張曦文 劉鐵東 徐永

摘要：該文簡(jiǎn)述了光伏溫室作為一種新型的溫室技術(shù)形式，其所具有清潔環(huán)保，低碳高效，可兼顧栽培生產(chǎn)和光伏發(fā)電等特點(diǎn)。歸納了該技術(shù)在應(yīng)用過程中受到地理位置、氣候、材料和設(shè)計(jì)等制約因素的影響?？偨Y(jié)了近幾年來，光伏溫室在能量平衡、光分布與模擬、覆蓋材料等方面的進(jìn)展，闡述了以新型的半透明型光伏材料為代表的光伏溫室新的發(fā)展方向。提出了適合中國國情、有較好應(yīng)用前景的光伏溫室發(fā)展思路。

關(guān)健詞：光伏溫室；光分布；溫室結(jié)構(gòu)

張曦文，劉鐵東，徐 永. 光伏溫室技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（32）：69-76.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣性、能源利用的多元化和農(nóng)業(yè)分工的差異化，使設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展出新的形態(tài)。光伏溫室是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效化、集約化、智能化的集中體現(xiàn)[1]，它兼具高操作性和高可靠性，能有效抵御以病蟲草害和氣候?yàn)?zāi)害為主要威脅的環(huán)境損害[2]，主動(dòng)調(diào)整蔬菜生產(chǎn)時(shí)期[3]，有效的減少生產(chǎn)成本和能源消耗[4]。通過不同溫室類型和覆蓋材料的選擇與搭配，比較這些溫室的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展新的溫室技術(shù)，從而達(dá)到降低能源消耗、減少生產(chǎn)成本的目的，這些都是溫室行業(yè)今后發(fā)展的重要方向[5，6]。

歐洲是溫室發(fā)展較早的地區(qū)，其中發(fā)源于南歐地區(qū)的“地中海溫室”分布最為廣泛，曾一度是最主要的溫室生產(chǎn)類型[7]。這種溫室以塑料為覆蓋材料，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造成本低、供熱要求少等特點(diǎn)[8-10]，但其明顯的缺點(diǎn)是冬季無法滿足蔬菜生長(zhǎng)所需的光熱條件。因此，塑料覆蓋的溫室只適用于冬季氣候溫和、太陽輻射較為豐富的地區(qū)[11-13]。但這類地區(qū)的問題是，夏季高溫高光強(qiáng)，僅靠覆蓋雖然可以減少光照強(qiáng)度，但無法依靠自然通風(fēng)來降低溫室內(nèi)的溫度。因此，只能依靠空調(diào)、水冷、或遮陽系統(tǒng)進(jìn)行溫度的控制。以意大利為例，大約20%到30%的溫室配備有制冷或制熱的空調(diào)設(shè)施[14]，這類系統(tǒng)不僅會(huì)增加額外的投資，還會(huì)直接增加能源消耗，降低生產(chǎn)效率。

另一方面，自然生態(tài)系統(tǒng)中的太陽輻射是自然界和常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能量來源，傳統(tǒng)溫室的覆蓋如遮陽網(wǎng)、隔熱板等只能阻截和反射太陽輻射，不能對(duì)其進(jìn)行有效的利用。不管是輻射量較多的夏天還是輻射量較少的冬天，其利用率都較低。特別是在冬天，還要依賴化石能源的投入來進(jìn)行加溫。為降低現(xiàn)代溫室對(duì)化石能源消耗的依賴，出現(xiàn)了各種溫室調(diào)控技術(shù)，如空氣熱泵[15]、生物能[16]、光伏系統(tǒng)[17]等。完美的溫室要實(shí)現(xiàn)常規(guī)能源的零輸入，在新的溫室技術(shù)中，由光伏系統(tǒng)構(gòu)成的光伏溫室，能夠有效截獲并利用多余的太陽輻射能量（圖4）[14]，提高能量利用效率，已經(jīng)成為降低化石能源消耗的有效形式，取得了較大可喜的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

