業(yè)大棚也是最近幾年由于光伏行業(yè)的迅速發(fā)展得到了國(guó)家的支持，在創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)設(shè)施中也得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

1 光伏組件材料對(duì)比

光伏農(nóng)業(yè)大棚就是在大棚的屋頂上布置太陽(yáng)電池板，大棚設(shè)計(jì)時(shí)一般選取最佳傾角使太陽(yáng)電池板發(fā)電量最大，利用電池板的發(fā)電既可滿足光伏大棚內(nèi)補(bǔ)光、加溫、通風(fēng)等一系列負(fù)荷用電，多發(fā)的電還可上網(wǎng)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化。現(xiàn)階段我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)大棚中所利用的光伏組件大部分都是薄膜組件，薄膜組件優(yōu)點(diǎn)在于弱光性較好、成本較底，不過(guò)薄膜組件的轉(zhuǎn)換效率太低，而且每年的衰減率較大，所以薄膜組件的壽命較短，一般都在10～15年。

綜合分析后，在農(nóng)業(yè)光伏大棚屋頂上建議采用以多晶硅為發(fā)電光伏組件材料。與其他相關(guān)組件材料相比，多晶硅的免維護(hù)性及壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)使其具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，可應(yīng)用在光伏農(nóng)業(yè)大棚中。

2 雙玻組件

現(xiàn)如今太陽(yáng)電池板發(fā)展迅速，電池板廠家也在更新?lián)Q代。多晶硅太陽(yáng)電池板在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各類光伏電站中。光伏農(nóng)業(yè)大棚經(jīng)過(guò)橫向縱向?qū)Ρ群螅捎枚嗑Ч璨牧系慕M件。隨著建筑光伏一體化的發(fā)展，地面電站土地利用率低的短板也越來(lái)越暴露出來(lái)，如何利用光伏組件代替建筑材料使土地利用率及建筑的多功能化增加，一直都是新能源從業(yè)者追求的目標(biāo)。產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)推動(dòng)能源的清潔化發(fā)展，在這種背景下，市場(chǎng)中出現(xiàn)了一種名為雙玻組件的新型組件形式，如圖1所示。

雙玻組件由玻璃、EVA(Ethylene Vinyl Acetate，醋酸鹽的簡(jiǎn)稱)膠膜、多晶硅3種原材料組合而成。雙玻組件顧名思義，電池材料兩邊分別有一層EVA膠膜和玻璃材料[1]。

EVA是一種熱固性有粘性的膠膜，EVA膠膜在粘著力、耐久性、光學(xué)特性等方面具有優(yōu)越性，使其在新型光伏組件中的應(yīng)用越來(lái)越多。

光伏電池玻璃采用的是鋼化玻璃，鋼化玻璃具有高強(qiáng)度、抗沖擊和抗彎強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其抗彎強(qiáng)度是普通玻璃的3～5倍，并具有良好的熱穩(wěn)定性及透光性。鋼化玻璃廣泛應(yīng)用于高層建筑門窗、玻璃幕墻、采光頂篷等一系列建筑物中[2]。

3 注意的問(wèn)題

3.1 透光率的計(jì)算

本文所討論的光伏農(nóng)業(yè)大棚，用雙玻組件代替農(nóng)業(yè)大棚屋頂。在實(shí)施過(guò)程中，最終解決的是大棚屋頂?shù)耐腹饴剩簿褪俏菝嫠佋O(shè)的雙玻組件透光率。根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚中種植農(nóng)作物所需透光率進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)農(nóng)作物所需大棚屋頂透光率為X，那么雙玻組件的透光率也為X。

式中：匯流條面積為總長(zhǎng)度×截面積(L1S1)；電池片面積為單片電池片面積×片數(shù)(ZN)。

安裝遮擋A按照安裝方式來(lái)計(jì)算，則：

式中：S2為屋面型鋼覆蓋面積；N1為組件數(shù)量。

玻璃本身的透光率為Z1，組件的外型尺寸為：長(zhǎng)×寬(LH)。

最終得出組件透光率X為：

根據(jù)上述計(jì)算公式，結(jié)合大棚中農(nóng)作物所需光照，調(diào)節(jié)電池片面積及排列方式控制大棚屋頂透光率，使農(nóng)作物有充足的光照強(qiáng)度，滿足大棚對(duì)光照強(qiáng)度的要求[3]。

3.2 溫度效應(yīng)

