光伏溫室的研究綜述

郭騰騰

（云南師范大學能源與環境科學學院，云南昆明 650504）

光伏溫室的研究綜述

郭騰騰

（云南師范大學能源與環境科學學院，云南昆明 650504）

國內外學者對光伏溫室已經進行了大量的實驗研究，本文在對這些實驗研究進行歸納總結的基礎上，提出現如今光伏溫室研究的幾點不足，以及對光伏溫室研究的建議。

光伏溫室；熱場分布；CFD模擬；設計建造

現代農業是一個朝陽的產業，特別是設施農業發展前景廣闊。我國的溫室大棚等農業設施總量早已達到世界第一，這類設施建在地勢平坦的地方，而且頂部無遮擋，如果在溫室頂上安裝光伏板將其改造成光伏溫室，將光伏發電和農業生產有機結合起來，不僅可以解決土地資源的緊缺問題，而且可以實現多重收益。

1 國外光伏溫室的研究進展

對光伏溫室的研究最早是在已有溫室大棚上搭建光伏組件進行的。Cossu M和Murgia L等［1］就是在已有的東西導向的溫室大棚（總面積為960m2）的前坡面全部覆蓋上多晶硅光伏組件，覆蓋面積為溫室屋頂總面積的50%，其光伏組件的總額定功率為68kWp，并將光伏組件產生的電能用于取暖和照明，來研究溫室內部的太陽輻射分布以及溫度和濕度的改變。結果表明，太陽輻射的分布是有南北梯度的，光伏組件的產電量可以滿足溫室內照明和取暖的要求。

為了最大程度地降低光伏組件遮光對溫室內部的太陽輻射的影響，Cossu M和Yano A等［2］將一種新型的球形微太陽電池應用于26.5°的溫室屋頂上組成半透明的模型并進行了測試，半透明的模型是由4 800塊夾在玻璃中間的球形硅微小電池組成的。全部微太陽電池和金屬導體的覆蓋率為9.7%。結果表明，與傳統的多晶硅模塊相比，微小太陽電池半透明模塊的產量收益略高。此外，為了提高能源效率和光伏溫室的可持續發展，Yano A和Onoe M等［3］還對溫室屋頂上的球形微太陽電池的排布進行了變化研究，一種是用1 500個直徑為1.8mm的晶體硅球形微太陽電池以15.4個/cm2電池的密度排布在108mm× 90mm的溫室屋頂上，另一種是用同樣的光伏電池500個以5.1個/cm2電池的密度排布在相同尺寸的屋頂上，通過計算單位溫室土地面積的年度電能生產表明，這樣的排布更適合高輻射度地區，只有在高輻射度的地區，冬季的產電量才能滿足溫室的需求。為了研究評估配有光伏陣列東西導向的哥特式尖拱型溫室內的陽光能量的空間分布。Yano A和Kadowaki M等［4］還研究了在同一溫室屋頂上覆蓋相同面積的光伏組件（均為屋頂面積的12.9%），將排布方式分別采用棋盤型和直線型排布，所有的排布均是使用30塊相同的光伏電池，來研究溫室內的陰影情況和光伏組件的產電情況。結果表明，2種排布方式的產電量幾乎沒有差別，與直線型布局相比，棋盤布局能很好地改善溫室內陽光輻射空間分布不平衡的問題，棋盤型能夠使溫室內的植物接收到更好的陽光能源。所以，溫室屋頂上光伏組件的排布對于溫室內的氣候環境有很大的影響。為了進一步研究光伏組件布局對植物生長的影響，Kadowaki M和Yano A［5］還在棋盤型和直線型排布的溫室里種植大蔥，來研究不同排布對大蔥生長的影響。結果顯示，與直線型相比，棋盤型的排布更利于大蔥的生長。

與傳統的實測實驗相比，有很多人運用計算機來進行模擬實驗，研究光伏溫室的許多特性。Bhattacharya T 和Chakraborty A K［6］運用神經網絡算法模擬計算集成在溫室屋頂的柔性薄膜太陽電池，通過運用神經網絡的模擬計算，它能在試驗前期就能過預算出集成在溫室屋頂上的太陽電池的產電量，還模擬了太陽電池對植物光合作用的影響。結果表明，可以相應地調整光伏組件的覆蓋率，來模擬對植物光合作用的影響，在10%的覆蓋率的情況下對植物光合作用的影響不大。Gupta R和Tiwari G N等［7］運用CAD-3D陰影分析來分析進入到覆蓋了光伏組件的溫室在溫室內壁和地板上的輻射分布，實驗是基于印度新德里的地理參數進行的，實驗中調整光伏溫室的長度和寬度來研究落在光伏溫室內壁和地板上的陰影，分別選擇冬季和夏季典型的晴朗天氣進行試驗。結果顯示，在東西導向的溫室大棚里，45°傾角時太陽能的輻射損失最少，但是結果是基于印度新德里的。實驗方法同樣適用于其他地區和尺寸的溫室。為了準確預測裝有太陽能光伏板的溫室內部的小氣候，Fatnassi H和Poncet C等［8］使用計算流體動力學（CFD）模型模擬了配有光伏組件的2種類型的溫室（不對稱和Venlo）內部的太陽輻射分布，通過分析模擬出來的數據顯示，與不對稱的溫室相比，Venlo溫室的太陽輻射更均勻，更有利于溫室內植物和熱空氣的對流。

