光伏温室的研究综述

总 609 期第 4 期2017 年 4 月河南科技Henan Science and T echnology光伏温室的研究综述郭腾腾（ 云南师范大学能源与环境科学学院 ，云南 昆明 650504 ）摘 要 国 内 外 学 者 对 光 伏 温 室 已 经 进 行 了 大 量 的 实 验 研 究 ，本 文 在 对 这 些 实 验 研 究 进 行 归 纳 总 结 的 基 础上 ，提出现如今光伏温室研究的几点不足 ，以及对光伏温室研究的建议 。关键词 光伏温室 ；热场分布 ；CFD 模拟 ；设计建造中图分类号 S 625 文献标识码 A 文章编号 1003 - 5168 （ 2017 ） 04 - 0158 - 03A Review of Research on Photovoltaic GreenhouseGuo Tengteng（ School of Energy and Environment Science ，Yunnan normal university ，Kunming Yunnan 650504 ）Abstract Domestic and foreign scholars have done a lot of experimental research on photovoltaic greenhouse, basedon the summary of the experimental research, this paper put forward some problems in the research of photovoltaicgreenhouse, and proposed some suggestions for the research of photovoltaic greenhouse.Keywords photovoltaic greenhouse ；thermal-field distribution ；CFD simulation ；design and build现 代 农 业 是 一 个 朝 阳 的 产 业 ，特 别 是 设 施 农 业 发 展前 景 广 阔 。 我 国 的 温 室 大 棚 等 农 业 设 施 总 量 早 已 达 到 世界 第 一 ，这 类 设 施 建 在 地 势 平 坦 的 地 方 ，而 且 顶 部 无 遮挡 ，如 果 在 温 室 顶 上 安 装 光 伏 板 将 其 改 造 成 光 伏 温 室 ，将光 伏 发 电 和 农 业 生 产 有 机 结 合 起 来 ，不 仅 可 以 解 决 土 地资源的紧缺问题 ，而且可以实现多重收益 。1 国外光伏温室的研究进展对 光 伏 温 室 的 研 究 最 早 是 在 已 有 温 室 大 棚 上 搭 建 光伏 组 件 进 行 的 。 Cossu M 和 Murgia L 等［ 1］就 是 在 已 有 的东 西 导 向 的 温 室 大 棚（ 总 面 积 为 960 m2）的 前 坡 面 全 部 覆盖 上 多 晶 硅 光 伏 组 件 ，覆 盖 面 积 为 温 室 屋 顶 总 面 积 的50 ，其 光 伏 组 件 的 总 额 定 功 率 为 68 kWp ，并 将 光 伏 组 件产 生 的 电 能 用 于 取 暖 和 照 明 ，来 研 究 温 室 内 部 的 太 阳 辐射 分 布 以 及 温 度 和 湿 度 的 改 变 。 结 果 表 明 ，太 阳 辐 射 的分 布 是 有 南 北 梯 度 的 ，光 伏 组 件 的 产 电 量 可 以 满 足 温 室内照明和取暖的要求 。为 了 最 大 程 度 地 降 低 光 伏 组 件 遮 光 对 温 室 内 部 的 太阳 辐 射 的 影 响 ，Cossu M 和 Yano A 等［ 2］将 一 种 新 型 的 球 形微 太 阳 电 池 应 用 于 26 .5 °的 温 室 屋 顶 上 组 成 半 透 明 的 模型 并 进 行 了 测 试 ，半 透 明 的 模 型 是 由 4 800 块 夹 在 玻 璃 中间 的 球 形 硅 微 小 电 池 组 成 的 。 全 部 微 太 阳 电 池 和 金 属 导体 的 覆 盖 率 为 9 .7 。 结 果 表 明 ，与 传 统 的 多 晶 硅 模 块 相比 ，微 小 太 阳 电 池 半 透 明 模 块 的 产 量 收 益 略 高 。 