溫室內(nèi)過度的太陽輻射迫使人們控制其內(nèi)部的微氣候環(huán)境，以防止對(duì)農(nóng)作物造成損害。由于強(qiáng)太陽輻射與高空氣溫度直接相關(guān)，這就使控制系統(tǒng)變得十分復(fù)雜。光伏系統(tǒng)的引入可以在很大程度上解決過剩光能的利用問題。在光伏溫室中，過剩的光能被用來發(fā)電，并可為溫室的冷卻提供能量。光伏能源具有天然、環(huán)保、清潔、無噪音等的優(yōu)點(diǎn)。光伏溫室能集約化地利用土地，生產(chǎn)效率高，既不會(huì)影響長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也不會(huì)對(duì)土壤的肥力產(chǎn)生危害[18]，在光輻射資源充足的熱帶和亞熱帶地區(qū)，還可以調(diào)控進(jìn)入溫室的光輻射，從而減少過高的光強(qiáng)對(duì)植物造成的損傷[19]。光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般要考慮以下幾個(gè)要素：位置朝向、遮蔭措施、環(huán)境溫度、輻照量、風(fēng)速、PV電池板的比例等[20，21]。因此，光伏溫室設(shè)計(jì)必須充分考慮環(huán)境因素，氣候環(huán)境、覆蓋度、安裝角、土壤、海拔高度、風(fēng)（空氣流通）、覆蓋材料類型、材料結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)植物類型、優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)[22]等，這些因素都會(huì)影響到溫室內(nèi)外的能量平衡和利用[23]。因此，在光伏溫室的實(shí)際應(yīng)用中，必須綜合考慮上述因素，才能充分發(fā)揮自身的功能和優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)國外近年來在光伏溫室研究方面的進(jìn)展做一綜述，供全國有關(guān)方面的科研人員設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)的參考。

一、光伏溫室內(nèi)的光強(qiáng)分布

作物生長(zhǎng)對(duì)光照有絕對(duì)的依賴性，一般而言，損失1%的光照就會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)1%[24]。但在光照資源充沛的地區(qū)，過多的太陽輻射可能會(huì)妨害作物的生長(zhǎng)，這類地區(qū)的溫室可以發(fā)揮重要的輻射調(diào)節(jié)作用[25]。早期的光伏溫室因?yàn)楦采w度過大，導(dǎo)致輻照量不足，無法完成正常的植物生產(chǎn)。在和傳統(tǒng)的溫室覆蓋材料對(duì)比中，可以發(fā)現(xiàn)光伏溫室材料的遮光率存在顯著的差異（圖1）。當(dāng)前，為確保溫室屋頂上的光伏模塊不會(huì)影響到作物正常的光合作用，溫室頂部光伏板的投射面積一般要控制在溫室面積的25%到50%的臨界值之內(nèi)[18，26]。但作物生長(zhǎng)所需要的溫度和有效輻射都依賴于入射到溫室內(nèi)的光強(qiáng)水平，通常，光伏溫室內(nèi)的溫度、濕度分布比較均勻，而光照強(qiáng)度則會(huì)隨著時(shí)間和位置而發(fā)生明顯的變化[26]。

為了實(shí)現(xiàn)較高的自然光利用效率，減少能耗水平，必須在發(fā)電和植物種植中找到平衡，這也是光伏溫室研究的主要方向。一方面，為了提高輻照量和入射光的均勻性，可以在溫室的迎光面上將PV板布置成格珊型（圖2）[27]，這樣就可以在保證入照輻射的基礎(chǔ)上提高光分布的均勻性，并且可以實(shí)現(xiàn) PV模塊達(dá)到50%的最高遮光率。另一方面，一種新型的動(dòng)態(tài)光伏溫室結(jié)構(gòu)也開始投入使用（圖3）。其特點(diǎn)是PV板動(dòng)態(tài)可調(diào)，能自動(dòng)適應(yīng)太陽高度角，自動(dòng)尋找最優(yōu)的溫室內(nèi)輻射強(qiáng)度供給植物生長(zhǎng)，同時(shí)由于PV板的遮蔭作用，可以避免強(qiáng)光對(duì)作物的損害。具體而言，動(dòng)態(tài)光伏溫室具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）根據(jù)作物的需求形成不同的遮蔭效果，達(dá)到控制光照強(qiáng)度的目的；2）有效地在光伏發(fā)電和植物生產(chǎn)間實(shí)現(xiàn)平衡；3）減少由于PV板的反射帶來的光能損失；4）可以實(shí)現(xiàn)更高的PV板覆蓋率（圖4）[27]。

