文档介绍：光伏温室技术的发展与应用
摘要:该文简述了光伏温室作为一种新型的温室技术形式,其所具有清洁环保,低碳高效,可兼顾栽培生产和光伏发电等特点。归纳了该技术在应用过程中受到地理位置、气候、材料和设计等制约因素的影响。总结了近几年来,光伏温室在能量平衡、光分布与模拟、覆盖材料等方面的进展,阐述了以新型的半透明型光伏材料为代表的光伏温室新的发展方向。提出了适合中国国情、有较好应用前景的光伏温室发展思路。
关健词:光伏温室;光分布;温室结构
张曦文,刘铁东,徐永. 光伏温室技术的发展与应用[J]. 农业工程技术,2017,37(32):69-76.
农业生产的多样性、能源利用的多元化和农业分工的差异化,使设施农业发展出新的形态。光伏温室是农业生产高效化、集约化、智能化的集中体现[1],它兼具高操作性和高可靠性,能有效抵御以病虫草害和气候灾害为主要威胁的环境损害[2],主动调整蔬菜生产时期[3],有效的减少生产成本和能源消耗[4]。通过不同温室类型和覆盖材料的选择与搭配,比较这些温室的优缺点,发展新的温室技术,从而达到降低能源消耗、减少生产成本的目的,这些都是温室行业今后发展的重要方向[5,
6]。
欧洲是温室发展较早的地区,其中发源于南欧地区的“地中海温室”分布最为广泛,曾一度是最主要的温室生产类型[7]。这种温室以塑料为覆盖材料,具有结构简单、建造成本低、供热要求少等特点[8-10],但其明显的缺点是冬季无法满足蔬菜生长所需的光热条件。因此,塑料覆盖的温室只适用于冬季气候温和、太阳辐射较为丰富的地区[11-13]。但这类地区的问题是,夏季高温高光强,仅靠覆盖虽然可以减少光照强度,但无法依靠自然通风来降低温室内的温度。因此,只能依靠空调、水冷、或遮阳系统进行温度的控制。以意大利为例,大约20%到30%的温室配备有制冷或制热的空调设施[14],这类系统不仅会增加额外的投资,还会直接增加能源消耗,降低生产效率。
另一方面,自然生态系统中的太阳辐射是自然界和常规农业生产的能量来源,传统温室的覆盖如遮阳网、隔热板等只能阻截和反射太阳辐射,不能对其进行有效的利用。不管是辐射量较多的夏天还是辐射量较少的冬天,其利用率都较低。特别是在冬天,还要依赖化石能源的投入来进行加温。为降低现代温室对化石能源消耗的依赖,出现了各种温室调控技术,如空气热泵[15]、生物能[16]、光伏系统[17]等。完美的温室要实现常规能源的零输入,在新的温室技术中,由光伏系统构成的光伏温室,能够有效截获并利用多余的太阳辐射能量(图4)[14],提高能量利用效率,已经成为降低化石能源消耗的有效形式,取得了较大可喜的研究和应用进展。
温室内过度的太阳辐射迫使人们控制其内部的微气候环境,以防止对农作物造成损害。由于强太阳辐射与高空气温度直接相关,这就使控制系统变得十分复杂。光伏系统的引入可以在很大程度上解决过剩光能的利用问题。在光伏温室中,过剩的光能被用来发电,并可为温室的冷却提供能量。光伏能源具有天然、环保、清洁、无噪音等的优点。光伏温室能集约化地利用土地,生产效率高,既不会影响长期的农业生产,也不会对土壤的肥力产生危害[18],在光辐射资源充足的热带和亚热带地区,还可以调控进入温室的光辐射,从而减少过高的光强对植物造成的损伤[19]。光伏系统的设计一般要考虑以下几个要素:位置朝向、遮荫措施、环境温度、辐照量、风速、PV电池板的比例等[20,21]。因此,光伏温室设计必须充分考虑环境因素,气候环境、覆盖度、安装角、土壤、海拔高度、风(空气流通)、覆盖材料?型、材料结构、培养植物类型、优化调控系统[22]等,这些因素都会影响到温室内外的能量平衡和利用[23]。因此,在光伏温室的实际应用中,必须综合考虑上述因素,才能充分发挥自身的功能和优势。本文将对国外近年来在光伏温室研究方面的进展做一综述,供全国有关方面的科研人员设计和应用时的参考。
一、光伏温室内的光强分布
作物生长对光照有绝对的依赖性,一般而言,损失1%的光照就会导致减产1%[24]。但在光照资源充沛的地区,过多的太阳辐射可能会妨害作物的生长,这类地区的温室可以发挥重要的辐射调节作用[25]。早期的光伏温室因为覆盖度过大,导致辐照量不足,无法完成正常的植物生产。在和传统的温室覆盖材料对比中,可以发现光伏温室材料的遮光率存在显著的差异(图1)。当前,为确保温室屋顶上的光伏模块不会影响到作物正常的光合作用,温室顶部光伏板的投射面积一般要控制在温室面积的25%到50%的临界值之内[18,26]。但作物生长所需要的温度和有效辐射都依赖于入射到温室内的光强水平,通常,光伏温室内的温度、湿度分布比较均匀,而光照强度则会随着时间和位置而发生明显的变化[26]。
为了实现较高的自然光利用效率,减少能耗水