“農地種電”型光伏電站可種植區(qū)域光溫環(huán)境參數研究

劉建+龐真真

【摘要】海南的太陽能資源豐富，光伏發(fā)電與農業(yè)結合成為新的發(fā)展模式。試驗以“農地種電”“一地兩用”型光伏電站為研究對象，分析光伏組件下部及間隔處的光溫環(huán)境。結果表明：光伏組件下部的光照度受天氣影響較小，在垂直高度上光照度呈下高上低的規(guī)律；反之，光伏組件間隔處的光照度受外界影響明顯，在垂直高度上呈現(xiàn)下低上高的規(guī)律；在水平方向上，光伏組件上檐口與間隔處的光照度高，光伏組件中部至下檐口的光照度低；在不同天氣條件下的6 h（10：00～16：00）光照度平均值可以分為3組區(qū)域，光照度最小值分別為4000、7500、21000 lx；光伏組件的遮陽作用具有一定的降溫效果。

南擁有豐富的太陽能資源，全島年日照時數達到1750～2550 h，光照率為50%～60%，太陽總輻照量5100～6300 MJ/m2，熱帶海洋氣候帶來的陣雨可經常清洗光伏電池板并為電池板降溫，保證穩(wěn)定的光伏發(fā)電效率，降低維護成本[1]。在海南發(fā)展太陽能光伏發(fā)電具有得天獨厚的自然優(yōu)勢，但是光伏發(fā)電需要大量的土地資源，成為海南發(fā)展光伏發(fā)電的制約因素。鑒于此，海南的部分光伏電站引入了“農地種電”“一地兩用”的建設方式，尋找將農業(yè)種植和光伏發(fā)電有機結合的方式。光伏和農業(yè)結合是近幾年光伏發(fā)電領域的一個重要方向，目前，各地均出現(xiàn)了以光伏發(fā)電和農業(yè)大棚結合的探索和實踐[2-8]。趙雪[9]等研究了光伏日光溫室夏季光環(huán)境及其對番茄生長的影響，結果顯示光伏日光溫室內非晶硅電池組件有助于夏季降溫，同時其室內光環(huán)境可滿足番茄的生長?！稗r地種電”型光伏電站主要是提升光伏組件的安裝高度，以此在光伏組件的下部獲得農業(yè)種植可操作的空間和區(qū)域，也能在一定程度上改善光伏組件下部的光環(huán)境參數，為農業(yè)種植提供可操作的可能。上部發(fā)電，下部種植，發(fā)電與種植均需要光照資源，尋找光照資源的合理分配方式，是實現(xiàn)發(fā)電和農業(yè)種植兩不誤的高效、立體土地利用模式的關鍵。目前該類型光伏電站在海南缺乏相關的實測研究，因此亟需研究相關的環(huán)境因子，檢測光伏組件下部種植區(qū)域是否能夠滿足種植的基本要求。

本文通過對“農地種電”型光伏電站進行相關環(huán)境參數測試，分析其空間分布規(guī)律，為該類型光伏電站的農業(yè)種植規(guī)劃提供理論基礎，同時也為其他進行該類型光伏電站建設或改進的機構提供參考。

材料與方法

試驗于2013年7月20日～

25日對位于海南省東方市（北緯19° 08′ ，東經108° 52′）某供試的“農地種電”型光伏電站進行了相關的實地測試，對“農地種電”型光伏電站光伏組件下部的光照度變化情況進行了連續(xù)的觀測。該光伏電站規(guī)劃裝機容量為50 MWp，總占地面積約2000畝（133.3hm2）。光伏組件單排水平投影寬度為3.8 m，間距為1.35 m，光伏組件的傾角為15°，下坡檐的凈空高度為2 m，上坡檐的凈空高度為2.9 m，支撐光伏組件支架的高度與傳統(tǒng)的光伏電站相比有所提高。試驗選取整個電站東部已建成的區(qū)域進行測試，光伏電站尺寸參數及測試點布置如圖1所示。在光伏組件正下方布置a、b、c三個點，光伏組件間隔區(qū)域布置d、e、f三個點。每個測試點在垂直方向上分別在20、50、80、110、150 cm的5個高度上布置測試點。光伏組件為南北布置，東西走向，a測試點位于測試區(qū)域的南側（S），f測試點位于測試區(qū)域的北側（N）。采用德國德圖（Testo-545）照度計每小時觀測1次各測試點的光照度。光照度測試點間距為900 mm，根據預試驗測試溫度在這樣的間距中無差值（儀器分辨率0.1℃）或差值僅為0.1℃。考慮到儀器精度和較小差值對要研究內容無影響，本試驗僅對光伏組件下面中部的b點與間距處中部的e點不同高度處的溫濕度進行了測試。采用日本TANDD（TR-51S）自動溫濕度記錄儀采集和記錄測試點b、e（50?110 cm高處）溫濕度。選取位于測試的光伏組件旁10 m處無遮擋的空地測試光伏組件以外的光照度和溫濕度。測試時間段均為8：00～18：00。

結果與討論

光照度

★ 不同天氣情況下各測試點光照度分布情況

對試驗期間空地處測得光伏組件以外10 h平均光照度范圍對天氣情況進行分類，選取晴間多云（平均光照度47995 lx）、陰間晴（平均光照度39369 lx）、晴轉陰（平均光照度31915 lx）、陰間小雨（平均光照度27212 lx）等4種天氣情況對各測試點6 h累計的平均光照度進行分析（圖2）。a、b、c、f測試點的平均光照度受外界條件影響較小，a、b點的平均光照度在5000 lx左右，c、f點的平均光照度在8000 lx左右，a、b、c、f 測試點的平均光照度均隨高度的增加減少；室外光照強度以及高度對d、e點的平均光照度影響明顯，除陰間小雨天氣以及陰間晴天氣條件下20 cm及50 cm高度外，d、e點的平均光照度均能達到20000 lx以上。

把不同天氣條件下每個測試點不同測試高度測試值的平均值進行比較分析（表1）。測試點d、e光照度的平均值大于20000 lx，達到21677.37 lx與31730.88 lx，與室外平均光照度比較，透過率達到43.77%與64.08%。

d、e點的光照度能夠滿足大于4000 lx光補償點的6 h累計平均光照度不小于20000 lx的采光設計標準[10]，保證日光溫室強光型蔬菜正常生長發(fā)育。而a、b點各高度的光照度均不能達到上述標準，僅適宜于部分光飽和點較低的陰性（觀葉類）花卉或藥材等作物生產，c、f適宜于陰性蔬菜（葉菜類） [11]等作物生產。

★ 外界環(huán)境對光伏組件下部光照度的影響

上述分析可以看出：在光伏組件正下方，a點的平均光照度最低，d點的平均光照度最高，且a、b、c、d點平均光照度呈遞增關系。所以對典型位置a點和d點的20 cm處和110 cm處數據進行對比分析（圖3、圖4）能夠反映光伏組件正下方光照度在高度和水平方向上的變化趨勢。a點不同高度處的光照度受天氣情況的影響較小，在不同天氣情況下光照度的數值相差不大，變化趨勢相同。a點20 cm高處在不同天氣的情況下，光照度大于5000 lx的時長為4 h，a點110 cm高處的光照度均小于5000 lx，這種現(xiàn)象與該區(qū)域的光照度均來自于散射光有關。d點正上方無遮擋，以太陽直射光為主，光照度的變化與天氣情況密切相關，且在20 cm與110 cm處光照度的變化不大。在測試的天氣情況中，d點各高度光照度大于20000 lx的時長在5 h以上，最高可以達到65000 lx。