這種格柵式的布置方法已經(jīng)受到業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和應(yīng)用，當(dāng)PV板覆蓋率為12.9%時(shí)，溫室可以獲得720W的最高光伏發(fā)電量，PV模塊的遮光效果也能達(dá)到最佳[28]。當(dāng)PV模塊覆蓋率為10%時(shí)，改結(jié)構(gòu)的溫室并不會(huì)對(duì)西紅柿的產(chǎn)量和生產(chǎn)成本產(chǎn)生顯著的影響[29]。但PV模塊的排列方式則會(huì)顯著影響透射效果。棋盤式排列方式透射光的均勻度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于線性排列，Welsh洋蔥的種植實(shí)驗(yàn)表明，其在線性排列的PV模塊下遮蔭嚴(yán)重，而在棋盤式排列下所受的影響則大大減少[30]。

二、光伏溫室的能量平衡

光伏溫室能量平衡的研究著重關(guān)注以下兩個(gè)方面問題，一是光伏模塊的發(fā)電能力，二是溫室內(nèi)作物的生產(chǎn)水平。在歐洲，光伏發(fā)電的規(guī)模從2004年的1GW上升到2013年的88GW[31]，但其中由溫室貢獻(xiàn)的比例仍然較小。以意大利為例，2012年只有6%的發(fā)電來自溫室上面所覆蓋的PV板[32]。日本學(xué)者Yano[33]在2005年就已經(jīng)用溫室頂部放置的PV模塊進(jìn)行發(fā)電，并用汽車蓄電池儲(chǔ)電，從而驅(qū)動(dòng)可控的通風(fēng)系統(tǒng)。栽培作物的生產(chǎn)力水平受到溫室內(nèi)的溫度[34]、相對(duì)濕度[35]、光照水平[36]和CO2濃度[37]等微氣候因素的影響[38]，這些因素同時(shí)影響著真菌和病毒的傳播與繁殖[39]。同時(shí)，通過環(huán)境控制，在溫室內(nèi)能有效地調(diào)控栽培作物的培育時(shí)間，實(shí)現(xiàn)如反季生產(chǎn)等高經(jīng)濟(jì)附加值的栽培生產(chǎn)方式。

光伏模塊的布置方式在很大程度上影響著作物的生產(chǎn)水平和溫室內(nèi)的能量水平，在指定地點(diǎn)計(jì)算太陽高度角變化時(shí)，南北方向低傾斜角模塊的溫室能產(chǎn)生更多的電能[40]。光伏模塊面積僅占溫室面積0.2%的光伏發(fā)電就已足夠驅(qū)動(dòng)溫室內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)[41]。這表明光伏模塊的規(guī)模有足夠的擴(kuò)展空間并形成更大的負(fù)載能力。然而，隨著PV模塊面積的增加，在PV模塊下的陰影區(qū)域也會(huì)增加，因此植物的生長(zhǎng)也將受到影響。除了PV模塊面積的大小外，在屋頂上光伏模塊的位置和方向也是影響發(fā)電能力和遮蔭水平的重要因素。例如，在北半球南北走向的溫室里，安裝在溫室屋頂最北端的光伏模塊具有最小的投影面積。當(dāng)其傾斜角度為0時(shí)，該光伏模塊將獲得最大的發(fā)電量[42]。對(duì)于一個(gè)東西走向的溫室，朝南的屋頂適合用于鋪設(shè)光伏發(fā)電模塊，但這時(shí)光伏模塊在溫室內(nèi)產(chǎn)生的陰影最大。當(dāng)50%的屋頂區(qū)域被光伏（PV）模塊覆蓋時(shí)，光伏系統(tǒng)的引入將使溫室內(nèi)的太陽輻射減少64%。溫室內(nèi)太陽輻射的分布在南北方向上有一定的梯度，在南側(cè)壁上能接收到更多的太陽能輻射，到了溫室的中心部分輻射逐漸減少[43]。由于PV模塊的遮光作用，它對(duì)溫室內(nèi)植物的鮮重和干重都具有一定的負(fù)面影響，在PV模塊覆蓋了13%的溫室屋頂下種植威爾士洋蔥的結(jié)果表明，作物產(chǎn)量的平均損失為25%[44]。在PV模塊覆蓋了9.8%的溫室屋頂下種植番茄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它對(duì)所生產(chǎn)水果的大小、硬度和顏色都有負(fù)面影響[45]。但對(duì)于羅勒和黃瓜的種植，當(dāng)溫室屋頂上的光伏模塊覆蓋度低于20%時(shí)，其生物產(chǎn)量和干重都沒有受到顯著的影響[46]。

