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）

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）

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。

光伏温室；热场分布；CFD模拟；设计建造

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960m2）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68kWp，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Onoe 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1.8mm的晶体硅球形微太阳电池以15.4个/cm2电池的密度排布在108mm× 90mm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 G N等［7］运用CAD-3D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Poncet 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。

［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.甘肃嘉峪关建成国内首座示范性光伏温室［J］.农业工程技术（温室园艺），2012（5）：87.

［10］阮晓东.光伏农业：绿色新路［J］.新经济导刊，2014 （3）：30-33.

［11］柴江权，夏明建.光伏温室发展前景广阔［J］.长江蔬菜，2015（3）：3-4.

［12］刘辉，傅巧娟，沈国正，等.薄膜光伏太阳能大棚在杭推广前景分析［J］.杭州科技，2012（4）：44-47.

［13］曹飞，张冬霞.论述薄膜太阳能大棚应用现状及发展［J］.商品与质量（消费研究），2015（5）：275.

［14］高腾飞，李建功.基于驻马店农业发展的现代化薄膜光伏大棚可行性探索［J］.建筑节能，2015（9）：30-33.

［15］昝锦羽.光伏温室大棚若干问题的研究［D］.昆明：云南师范大学，2013.

［16］孙迎龙.光伏玻璃温室内温度和气流分布的CFD分析研究［D］.镇江：江苏大学，2014.

［17］孙迎龙，王新忠.光伏玻璃温室自然通风条件下的CFD模拟验证［J］.农机化研究，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。