光伏发电温室的现状及技术前景研究.docxVIP

第 卷 第 期农 业 工 程 学 报Transactions of the CSAE年月光伏发电温室的现状及技术前景研究魏晓明，周长吉，丁小明，鲁少尉，曹楠（农业部规划设计研究院设施农业研究所，北京 100125）摘 要：光伏发电温室是采用光伏电池组件作为屋面覆盖材料，部分替代传统的玻璃和 PC 板，实现温室作物生产与光伏发电的有机结合。本文在充分分析和研究国内外光伏发电温室技术现状的基础上，以太阳能薄膜电池为研究对象， 第 卷 第 期 农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE 年 月 光伏发电温室的现状及技术前景研究 魏晓明，周长吉，丁小明，鲁少尉，曹楠 （农业部规划设计研究院设施农业研究所，北京 100125） 摘 要：光伏发电温室是采用光伏电池组件作为屋面覆盖材料，部分替代传统的玻璃和 PC 板，实现温室作物生产与光 伏发电的有机结合。本文在充分分析和研究国内外光伏发电温室技术现状的基础上，以太阳能薄膜电池为研究对象，对 其透过太阳光的光质、光强与作物光合作用要求的光谱以及温室屋面倾角对光伏发电量的影响进行了深入系统的研究。 结果表明：1)太阳能薄膜电池作为温室屋面覆盖材料可充分满足叶菜类作物对红光的生长需求，但需要通过太阳能薄膜 电池在屋面“间隔布置”等方式来补充蓝光；2）太阳能薄膜电池适宜发电倾角范围（25～35°）与常规温室屋面角范围 相符。在上述研究的基础上，本文探讨了光伏发电温室未来的技术研究方向，为今后科学指导光伏发电温室产业的健康 发展提供前瞻性的理论基础。 关键词：光伏发电温室，覆盖材料，太阳能薄膜电池 中图分类号：S625 文献标识码：A 文章编号： 魏晓明，周长吉，丁小明，等. 光伏发电温室的现状及技术前景研究[J]. 农业工程学报， 研究和系统的温室采光设计理论，光伏发电温室的光环 境能否满足作物生产需求还有待商榷。因此，本研究分 析对比了温室作物的采光生长需求以及光伏组件的透光 特性，从理论上评估光伏发电温室的技术可行性，研究 得出了光伏发电温室适宜的屋面倾角，为今后科学指导 光伏发电温室产业的健康发展提供前期的理论基础。 0 引言 近年来，在需求拉动、投资推动、政策带动的影响 下，我国设施园艺产业掀起了新一轮的发展热潮[1-2]，设 施规模已位居世界首位[3]，有效保障了我国蔬菜等园艺产 品的均衡供给，提高了农民的经营收入，有力地提升了 农业现代化的整体水平[4-6]。 由于需要给作物提供适宜稳定的温度、光照、湿度 等环境条件，配套相应环境调控装备，设施园艺生产过 程的耗能也相当巨大[7-10]。据统计，全世界每年农业生产 能耗量的 35％用于温室加温，能耗成本约占温室生产总 费用的 15％～40％[11-12]。在我国北方地区，每 667m2 连 栋温室每年仅采暖耗煤量高达 100～200t[13-14]；南方地区 每 667m2 温室夏季降温耗电量高达 20000kW·h[15]。在化 石能源濒临枯竭、节能减排压力日益加大的形势下，温 室生产对化石能源的依赖正面临着严峻的考验，严重制 约了设施园艺产业发展的可持续性。因此，发展“低碳、 节能”设施园艺，增加可再生能源在温室中的应用已成 为当前设施园艺领域研究的热点[16-17]。 太阳能光伏发电是一种新兴可再生能源利用技术， 由于同样需要利用太阳能，将温室与光伏发电系统结合 起来，实现太阳能发电与设施生产的一体化（在温室屋 面组合光伏发电系统，所产电能供温室生产使用，从而 减少生产能耗），在设施园艺行业已引起了越来越多的 关注[18-20]。我国也开展了光伏发电温室的探索性建设运 行，但由于缺乏前期的针对作物机理的设施光环境影响 1 国内外技术发展现状 1.1 国外 荷兰 Wageningen 大学开发了一种采用可以反射近红 外辐射(NIR)并透过光合有效辐射（PAR）的材料附着于 温室玻璃上的光伏发电温室，并将采光面设计成圆弧状， 从而使太阳光中的近红外辐射反射汇聚于焦点中，并在 焦点处安装光伏组件用于发电，经过监测，该类型温室 年可发电 20kW·h·m-2，并且预计通过进一步的优化设计， 可以将发电量提到 31kW·h·m-2，从而可基本满足温室生 产用能[21-23]。 日本学者 Yano 在管架大棚（4m×8m×2.4m）山 墙附近安装 0.078m2 的太阳能薄膜电池（光伏组件面积仅 为温室占地面积的 0.2%），所产生的电量用于驱动温室的 侧开窗系统，温室运行效果良好。在光伏组件空间布置 方面，其研究了在管架大棚（16m×5.4m×3.3m）上组装 相同数量的光伏组件（ 30 块，约占温室顶部面积的 12.9%），比较直线布置和上下间隔布置对温室室内阴影 及发电量的