周博士考察拾零（九十三）

光伏板在溫室大棚上的多樣化布置形式

從山東省新泰市農(nóng)光互補(bǔ)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園談起

2018年9月14日，在結(jié)束了2天的會議交流后，“2018中國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大會”會議組織者將與會代表從山東省泰安市區(qū)班師到了泰安市新泰市（縣級市），參觀了規(guī)模宏大的新泰農(nóng)光互補(bǔ)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園。

新泰市坐落在魯中腹地，泰山東麓，地處北緯35o37'~36o07'、東經(jīng)117o16'~118o，是全國60個采煤重點(diǎn)縣之一。全市探明煤炭資源可開采儲量6.6億t，建國以來，已累計開采了約4.7億t，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)。但由于長期煤炭開采，引發(fā)大面積地表斑裂和塌陷，形成了129km2的采煤沉陷區(qū)，并主要集中在翟鎮(zhèn)、泉溝鎮(zhèn)、西張莊鎮(zhèn)、果都鎮(zhèn)、樓德鎮(zhèn)等地（圖1）。尤其以翟鎮(zhèn)為重，全鎮(zhèn)2/3的耕地出現(xiàn)了大面積沉降，農(nóng)民房屋受損嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)境造成了巨大破壞。2011年，新泰市被國務(wù)院批準(zhǔn)確定為“資源枯竭型城市”。

圖 1 新泰市煤炭開采集中塌陷區(qū)

被確定為“資源枯竭型城市”后，新泰市把壓煤搬遷作為推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要舉措，以每年搬遷3~5個村的速度推進(jìn)，對民房斑裂較重的壓煤村實施整體搬遷。在此基礎(chǔ)上，又著眼于塌陷地治理，圍繞泰安市“一圈一帶”戰(zhàn)略，在柴汶河沿岸的采煤沉陷區(qū)規(guī)劃打造12萬畝（8000hm2）的高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)帶，以期將采煤沉陷區(qū)由“包袱”變?yōu)椤柏敻弧?，主?dǎo)產(chǎn)業(yè)布局由“地下”轉(zhuǎn)到“地上”，發(fā)展方式由“黑色”變?yōu)椤熬G色”，實現(xiàn)資源城市的根本轉(zhuǎn)型。

按照規(guī)劃，蔬菜產(chǎn)業(yè)帶將借助國家光伏發(fā)電“領(lǐng)跑者”計劃中的2000MW農(nóng)光互補(bǔ)項目，投入200億元，建設(shè)3萬棟日光溫室、2萬棟塑料大棚、100棟連棟溫室和30個光伏電站，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植與光伏發(fā)電相結(jié)合，設(shè)施外安裝太陽能電池板發(fā)電，設(shè)施內(nèi)種植綠色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，在不改變土地屬性的條件下，將土地、空間和陽光立體高效利用，以期獲得農(nóng)業(yè)和發(fā)電雙收益。

截至2017年9月底，項目一期工程500MW光伏發(fā)電板結(jié)合5134棟日光溫室和6489棟塑料大棚在規(guī)劃區(qū)翟鎮(zhèn)、泉溝鎮(zhèn)、西張莊鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的49個村中陸續(xù)建成并投入生產(chǎn)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。二期工程已經(jīng)開始研究實施。應(yīng)該說該基地是國內(nèi)目前光伏設(shè)施規(guī)劃規(guī)模最大的集中生產(chǎn)區(qū)。除了規(guī)模大、集聚度高之外，光伏板和設(shè)施的結(jié)合形式與國內(nèi)其他光伏溫室相比也有很多突破。以下就結(jié)合國內(nèi)光伏溫室的形式對本園區(qū)光伏板與日光溫室、塑料大棚和連棟溫室的結(jié)合形式分別做一介紹。

光伏板與日光溫室的結(jié)合方式，筆者曾有過多次報道，主要包括光伏板直接鋪設(shè)在日光溫室采光面上的布置形式和光伏板固定布置在日光溫室后屋面外兩種類型。其中光伏板直接鋪設(shè)在日光溫室采光面上的布置形式又分為分散布置形式和連續(xù)布置形式等（圖2）；

圖2 光伏板在日光溫室采光面上的布置形式

光伏板固定布置在日光溫室后屋面外的布置形式也分為1塊板、2塊板和3塊板等形式（圖3），當(dāng)然鋪設(shè)光伏板的數(shù)量越多，溫室之間的間距也將會越大。

圖3 光伏板在日光溫室后屋面外的布置形式

前者在冬季室外光照比較弱的季節(jié)，光伏板發(fā)電必然會與室內(nèi)作物的生長產(chǎn)生爭光的矛盾（如何解決二者的矛盾是種植者重點(diǎn)的研究工作，目前的研究方向主要包括選擇適宜的耐陰品種作物，如種植茶樹、韭菜、苗木、食用菌等，以及冬季休閑而進(jìn)行越夏生產(chǎn)的反季節(jié)生產(chǎn)模式都取得了不錯的效益），但后者在保證溫室棟與棟之間足夠采光間距的條件下能夠從根本上協(xié)調(diào)解決兩者周年生產(chǎn)相互爭光的矛盾。因此，該園區(qū)內(nèi)光伏板與日光溫室的結(jié)合方式統(tǒng)一都采用了后者的布置形式。