此 外 ，为了提高能 源效率和 光伏温室 的可持续 发展 ，Yano A 和 On ⁃oe M 等［ 3］还 对 温 室 屋 顶 上 的 球 形 微 太 阳 电 池 的 排 布 进 行了 变 化 研 究 ，一 种 是 用 1 500 个 直 径 为 1 .8 mm 的 晶 体 硅 球形 微 太 阳 电 池 以 15 .4 个 /cm2电 池 的 密 度 排 布 在 108 mm 90 mm 的 温 室 屋 顶 上 ，另 一 种 是 用 同 样 的 光 伏 电 池 500 个以 5 .1 个 /cm2电 池 的 密 度 排 布 在 相 同 尺 寸 的 屋 顶 上 ，通 过计 算 单 位 温 室 土 地 面 积 的 年 度 电 能 生 产 表 明 ，这 样 的 排布 更 适 合 高 辐 射 度 地 区 ，只 有 在 高 辐 射 度 的 地 区 ，冬 季 的产 电 量 才 能 满 足 温 室 的 需 求 。 为 了 研 究 评 估 配 有 光 伏 阵列 东 西 导 向 的 哥 特 式 尖 拱 型 温 室 内 的 阳 光 能 量 的 空 间 分布 。 Yano A 和 Kadowaki M 等［ 4］还 研 究 了 在 同 一 温 室 屋 顶上覆 盖相 同面 积的 光伏 组件 （ 均为 屋顶 面积 的 12 .9 ），将排 布 方 式 分 别 采 用 棋 盘 型 和 直 线 型 排 布 ，所 有 的 排 布 均是 使 用 30 块 相 同 的 光 伏 电 池 ，来 研 究 温 室 内 的 阴 影 情 况和 光 伏 组 件 的 产 电 情 况 。 结 果 表 明 ，2 种 排 布 方 式 的 产 电量 几 乎 没 有 差 别 ，与 直 线 型 布 局 相 比 ，棋 盘 布 局 能 很 好 地改 善 温 室 内 阳 光 辐 射 空 间 分 布 不 平 衡 的 问 题 ，棋 盘 型 能够 使 温 室 内 的 植 物 接 收 到 更 好 的 阳 光 能 源 。 所 以 ，温 室屋 顶 上 光 伏 组 件 的 排 布 对 于 温 室 内 的 气 候 环 境 有 很 大 的影 响 。 为 了 进 一 步 研 究 光 伏 组 件 布 局 对 植 物 生 长 的 影收稿日期 2017 - 03 - 12作者简介 郭腾腾 （ 1990 -），女 ，硕士在读 ，研究方向 光伏技术在现代农业上的应用 。地球与环境第 4 期· 159 ·响 ，Kadowaki M 和 Yano A［ 5］还 在 棋 盘 型 和 直 线 型 排 布 的温 室 里 种 植 大 葱 ，来 研 究 不 同 排 布 对 大 葱 生 长 的 影 响 。结 果 显 示 ，与 直 线 型 相 比 ，棋 盘 型 的 排 布 更 利 于 大 葱 的生 长 。与 传 统 的 实 测 实 验 相 比 ，有 很 多 人 运 用 计 算 机 来 进行 模 拟 实 验 ，研 究 光 伏 温 室 的 许 多 特 性 。 Bhattacharya T和 Chakraborty A K［ 6］运 用 神 经 网 络 算 法 模 拟 计 算 集 成 在温 室 屋 顶 的 柔 性 薄 膜 太 阳 电 池 ，通 过 运 用 神 经 网 络 的 模拟 计 算 ，它 能 在 试 验 前 期 就 能 过 预 算 出 集 成 在 温 室 屋 顶上 的 太 阳 电 池 的 产 电 量 ，还 模 拟 了 太 阳 电 池 对 植 物 光 合作 用 的 影 响 。 结 果 表 明 ，可 以 相 应 地 调 整 光 伏 组 件 的 覆盖 率 ，来 模 拟 对 植 物 光 合 作 用 的 影 响 ，在 10 的 覆 盖 率 的情 况 下 对 植 物 光 合 作 用 的 影 响 不 大 。 Gupta R 和 Tiwari GN 等［ 7］运 用 CAD- 3 D 阴 影 分 析 来 分 析 进 入 到 覆 盖 了 光 伏组 件 的 温 室 在 温 室 内 壁 和 地 板 上 的 辐 射 分 布 ，实 验 是 基于 印 度 新 德 里 的 地 理 参 数 进 行 的 ，实 验 中 调 整 光 伏 温 室的 长 度 和 宽 度 来 研 究 落 在 光 伏 温 室 内 壁 和 地 板 上 的 阴影 ，分 别 选 择 冬 季 和 夏 季 典 型 的 晴 朗 天 气 进 行 试 验 。 