使用不透明和半透明的PV模塊有助于更好地實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)輻射的可控性，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的植物生長(zhǎng)環(huán)境[47]。因此，如何在溫室內(nèi)形成既滿足植物生長(zhǎng)需求的基本光照條件，又可以充分挖掘太陽輻射的發(fā)電潛力，同時(shí)還可控制遮蔭規(guī)模，就成了光伏溫室研究的核心問題[48]。實(shí)現(xiàn)這一目的的三個(gè)主要技術(shù)方向分別是：光伏溫室的設(shè)計(jì)優(yōu)化[49]；高透明度的光伏材料[50]和有機(jī)光伏材料[51]的研發(fā)；以及高適應(yīng)性的植物物種選擇與培育[52]。

三、光伏溫室覆蓋材料的應(yīng)用

覆蓋材料是封閉溫室中影響微氣象條件最重要的因素，玻璃、半硬性的塑料、塑料薄膜等是最常用于溫室的覆蓋材料。與大田種植相比，這些覆蓋材料是決定溫室能否有效避免不利的天氣條件，營(yíng)造相對(duì)穩(wěn)定的適宜作物生長(zhǎng)的溫室微氣候環(huán)境的重要因素。通過調(diào)節(jié)覆蓋材料對(duì)可見光和紅外光的透射率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)氣候的調(diào)節(jié)。在太陽輻射中有接近50%的能量來自波長(zhǎng)700-2500 nm的近紅外輻射（NIR），40%的能量來自于光合有效輻射（PAR），即波長(zhǎng)介于400-700 nm間的可見光，而在波長(zhǎng)為500 nm左右太陽輻射的能量最強(qiáng)[53]。一般意義上的透射系數(shù)指的是300-2500 nm間透過覆蓋材料的太陽輻射，其中PAR的透射系數(shù)決定了可以被植物有效利用的光輻射，會(huì)顯著影響溫室的功能及植物的生長(zhǎng)發(fā)育，因此也是透射系數(shù)中最重要的部分。長(zhǎng)波輻射能量在溫室內(nèi)的損失程度取決于覆蓋材料對(duì)波長(zhǎng)高于3000 nm輻射的透射率。而在室溫下7500-12500 nm是溫室對(duì)外輻射能量最大的波長(zhǎng)范圍[54]。溫室內(nèi)的氣溫受到覆蓋材料輻射系數(shù)的影響，這是長(zhǎng)波紅外熱輻射能量的量度：如果覆蓋材料有較高的透射系數(shù)，溫室內(nèi)損失的能量也較高。

因此，溫室覆蓋材料的透射特性在降低能耗方面有著重要的作用[49]。在溫室的冷熱調(diào)節(jié)中都能進(jìn)行能量存儲(chǔ)的創(chuàng)新型覆蓋材料就會(huì)極大地推動(dòng)商業(yè)性溫室行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。此外，使用能改變太陽輻射光譜分布的覆蓋材料可以有效地促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而取代農(nóng)用化學(xué)品。在最近的幾十年里，研究人員一直致力于改善玻璃類覆蓋材料的輻射特性，而近些年來塑料薄膜已經(jīng)成為最廣泛的溫室材料[49]。塑料薄膜與玻璃有很大的不同，其特點(diǎn)是低成本，且只要一個(gè)較輕的支撐架。此外，它們具有良好的光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能，具有良好的抗化學(xué)性能，并且具有相當(dāng)大的抗微生物降解的能力。不同種類的塑料薄膜是由不同的原料和添加劑制成的，下面將列出在溫室中最常用的幾種塑料薄膜覆蓋材料。

