光伏温室若干问题的探讨.docx

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光伏温室若干问题的探讨

光伏温室若干问题的探讨

　　本文分析了现有光伏温室所存在的问题，提出了光伏温室设计和建设过程中必须遵守的六大原则，最后给出了能满足这六大原则的两个设计实例。

　　光伏产业是中国乃至全球新能源发展的一个重要方向。

在现代设施农业面积逐年增加、农业生产所消耗的能源越来越大的新形势下，光伏技术与现代农业生产的结合必将蕴含着无限的商机，同时也提供了一种光伏发电与农业生产共赢的模式。

作为一种新兴的农业形式，光伏温室为现代农业的发展指明了一条用现代工业的方式发展农业的集约化、智能化、绿色化的发展道路。

　　光伏温室是将太阳能发电、现代种植和养殖技术、智能设施农业相结合的一种新型的高效节能型温室。

一方面太阳能光伏系统可直接运用于农地进行低成本的发电；另一方面可以利用透过的光线为植物的生长提供所需要的光源，既有利于植物生长，又可节约能源。

从短期来看，光伏温室的发展是摆脱光伏产业对出口的依赖，解决光伏产业困境的有效措施；从长远来看，发展光伏温室将为中国农业生产的升级转型提供重要契机。

　　国家的有关政策对光伏温室的发展也给予了大力的支持。

2014年10月11日，国家能源局、国务院扶贫开发领导小组办公室联合印发《关于实施光伏扶贫工程工作方案》，决定利用6年时间组织实施光伏扶贫工程。

方案明确了7个方面的具体工作内容，并对每项工作完成的时间进度提出了要求，同时提出了3条组织和政策保障措施。

　　2015年3月9日，国家能源局新能源司又下发了《关于转发光伏扶贫试点实施方案编制大纲的函》，为各地编制光伏扶贫实施方案提供参考依据。

其中，由地方政府对户用和基于农业设施的光伏扶贫项目给予35%初始投资补贴；户用和基于农业设施的光伏扶贫项目还贷期5年，享受银行全额贴息。

这些对光伏温室的发展无疑是一个极大的利好。

　　然而，在光伏温室大力发展的今天，我们也要清醒地看到由于缺乏统一的标准，导致光伏温室的发展存在着各种各样的问题。

这些问题如果不能很好地解决，光伏温室不仅不能得到健康的发展，而且还可能由于各种负面的影响而被扼杀在摇篮之中。

本文将对光伏温室发展中的存在的问题进行探讨，供研究者参考。

　　光伏温室的优点

　　光伏温室不仅是一个诱人的概念，还是一个具有广阔前景的产业。

统计表明，中国目前连栋温室、塑料大棚、日光温室近200万多公顷，算上每年改造和新建的光伏温室，每年的产值就可达千亿元规模，10年内可达到万亿元，这是一种裂变式的增长。

另据统计，如果将全国1%的耕地改造成为既发电又种植的高科技农场，其所发的电量相当于10个三峡电站，产生的节水效应则相当于10个南水北调中线工程。

不仅如此，光伏温室还有许多自身的优点[1]：

　　首先，可为种植、养殖基地供给能源。

光伏温室大棚能给蔬菜、花卉、苗木、牲畜等种养场所提供电力，以确保其顺利运行。

　　其次，有助于改善农民生活，增加农民收入。

保守的估算，667m2土地可安装60kW光伏系统，一年发电量多达10万kW?

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除去偿还农户贷款本息之外，年收入可以超过万元。

此外，现在国家正在大力推进文明村镇建设，其中一个重要内容便是加快农村基础设施建设，如能将太阳能照明、太阳能取暖等在农村逐步推广，这无疑将为农民提供生活便利。

　　第三，有利于种植、养殖环境系统的综合保护。

光伏温室有利于水土保湿，缓解水资源匮乏的问题。

　　第四，新型光伏系统可以帮助荒漠上的植被、灌木生长，助力风沙治理，促进畜牧业同步发展，还能有效遏制中国水土流失、草原沙化的势头，帮助修复生态。

　　此外，光伏温室还能够得到国家政策的支持，有利于提高土地利用率，促进农民再就业；缓解人地矛盾，促进可持续发展；提供发电收益，满足农业用电；发展观光农业，为绿色农业铺路；促进高效农业规模化、观光旅游生态化、传统农业工业化、设施生产智能化等等。