綜上所述，可以發現目前國外對于太陽能光伏溫室的文獻顯示多是集中于研究階段，文獻的數據多是實驗得到的，對于工業化生產的光伏溫室的研究數據很少，還是集中在實驗室的開發研究上，對于系統的光伏溫室的數據影響規律鮮有報道。但是，毋庸置疑，國外的光伏溫室的研究價值對于現在研究光伏溫室還是很有用處的。無論是亞洲還是歐洲的研究都是基于本地區氣候進行的，因為全球各地的氣候條件不同，而溫室的建造都是基于生產需要的，所以說研究方法是值得借鑒的。而具體的研究生產實驗仍需要創新，研究出適合當地的太陽能光伏溫室。

2 國內光伏溫室的研究進展

與國外相比，我國太陽能光伏溫室的研究相對落后，雖然我國現已經建設成很多的太陽能光伏溫室，但并未實現光伏發電和農業生產的雙收益，這是值得思考的。而且并未找到我國生產化的光伏溫室的收益數據。

2012年5月14日，我國首座示范性光伏溫室在甘肅省嘉峪關建成，該光伏溫室的建成對于我國現代設施農業具有顯著的示范意義［9］。而且在當今化石能源瀕臨枯竭環境污染嚴重的背景下，光伏溫室將無疑會成為中國設施園藝產業突破資源環境瓶頸制約，調控環境污染，保證我國冬季設施產品的長期有效供給的重要手段之一。此外，由于光伏發電不僅解決了取水灌溉、機械動力所需要的供電問題，還可以產出多余的電力上網輸出。因此，光伏農業是符合生物鏈關系和生產原料能量系統要求的重要農業工程形式。從長遠來看，發展光伏農業不僅可以解決光伏產業與農業發展爭地的現狀，對于我國的農業轉型也具有重要意義［10］。因此，為了更好地研究適合我國工業發展生產的光伏溫室，許多人開始了對光伏溫室的研究。但是，大多數都還處在理論研究的階段［11-14］。

昝錦羽等［15］基于云南省昆明市冬至日的氣候特點，使用Ecotect軟件建立光伏溫室大棚模型，通過改變屋頂光伏面板的排布方式，分別采取排布一排、兩排緊密式光伏電池和一排、兩排棋盤式光伏電池，來模擬研究溫室內的溫度和溫室內外溫度差，通過比較研究溫室模擬出的結果發現，在使用相同數量的電池組件排布下，緊密型溫室大棚棚內溫度和棚內外溫度差較大，棚內溫度較恒定。此外，孫迎龍［16］還應用CFD模擬了江蘇省常州市嘉澤地區光伏連棟玻璃溫室內部的溫度和氣流流動，通過對比模擬值和測量值，發現CFD模擬的數據和測量的數據出入不大，說明了運用CFD模擬的可靠性和運用CFD模擬確實可以對光伏溫室的建設起到指導作用。為了驗證CFD模擬是否可行，孫迎龍［17］還通過CFD模擬軟件模擬驗證了在自然通風條件下光伏玻璃溫室的溫度場。結果表明，光伏玻璃溫室室內的溫度測量結果和CFD軟件的模擬結果絕對誤差均值為0.96℃，相對誤差均值為2.94%。這表明CFD軟件的模擬溫度場結果和試驗測量的結果基本吻合，驗證了CFD軟件模擬的可行性。