（1）低密度聚乙烯（LDPE）

低密度聚乙烯是最常用的覆蓋材料，具有良好的機(jī)械和輻射性能。在波長(zhǎng)范圍為200-2500 nm的情況下，LDPE薄膜的總透射率與玻璃相似。另一方面，在更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外輻射中，LDPE具有較高的透射率。

（2）乙烯醋酸乙烯酯（EVA）

它是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，其特點(diǎn)是在長(zhǎng)波紅外輻射的透射率較低，能減少溫室內(nèi)熱紅外的能量損耗。

（3）乙烯基-四氟乙烯共聚物（ETFE）

這是一種新型的薄膜材料，它具有非常好的輻射度性能，兼具高可見光透射率和低紅外輻射透射率。ETFE的成本比LDPE和EVA要高，但其使用壽命可長(zhǎng)達(dá)15年。

表1給出了上述溫室覆蓋材料的平均透射率。雖然塑料薄膜的透射率比玻璃高近10%，但LDPE的紅外透射率超過50%，對(duì)溫室效應(yīng)有負(fù)面影響，EVA的透射率達(dá)到25%左右，ETFE接近10%。但這三種材料在PAR上的透射率都高于玻璃的透射率，且相差不大。

四、半透明光伏材料的發(fā)展

可再生能源的生產(chǎn)、生產(chǎn)活動(dòng)的多樣化、光伏技術(shù)的發(fā)展和綜合系統(tǒng)的進(jìn)步共同促進(jìn)了光伏溫室的發(fā)展[55]。傳統(tǒng)的光伏硅太陽能電池板是不透明的，也不能使太陽輻射穿透進(jìn)溫室。因此，在這種溫室下種植植物就會(huì)出現(xiàn)問題，而且很難產(chǎn)生溫室效應(yīng)來改善作物的微氣候條件。此外，由于溫室內(nèi)不同部位的光照分布不均，各種被動(dòng)調(diào)控措施，如遮陽網(wǎng)和熱護(hù)罩、自然或強(qiáng)制通風(fēng)、噴水或蒸發(fā)水等的效益均不突出。這些都使得光伏電池材料的研發(fā)成為解決這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)是制造半透明的光伏薄膜電池，這項(xiàng)技術(shù)促進(jìn)了對(duì)剩余太陽能的開發(fā)和利用，除了直接用于冷卻系統(tǒng)外還可以將剩余的電能直接輸出，創(chuàng)造額外的效益等。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在開發(fā)一種具有部分透明特性的太陽能電池材料，這種材料可以在柔性板或半透明的硬板上進(jìn)行安裝，從而使植物在受保護(hù)的環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)也能獲得所需的陽光。

一種典型的半透明光伏電池材料對(duì)入射的太陽光具有選擇透過的特性，通過把太陽光光譜分成植物光合作用部分和PV發(fā)電部分，可以兼顧植物生產(chǎn)和光伏發(fā)電。由于作物栽培時(shí)特別重要的是在400-700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的陽光，這段光譜就被指定為光合作用輻射（PAR）。波長(zhǎng)超過700 nm的輻射可以用于栽培植物之外的其他用途。Sonneveld等人[56]開發(fā)了一種溫室屋頂光伏系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以讓植物生長(zhǎng)所需的光合有效輻射穿過光伏電池材料，但卻能捕獲近紅外輻射，用于發(fā)電和蓄熱。菲涅耳透鏡溫室能夠直接利用光束密度的特性，將入射光分為直射和漫射兩個(gè)部分，屋頂能夠收集直射到光伏板和熱量收集模塊上的太陽光輻射，而漫射部分則不受影響，可以直接照射到植物上[57]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過技術(shù)的發(fā)展和精巧的設(shè)計(jì)完全可以實(shí)現(xiàn)兼顧植物生長(zhǎng)和溫室控制所需電力的太陽能光伏溫室[30]。一旦研發(fā)出透射率較好的光伏薄膜電池，這一目標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)。Marucci的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光伏薄膜能取得較好的透射效果（圖6）[58]。光伏薄膜材料對(duì)于波長(zhǎng)大于650 nm光的透射率較低，在可見光部分只有EVA薄膜的50%，而EVA薄膜材料有接近90的透射率，光伏薄膜電池可透過很多近紅外光，而對(duì)遠(yuǎn)紅外光的透射率幾乎是零。