由于雙玻組件中采用的是多晶硅材料，晶硅光伏組件在自然光照下有溫度效應(yīng)，組件本身電流與電壓會(huì)隨外界溫度變化而變化，如圖2所示。

圖2 高低溫下組件的溫度效應(yīng)對(duì)比

但是光伏農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)一般溫度較高，可能會(huì)產(chǎn)生組件的溫度效應(yīng)，所以在選擇鋼化玻璃時(shí)，應(yīng)選擇溫度系數(shù)較小的鋼化玻璃。在設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)大棚時(shí)，大棚室內(nèi)應(yīng)安裝通風(fēng)系統(tǒng)，既保證室內(nèi)農(nóng)作物的空氣流通，又可保證組件自身溫度變化范圍較小，這樣可使雙玻組件達(dá)到最大效率，保證光伏組件的發(fā)電效率[4]。

3.3 結(jié)構(gòu)連接

在設(shè)計(jì)大棚時(shí)可采用兩種方案：一種為連棟大棚，另一種為獨(dú)棟大棚。

連棟大棚屋面成波浪型，橫向?yàn)闁|西方向，向南屋面設(shè)計(jì)可選擇使組件效率最大的最佳傾角，向南屋面用型鋼網(wǎng)狀連接，給雙玻組件預(yù)留安裝位置。3D效果圖如圖3所示。

圖3 連棟大棚3D效果圖

大棚屋頂北面不需鋪設(shè)電池板組件，可鋪設(shè)普通采光板，需充分考慮到植物對(duì)光照的要求。

屋面型鋼與組件的連接采用螺栓和膠結(jié)相結(jié)合的方式，在型鋼上與組件中預(yù)留螺栓孔，將螺栓組件與屋面剛性連接；在安裝過(guò)程中，注意預(yù)緊力的大小，不要由于預(yù)緊力過(guò)大破壞組件電池板邊緣，造成組件的浪費(fèi)與成本增大。螺栓連接完成后，在型鋼與組件間的縫隙中灌入結(jié)構(gòu)膠密封，如果有部分連接處縫隙過(guò)大，及時(shí)采用防水措施。連棟大棚的連接處要預(yù)裝導(dǎo)水槽，使其在雨季能及時(shí)把大棚間的雨水導(dǎo)出屋面[5]。

獨(dú)棟大棚的設(shè)計(jì)采用人字形屋面，調(diào)節(jié)屋面傾角到5°～10°，屋頂兩面分別朝向東西方向，組件平鋪屋頂，組件與屋面的連接方式與連棟大棚基本保持一致。3D效果圖如圖4所示。

圖4 獨(dú)棟大棚3D效果圖

獨(dú)棟大棚的安裝角度與連棟大棚不同，根據(jù)西安當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，利用PVSYST軟件對(duì)比5°、10°傾角時(shí)的10 MWp項(xiàng)目，如圖5、6所示。

圖5 30°傾角發(fā)電量

圖6 5°傾角發(fā)電量

通過(guò)計(jì)算得出，5°傾角發(fā)電量比最佳傾角30°的發(fā)電量少887.8 MWh/a，但獨(dú)棟大棚電池板為雙向布置電池板，在電池板數(shù)量上彌補(bǔ)了最佳傾角發(fā)電量不足的缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏發(fā)電也越來(lái)越多樣化，考慮到電站投資中，更多投資者考慮的是經(jīng)濟(jì)效益的最大化，使得光伏產(chǎn)業(yè)和其他農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑行業(yè)結(jié)合發(fā)展，探索出更多的光伏發(fā)電形式。本文所討論的雙玻組件在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用也是眾多應(yīng)用的一種形式，相信在不久的將來(lái)，光伏發(fā)電的應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)在更多的產(chǎn)業(yè)中，為人們能源的利用帶來(lái)更多便利。

[1]王磊,張臻, 張正國(guó),等.雙面玻璃晶體硅太陽(yáng)電池組件封裝工藝[P].中國(guó): 200710027966. 4, 2007-05-11.

[2]莊大建,鄭鴻生.雙玻璃光伏組件建筑一體化應(yīng)用[J]. 建筑科技, 2009, (20)：72－73.

[3]郎朗. 光伏現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)狀與分析[J].時(shí)代經(jīng)貿(mào), 2013,5(278): 167－168.

[4]張樂軍,鄭洪生,蔡越濤.中空雙玻璃光伏組件的熱性能研究[J].建筑節(jié)能, 2013, (4): 48－50.

[5] GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].