因此，光伏温室将是解决中国现代农业发展困境的发动机，是进一步发展农村经济、改善农民生活的必然选择，也是农业生产方式变革的大势所趋。

　　光伏温室的主要类型及其存在的问题

　　目前，广泛使用的光伏温室可分为以下三种主要类型[2]：

一是密排型光伏温室，一般在其向阳面的屋顶上铺上光伏电池用于发电，而背阳面则全透光用于增加温室内的基础光照；二是间歇型或棋盘型光伏温室，在向阳面的屋顶上间歇性地铺上光伏电池用于发电，背阳面也是全透光；三是部分透光型光伏温室，在向阳面的屋顶上全部或间歇性地铺上部分透光太阳能板，而背阳面则全透光用于增加温室内的基础光照（如图1）。

　　以上三种类型的光伏温室都不同程度地存在某种不足。

对于密排型光伏温室，温室内光照不足，遇到阴天多云或冬天光强较弱时就需要补光，且冬天温室内温度较低，不加温就无法保证植物的正常生长。

对于间歇型或棋盘型光伏温室，温室内将存在明暗相间的区域，当太阳在天空中移动时，阴影也会随之移动，使得温室内的植物间歇性地处于强光照的光抑制状态和弱光胁迫状态，影响作物的生长。

　　为了研究间歇光照对植物生长的影响，我们曾经用以下三种模式对生菜进行照射：

a）光合量子通量为100μmolm-2s-1，在24h内全亮；b）光合量子通量为200μmolm-2s-1，在24h内亮10min，暗10min交替；c）光合量子通量为154μmolm-2s-1，在24h内亮13min，暗7min交替。

这样在24h内每一种照射模式中植物所接收到的光能量密度均为100μmolm-2s-1×24h=8.64molm-2，培养周期为21天。

我们发现，在这三种照射模式下所生长的生菜的生化指标有显著的差别，包括总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、丙二醛、VC的含量和植株的高度、干重、湿重等。

图2给出了照射6周后的结果，由此可看出间歇型光伏温室产生的明暗相间的区域将会对植物的生长产生负面的影响。

　　对于部分透光型光伏温室，由于所透过的主要是远红光和红外光部分，而远红光会使植物体内的光敏色素反转，影响作物的正常生长。

图3给出了一个典型的透光型光伏电池及光敏色素的吸收光谱。

从图中可以看出，透光型光伏电池所透过的光谱正好是远红光型光敏色素Pfr吸收光谱的峰值，从而使大量的光敏色素发生反转，严重影响作物的正常生长，降低农产品的产量和质量。

　　此外，上述所有类型的光伏温室一般只能在夏天光照较强的情况下使用，在冬天和阴雨天气由于光照不足将使植物的生长受到抑制。

尤其是在冬天，由于光伏电池遮挡了部分或大部分的光照，使得温室内的光照和温度都太低而无法使用。

另一方面，如果这样的温室在冬天搁置不用的话，就会由于低温高湿而容易滋生霉菌，影响来年的使用，严重时可导致整个温室设施的荒废。

因此，必须采取措施改善这种状况。

　　光伏温室设计中必须遵守的几个原则

　　为了改变光伏温室夏天可用冬天搁置的情况，真正发挥光伏温室种植和发电的两大功能，我们提出了光伏温室设计中的六大原则：

　　种植优先的原则

　　光伏电池的引入不能大幅度地降低作物的产量和质量。

从理论上说，经过正确的设计和科学的论证，光伏电池的引入应该有利于农作物产量和质量的提升。

否则，无论是产量或质量的降低，都相当于变相占用耕地面积，这是在光伏温室建设时必须避免的一个问题。

　　高效节能的原则

　　光伏电池的引入不能增加人工补光和人工加温的能耗，否则将使光伏发电的效益得不偿失。

由于现有商用光伏电池的光电转化效率小于20%，而用于补光的高效LED灯的电光转化效率为30%左右，光-光转化效率为6%。

因此，若由于光伏电池的引入而需要进行人工补光，则光伏电池所产生的电能还不足以弥补补光的能耗；此外，如果还要进行附加的人工加温，即使100%的电能都用来加温，也只能产生太阳光中20%的热量。

因此，用温室屋顶上的光伏发电来进行人工补光和人工加温是完全得不偿失的。

　　四季皆宜的原则

　　光伏电池的引入不能使温室只适合于某些季节的使用。

目前各种类型的光伏温室一般只适应于夏季光照充足的条件下使用，在冬天或光照不足的情况下则无法正常使用。

这不仅降低了农民的收入，在某种程度上变相占用了耕地面积，而且正如上面所指出的那样，温室在冬天的搁置不用将影响来年的使用，严重时可导致整个温室设施的荒废，这也是在光伏温室建设时是必须避免的。