一旦確定了光伏電池的透過率和透過光譜的分布，就可以在光伏屋頂上用柔性的半透明光伏電池板替代傳統(tǒng)的剛性和不透明的普通硅面板。易彎曲的新型光伏電池板可以隨意鋪設(shè)，陽光充足時(shí)可進(jìn)行遮陽發(fā)電，陽光低于或接近植物需要之時(shí)可完全收起，從而具有較高的可調(diào)節(jié)性能。這些半透明的晶片材料必須確保溫室內(nèi)的光照達(dá)到植物所需的太陽輻射水平，并產(chǎn)生足夠的溫室效應(yīng)。通過這種方式，我們就可以將電力生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合起來，利用光伏電池來生產(chǎn)電能。

另一種典型的發(fā)展方向是顆粒性的半透明光伏材料，其結(jié)構(gòu)較為特殊。這種光伏模塊由微型太陽能電池構(gòu)成，且分布調(diào)節(jié)較為靈活，例如布置1500個(gè)微型球形太陽能電池于108 mm×90 mm的平面上，能夠?qū)崿F(xiàn)39%的覆蓋率。相同面積布置500個(gè)電池，可實(shí)現(xiàn)13%的覆蓋率。兩者太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率分別為4.5%和1.6%，可見光伏模塊整體的能量轉(zhuǎn)化效率十分穩(wěn)定[59]。

顆粒性半透明光伏電池體積小，各向同性的感光能力強(qiáng)，是新型的熱門太陽能電池材料[60]。雖然在溫室中，屋頂和側(cè)壁的方向不同，但顆粒性太陽能電池沒有方向性的偏好。由于這個(gè)原因，電池在不同的陽光照射角度下都會(huì)持續(xù)地進(jìn)行發(fā)電。因此，它們適用于嵌入式的溫室的屋頂和側(cè)壁。使用半透明的PV模塊可以兼顧發(fā)電和溫室內(nèi)作物的生產(chǎn)，它所產(chǎn)生的電力足夠供溫室內(nèi)其他環(huán)境控制設(shè)備的用電需求[58，61，62]。在混合型的光伏系統(tǒng)中，其組件可能包括光伏太陽電池板、轉(zhuǎn)換器、充電控制器和電池組。使用PV板和制冷模塊可以兼顧發(fā)電和制冷[63]，將PV板和加熱模塊混用，則可兼顧發(fā)電和供熱[64]。使用PV板和近紅外反射模塊可以有效提高能量的利用效率[65]。用不透明的PV模塊覆蓋50%的南北走向的溫室屋頂會(huì)降低64%的太陽輻射，覆蓋東西走向的溫室屋頂將降低82%，用半透明的PV模塊進(jìn)行覆蓋則降低46%[26]。

五、光伏溫室內(nèi)光環(huán)境的擬合

溫室內(nèi)微氣候的精準(zhǔn)模擬，是布置溫室的先決條件。溫室的幾何結(jié)構(gòu)和方位，覆蓋材料的輻射度特性，屋頂PV板的分布，溫室的位置等都極大地影響著進(jìn)入溫室的光合有效輻射的多少[66]。手動(dòng)測(cè)量的方法很難準(zhǔn)確地反應(yīng)溫室內(nèi)的整體光照水平，數(shù)學(xué)軟件模擬和氣象資料的擬合結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果可以控制在實(shí)際值的20%以內(nèi)，能夠作為自動(dòng)控制的參考[67]。

Fatnassi[68]用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型模擬了兩種不同的光伏溫室（非對(duì)稱式和Venlo式），模擬了太陽輻射分布、熱空氣、水蒸氣和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，考慮了作物的覆蓋特性和作物與氣流之間的相互作用。光伏電池板陣列的兩種排列方式為直線和棋盤式布局。