结果 显 示 ，在 东 西 导 向 的 温 室 大 棚 里 ，45 °倾 角 时 太 阳 能 的辐 射 损 失 最 少 ，但 是 结 果 是 基 于 印 度 新 德 里 的 。 实 验 方法 同 样 适 用 于 其 他 地 区 和 尺 寸 的 温 室 。 为 了 准 确 预 测 装有 太 阳 能 光 伏 板 的 温 室 内 部 的 小 气 候 ，Fatnassi H 和 Pon ⁃cet C 等［ 8］使 用 计 算 流 体 动 力 学（ CFD ）模 型 模 拟 了 配 有 光伏组 件的 2 种类 型的 温室 （ 不对 称和 Venlo ）内部 的太 阳辐射 分 布 ，通 过 分 析 模 拟 出 来 的 数 据 显 示 ，与 不 对 称 的 温 室相 比 ，Venlo 温 室 的 太 阳 辐 射 更 均 匀 ，更 有 利 于 温 室 内 植物和热空气的对流 。综 上 所 述 ，可 以 发 现 目 前 国 外 对 于 太 阳 能 光 伏 温 室的 文 献 显 示 多 是 集 中 于 研 究 阶 段 ，文 献 的 数 据 多 是 实 验得 到 的 ，对 于 工 业 化 生 产 的 光 伏 温 室 的 研 究 数 据 很 少 ，还是 集 中 在 实 验 室 的 开 发 研 究 上 ，对 于 系 统 的 光 伏 温 室 的数 据 影 响 规 律 鲜 有 报 道 。 但 是 ，毋 庸 置 疑 ，国 外 的 光 伏 温室 的 研 究 价 值 对 于 现 在 研 究 光 伏 温 室 还 是 很 有 用 处 的 。无 论 是 亚 洲 还 是 欧 洲 的 研 究 都 是 基 于 本 地 区 气 候 进 行的 ，因 为 全 球 各 地 的 气 候 条 件 不 同 ，而 温 室 的 建 造 都 是 基于 生 产 需 要 的 ，所 以 说 研 究 方 法 是 值 得 借 鉴 的 。 而 具 体的 研 究 生 产 实 验 仍 需 要 创 新 ，研 究 出 适 合 当 地 的 太 阳 能光伏温室 。2 国内光伏温室的研究进展与 国 外 相 比 ，我 国 太 阳 能 光 伏 温 室 的 研 究 相 对 落 后 ，虽 然 我 国 现 已 经 建 设 成 很 多 的 太 阳 能 光 伏 温 室 ，但 并 未实 现 光 伏 发 电 和 农 业 生 产 的 双 收 益 ，这 是 值 得 思 考 的 。而且并未找到我国生产化的光伏温室的收益数据 。2012 年 5 月 14 日 ，我 国 首 座 示 范 性 光 伏 温 室 在 甘 肃省 嘉 峪 关 建 成 ，该 光 伏 温 室 的 建 成 对 于 我 国 现 代 设 施 农业 具 有 显 著 的 示 范 意 义［ 9］。 而 且 在 当 今 化 石 能 源 濒 临 枯竭 环 境 污 染 严 重 的 背 景 下 ，光 伏 温 室 将 无 疑 会 成 为 中 国设 施 园 艺 产 业 突 破 资 源 环 境 瓶 颈 制 约 ，调 控 环 境 污 染 ，保证 我 国 冬 季 设 施 产 品 的 长 期 有 效 供 给 的 重 要 手 段 之 一 。此 外 ，由 于 光 伏 发 电 不 仅 解 决 了 取 水 灌 溉 、机 械 动 力 所 需要 的 供 电 问 题 ，还 可 以 产 出 多 余 的 电 力 上 网 输 出 。 因 此 ，光 伏 农 业 是 符 合 生 物 链 关 系 和 生 产 原 料 能 量 系 统 要 求 的重 要 农 业 工 程 形 式 。 从 长 远 来 看 ，发 展 光 伏 农 业 不 仅 可以 解 决 光 伏 产 业 与 农 业 发 展 争 地 的 现 状 ，对 于 我 国 的 农业 转 型 也 具 有 重 要 意 义［ 10 ］。 因 此 ，为 了 更 好 地 研 究 适 合我 国 工 业 发 展 生 产 的 光 伏 温 室 ，许 多 人 开 始 了 对 光 伏 温室的研究 。 但是 ，大多数都还处在理论研究的阶段［ 11 - 14 ］。