　　光照均匀的原则

　　光伏电池的引入不能大幅度地增加温室内光照的不均匀性。

前已提到，由于间歇型光伏温室内存在明暗相间的区域，将影响作物的生长。

因此，在使用间歇型光伏温室时不能在温室内产生较大的不均匀光照度，以免影响农作物的生长，降低农产品的产量和质量，导致变相占用耕地的现象。

　　适宜生长的原则

　　如果使用了部分透光型的光伏电池，其透过的光谱应能适合于植物的生长。

前已提及，对于部分透光型光伏温室，由于所用的材料主要是非晶硅，其透过的光谱主要是远红光和红外光部分，将使植物体内的光敏色素反转，影响作物的正常生长。

因此，必须用有效的技术手段来降低远红光的透过率，确保农作物的正常生长。

　　照度可调的原则

　　温室内的光照度必须能根据作物的生长及外界的光照情况适时可调。

前已指出，现有的光伏温室一般只适于光照充足的条件下使用，如果在建设光伏温室时能确保照度的可调性，则可以使光伏温室在任何照度下都能像普通温室那样正常使用，带来明显的经济和社会效益。

　　以上是我们就光伏温室的设计和建造提出的六个原则，这些原则的实现对于充分发挥光伏温室的种植和发电效益，提高温室内农产品的产量和质量都是有益的。

　　两个新型光伏温室的案例

　　本节中我们将给出两个能满足上述六个原则的设计实例，一个是光照度可调的漫射玻璃光伏温室，另一个是用薄膜太阳能电池作为遮阳帘的光伏温室。

　　图4给出了光照度可调的漫射玻璃光伏温室的示意图[3]。

图4中1为温室本体，在其向阳面屋顶间歇性地均匀布有太阳能电池板4，以框架2支撑于漫射玻璃屋顶3上方，其背阳面屋顶铺以透明玻璃5，以增加温室内的基础光照。

当温室内的光照太强时，则调整光伏电池板4与光伏发电屋顶面间的夹角，加大其对直射太阳光线的遮挡，以便降低温室内的光照强度，增加光伏电池的发电量；当温室内的光照太弱时，则调整光伏电池板4的角度，减少其对直射太阳光线的遮挡，以便增加温室内的光照强度，减少光伏电池的发电量。

由于向阳面屋顶用的是漫射玻璃，而太阳能电池板又是间歇性地均匀布置在其上方的，由此，太阳能光伏电池板的存在不会在温室内留下太明显的阴影。

　　图5给出了用薄膜太阳能电池作为遮阳帘的光伏温室示意图[4]。

图中温室的向阳面屋顶铺以漫射玻璃，其背阳面屋顶铺以透明玻璃，以增加温室内的基础光照，而用条状的薄膜太阳能电池间歇性地铺设作为温室的遮阳帘。

当温室内的光照太强时，则调整光伏遮阳帘，加大其对太阳光线的遮挡作用，以便降低温室内的光照强度，增加光伏电池的发电量；当温室内的光照太弱时，则减少光伏遮阳帘对太阳光线的遮挡作用，以便增加温室内的光照强度，减少光伏电池的发电量。

由于向阳面屋顶用的是漫射玻璃，而遮阳帘上的薄膜太阳能电池又是条状地、间歇性地铺设，由此，遮阳帘上的薄膜太阳能电池也不会在温室内留下太明显的阴影。

　　结语

　　光伏温室的推广无疑是一项利国利民的大事，同时也是一项技术性含量很高的工程。

其设计和建造的规范和完善将是一个长期、艰巨而复杂的过程，需要政府部门和众多专业人士及企业人员的参与，也需要大量人力物力和资金的投入，事先进行周密的规划并以大量的科学实验数据为支撑。

只有这样才能充分发挥光伏温室的潜在优势，克服由此而产生的不利因素，推进光伏温室产业的健康发展。

因此，我们必须根据光伏温室产业的发展规律和发展水平进行科学的规划，上下一致，群策群力，共同努力来圆满完成这一艰巨而复杂的任务，为即将到来的农业生产方式的大变革架桥铺路。

　　【参考文献】

　　[1]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.

　　[2]昝锦羽，刘祖明，廖华，等.光伏温室大棚温度的模拟研究[J].云南师范大学学报：

自然科学版，2014

（2）：

42-47.

　　[3]徐永.一种光照可调的漫射玻璃光伏温室：

中国，201520634040.1[P].2015-08-21.

　　[4]徐永.一种光漫射温室的光伏发电遮阳帘：

中国，201520644955.0[P].2015-08-25.