3 光伏溫室研究展望

目前對光伏溫室的研究有很多，但絕大多數主要是針對光伏溫室大棚中小氣候環境實際測量得到的實驗數據，以及少數影響溫室參數的模擬實驗。較少文獻是針對光伏溫室的設計上的系統研究。而且與普通的日光溫室相比，光伏溫室的投資較高，一旦建成修改的可能性很小，如果能在建造前期模擬要建造溫室的內部環境就會事半功倍。對此，建議在建造光伏溫室大棚前期可以開展計算模擬實驗，以了解建造參數對溫室內部氣候的影響規律，對溫室建造設計起到指導作用。而且運用計算機軟件模擬具有實驗周期短、實驗成本低、適用性好、靈活性高的特點，這也將減少財力、物力、人力和時間上的不必要消耗。可以通過對比多組模擬實驗結果，總結規律，作為建造和設計光伏溫室的依據，提高光伏溫室的輻照利用率，真正實現農業光伏的多重收益。因此，為了更加深入地了解和研究光伏溫室，建議在設計和建造光伏溫室前可以使用類似CFD這種計算模擬軟件先建立光伏溫室大棚的模型，對光伏溫室的內部環境進行模擬實驗，先得到光伏溫室的內部熱場分布，可以借鑒前人的經驗，適當調整溫室大棚的尺寸、光伏組件的覆蓋率、排布方式，模擬對比實驗結果，探索溫室尺寸、光伏組件遮擋率、排布方式對其的影響規律，將熱場分布研究應用于光伏溫室大棚的設計上。

［1］Cossu M，Murgia L，Ledda L，et al.Solar radiation distribution inside a greenhouse with south-oriented photovoltaic roofs and effects on crop productivity［J］.Applied Energy，2014（6）：89-100.

［2］Cossu M，Yano A，Li Z，et al.Advances on the semi-transparent modules based on micro solar cells:First integration in a greenhouse system［J］.Applied Energy，2016（162）：1042-1051.

［3］Yano A，Onoe M，Nakata J.Prototype semi-transparent photovoltaic modules for greenhouse roof applications［J］.Biosystems Engineering，2014（3）：62-73.

［4］Yano A，Kadowaki M，Furue A，et al.Shading and electrical features of a photovoltaic array mounted inside the roof of an east-west oriented greenhouse［J］.Biosystems Engineering，2010 （4）：367-377.

［5］Kadowaki M，Yano A，Ishizu F，et al.Effects of greenhouse photovoltaic array shading on Welsh onion growth［J］.Biosystems Engineering，2012（3）：290-297.

［6］Bhattacharya T，Chakraborty AK，Pal K.Computer Simulation of the Influence of Shading on Solar Photovoltaic Array［J］.International Journal of Ambient Energy，2016：1-19.

［7］Gupta R，Tiwari GN，Kumar A，et al.Calculation of total solar fraction for different orientation of greenhouse using 3D-shadow analysis in Auto-CAD［J］.Energy&Buildings，2012（4）：27-34.

［8］Fatnassi H，Poncet C，Brun R，et al.CFD study of climate conditions under greenhouses equipped with photovoltaic panels ［J］.Acta Horticulturae，2014（1054）：1-10.

［9］佚名.甘肅嘉峪關建成國內首座示范性光伏溫室［J］.農業工程技術（溫室園藝），2012（5）：87.

［10］阮曉東.光伏農業：綠色新路［J］.新經濟導刊，2014 （3）：30-33.

［11］柴江權，夏明建.光伏溫室發展前景廣闊［J］.長江蔬菜，2015（3）：3-4.

［12］劉輝，傅巧娟，沈國正，等.薄膜光伏太陽能大棚在杭推廣前景分析［J］.杭州科技，2012（4）：44-47.

［13］曹飛，張冬霞.論述薄膜太陽能大棚應用現狀及發展［J］.商品與質量（消費研究），2015（5）：275.

［14］高騰飛，李建功.基于駐馬店農業發展的現代化薄膜光伏大棚可行性探索［J］.建筑節能，2015（9）：30-33.

［15］昝錦羽.光伏溫室大棚若干問題的研究［D］.昆明：云南師范大學，2013.

［16］孫迎龍.光伏玻璃溫室內溫度和氣流分布的CFD分析研究［D］.鎮江：江蘇大學，2014.

［17］孫迎龍，王新忠.光伏玻璃溫室自然通風條件下的CFD模擬驗證［J］.農機化研究，2015（4）：176-179.

A Review of Research on Photovoltaic Greenhouse

Guo Tengteng
（School of Energy and Environment Science，Yunnan normal university，Kunming Yunnan 650504）

Domestic and foreign scholars have done a lot of experimental research on photovoltaic greenhouse,based on the summary of the experimental research,this paper put forward some problems in the research of photovoltaic greenhouse,and proposed some suggestions for the research of photovoltaic greenhouse.

photovoltaic greenhouse；thermal-field distribution；CFD simulation；design and build

S625

A

1003-5168（2017）04-0158-03

2017-03-12

郭騰騰（1990-），女，碩士在讀，研究方向：光伏技術在現代農業上的應用。