昝 锦 羽 等［ 15 ］基 于 云 南 省 昆 明 市 冬 至 日 的 气 候 特 点 ，使 用 Ecotect 软 件 建 立 光 伏 温 室 大 棚 模 型 ，通 过 改 变 屋 顶光 伏 面 板 的 排 布 方 式 ，分 别 采 取 排 布 一 排 、两 排 紧 密 式 光伏 电 池 和 一 排 、两 排 棋 盘 式 光 伏 电 池 ，来 模 拟 研 究 温 室 内的 温 度 和 温 室 内 外 温 度 差 ，通 过 比 较 研 究 温 室 模 拟 出 的结 果 发 现 ，在 使 用 相 同 数 量 的 电 池 组 件 排 布 下 ，紧 密 型 温室 大 棚 棚 内 温 度 和 棚 内 外 温 度 差 较 大 ，棚 内 温 度 较 恒定 。 此 外 ，孙 迎 龙［ 16 ］还 应 用 CFD 模 拟 了 江 苏 省 常 州 市 嘉泽 地 区 光 伏 连 栋 玻 璃 温 室 内 部 的 温 度 和 气 流 流 动 ，通 过对 比 模 拟 值 和 测 量 值 ，发 现 CFD 模 拟 的 数 据 和 测 量 的 数据 出 入 不 大 ，说 明 了 运 用 CFD 模 拟 的 可 靠 性 和 运 用 CFD模 拟 确 实 可 以 对 光 伏 温 室 的 建 设 起 到 指 导 作 用 。 为 了 验证 CFD 模 拟 是 否 可 行 ，孙 迎 龙［ 17 ］还 通 过 CFD 模 拟 软 件 模拟 验 证 了 在 自 然 通 风 条 件 下 光 伏 玻 璃 温 室 的 温 度 场 。 结果 表 明 ，光 伏 玻 璃 温 室 室 内 的 温 度 测 量 结 果 和 CFD 软 件的 模 拟 结 果 绝 对 误 差 均 值 为 0 .96 ℃ ，相 对 误 差 均 值 为2 .94 。 这 表 明 CFD 软 件 的 模 拟 温 度 场 结 果 和 试 验 测 量的结果基本吻合 ，验证了 CFD 软件模拟的可行性 。3 光伏温室研究展望目 前 对 光 伏 温 室 的 研 究 有 很 多 ，但 绝 大 多 数 主 要 是针 对 光 伏 温 室 大 棚 中 小 气 候 环 境 实 际 测 量 得 到 的 实 验 数据 ，以 及 少 数 影 响 温 室 参 数 的 模 拟 实 验 。 较 少 文 献 是 针对 光 伏 温 室 的 设 计 上 的 系 统 研 究 。 而 且 与 普 通 的 日 光 温室 相 比 ，光 伏 温 室 的 投 资 较 高 ，一 旦 建 成 修 改 的 可 能 性 很小 ，如 果 能 在 建 造 前 期 模 拟 要 建 造 温 室 的 内 部 环 境 就 会事 半 功 倍 。 对 此 ，建 议 在 建 造 光 伏 温 室 大 棚 前 期 可 以 开展 计 算 模 拟 实 验 ，以 了 解 建 造 参 数 对 温 室 内 部 气 候 的 影响 规 律 ，对 温 室 建 造 设 计 起 到 指 导 作 用 。 而 且 运 用 计 算机 软 件 模 拟 具 有 实 验 周 期 短 、实 验 成 本 低 、适 用 性 好 、灵活 性 高 的 特 点 ，这 也 将 减 少 财 力 、物 力 、人 力 和 时 间 上 的不 必 要 消 耗 。 可 以 通 过 对 比 多 组 模 拟 实 验 结 果 ，总 结 规律 ，作 为 建 造 和 设 计 光 伏 温 室 的 依 据 ，提 高 光 伏 温 室 的 辐照 利 用 率 ，真 正 实 现 农 业 光 伏 的 多 重 收 益 。 因 此 ，为 了 更光伏温室的研究综述· 160 ·第 4 期加 深 入 地 了 解 和 研 究 光 伏 温 室 ，建 议 在 设 计 和 建 造 光 伏温 室 前 可 以 使 用 类 似 CFD 这 种 计 算 模 拟 软 件 先 建 立 光 伏温 室 大 棚 的 模 型 ，对 光 伏 温 室 的 内 部 环 境 进 行 模 拟 实 验 ，先 得 到 光 伏 温 室 的 内 部 热 场 分 布 ，可 以 借 鉴 前 人 的 经 验 ，适 当 调 整 温 室 大 棚 的 尺 寸 、光 伏 组 件 的 覆 盖 率 、排 布 方式 ，模 拟 对 比 实 验 结 果 ，探 索 温 室 尺 寸 、光 伏 组 件 遮 挡 率 、排 布 方 式 对 其 的 影 响 规 律 ，将 热 场 分 布 研 究 应 用 于 光 伏温室大棚的设计上 。参考文献 ［ 1］ Cossu M ，Murgia L ，Ledda L ，et al. 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