對(duì)溫室內(nèi)的熱、動(dòng)力和輻射場(chǎng)進(jìn)行模擬的結(jié)果表明：（1）太陽輻射在Venlo溫室中比在不對(duì)稱的溫室中分布更均勻。平均而言，非對(duì)稱溫室平均太陽輻射的透過率為41.6%，而Venlo溫室氣體的平均透過率為46%。（2）與直線排列相比，棋盤式光伏板的安裝改善了溫室內(nèi)光照空間分布的均勻度。

在歐盟EN13031-1標(biāo)準(zhǔn)的光伏溫室中，使用Autodesk? Ecotect? Analysis （Autodesk，Inc.，San Rafael，CA，USA）[69]對(duì)日光及加上不同光伏模塊后溫室內(nèi)的日照量的分析表明，假設(shè)玻璃透射率τg=0.95，構(gòu)成PV板的塑料結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的反射率ρp=0.81，水泥地板的反射率為ρp=0.55，同時(shí)計(jì)入其他可能的影響因素，在0%，20%，30%和50%覆蓋率下的計(jì)算及擬合結(jié)果如下，其中CR=0%時(shí)，DF為71.4%，CR=50%時(shí)，DF=50%。

在此模型的計(jì)算過程中所用的參數(shù)包括：

晝光系數(shù)（采光系數(shù)）DF （daylight factor）：在室內(nèi)給定平面上的一點(diǎn)，由直接或間接地接收來自假定或已知亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度與同一時(shí)刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比。

覆蓋系數(shù)CR（cover ratio）：被PV電池板覆蓋部分的面積與溫室屋頂總面積之比。

暴露系數(shù) PE（exposed percentage）：未被PV電池板覆蓋部分的面積與溫室屋頂總面積之比。

模擬計(jì)算后得到的擬合公式為[70]： （1） DF=0.4262CR+70.954；（2） ΔDF=0.4379CR；（3） PE=0.5789CR+77.53；（4） ΔPE= 0.5708CR

六、光伏溫室未來的發(fā)展

綜上所述，光伏溫室在近些年來已經(jīng)取得了一些進(jìn)步，各項(xiàng)技術(shù)也日臻成熟，但其在發(fā)展過程中也會(huì)受到多種不同因素的影響。在未來發(fā)展的方向上，我們要著重關(guān)注以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：

（1）開發(fā)高效的光伏面板，提高光伏發(fā)電效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)開發(fā)出地區(qū)適應(yīng)性更廣的光伏發(fā)電材料；（2）加強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)在不同光照條件下透光系數(shù)可調(diào)的光伏溫室系統(tǒng)，以適應(yīng)不同氣候條件及不同種植品種的需求；（3）提高對(duì)現(xiàn)有光伏溫室系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確率，為光伏溫室的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)布置奠定良好的理論基礎(chǔ)；（4）重視覆蓋材料以外的建筑材料，以節(jié)能高效為主要目標(biāo)，構(gòu)建溫室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，全面系統(tǒng)地完善光伏溫室結(jié)構(gòu)；（5）發(fā)展適宜溫室生產(chǎn)的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)及其它溫度調(diào)節(jié)技術(shù)，有效降低溫室的能耗；（6）培育適合市場(chǎng)和環(huán)境需求的植物栽培品種，使光伏溫室真正貼近生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

從總體上看，光伏溫室目前還處于發(fā)展的初級(jí)階段，國內(nèi)也有不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)做了很多很好的嘗試，有成功的例子，也有失敗的教訓(xùn)。但這些工作大多數(shù)是嘗試性的或試驗(yàn)性的，很少看到有學(xué)者對(duì)光伏溫室做系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究的文章。本文綜述了能夠找到的迄今為止國外在這方面的研究成果，可以看出，國外有不少學(xué)者在這方面確實(shí)做了不少踏踏實(shí)實(shí)的工作，可以供國內(nèi)同行在做相關(guān)研究時(shí)的參考和借鑒。希望這篇文章能夠起到拋磚引玉的作用，促進(jìn)國內(nèi)光伏溫室事業(yè)的發(fā)展。

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