為了增加光伏板的布置數(shù)量，盡可能爭取在有限的土地上獲得更多的發(fā)電量，該園區(qū)內(nèi)光伏板的布置采用了多種布置形式。一種是增加每組光伏組塊上光伏板的數(shù)量，將上述最多3塊板的組合模式增加到了6塊板（圖4a、4b），

圖4 新泰園區(qū)內(nèi)光伏板在日光溫室后屋面外的布置形式

在相同溫室間距的條件下，園區(qū)光伏板的數(shù)量增加了1倍（這樣做的后果肯定是犧牲了日光溫室冬季的采光）。第二種做法是采用太陽能跟蹤裝置，即在光伏板支撐架上增設(shè)傳動裝置，使光伏板像向日葵一樣永遠(yuǎn)跟蹤太陽運(yùn)動的方向轉(zhuǎn)動，從而使照射到光伏板上的太陽光永遠(yuǎn)處在直射光最小反射的入射角范圍內(nèi)，光伏板接受的太陽輻射能最大，從而光伏板獲得的光伏發(fā)電量也將最大。根據(jù)太陽能跟蹤裝置的動力大小不同，每組光伏板的數(shù)量和組合方式也有差異（圖4c、4d）。

附加了太陽能跟蹤裝置后，相同光伏板面積上產(chǎn)生的光伏電量雖有增加，但太陽能跟蹤裝置運(yùn)行也消耗一定的能量，而且增加跟蹤裝置也增加了設(shè)備的建設(shè)成本。

一定功率的跟蹤裝置配置多大面積的光伏板才能夠達(dá)到經(jīng)濟(jì)上的可行性，尚需要進(jìn)行仔細(xì)的計算分析和運(yùn)行實證，不同地區(qū)由于太陽能資源不同，這種匹配估計也應(yīng)該有差別。具體設(shè)計應(yīng)用中是否采用太陽能跟蹤系統(tǒng)，以及每套跟蹤系統(tǒng)配置多大面積的光伏板應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較后確定。除了跟蹤系統(tǒng)的動力匹配外，這種系統(tǒng)還應(yīng)對不同方向的風(fēng)荷載進(jìn)行驗算，以確保結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全性。

除了上述光伏板在日光溫室上的布置形式外，筆者在走訪調(diào)研中還看到過其他一些光伏板在日光溫室上的布置方式，在此也一并做一介紹。

圖5 光伏板在日光溫室后屋面上的其他布置方式

一種是在陰陽型日光溫室屋面上的布置（圖5a）。這種布置形式和上述日光溫室后屋面上的固定太陽能光伏板的形式相同。所不同的是在傳統(tǒng)日光溫室的北側(cè)附加了一個陰棚，光伏板正好位于陰棚的屋面上部。由于陰棚冬季原本就沒有陽光直射，所以這種光伏板布置形式也不會影響陰棚的采光（陰棚采光主要為來自北側(cè)的散射光），而且也不會影響后一棟日光溫室陽棚的采光。從節(jié)約用地和有效利用光能的角度看，這種光伏溫室的建設(shè)模式還是具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益的。

第二種是在日光溫室的后屋面架設(shè)透光的玻璃板或PC板，將光伏發(fā)電板鑲嵌在透光板上，如圖5b。這種布置方式，由于鑲嵌光伏板的背板是透光板，而且光伏板布置的數(shù)量不多、布置也很分散，所以，對相鄰后部日光溫室的采光影響不大。光伏板還可有效阻擋從溫室后部的來風(fēng)，從而避免了溫室保溫被和屋面塑料薄膜被風(fēng)吹起的風(fēng)險。但布置光伏板數(shù)量少、光伏發(fā)電量不多，以及光伏板可能會阻擋后屋面的排水等問題可能是這種布置方式的最大缺點(diǎn)。

還有一種是完全發(fā)電自用的小面積光伏板布置形式（圖5c）。這種形式的光伏板也布置在日光溫室的后屋面之上（也有安置在其他位置的），所不同的是光伏板的面積較小，主要用于溫室電動卷膜器、卷簾機(jī)、灌溉水泵、室內(nèi)照明等用電設(shè)備的供電。

根據(jù)用電量的不同，所配套的光伏板的面積也不同。此外，由于光伏發(fā)電與用電器的用電在時間和用電功率上不能同步，所以，這種系統(tǒng)一般都應(yīng)配套蓄電池，將白天光伏板發(fā)出的電能儲存在蓄電池中，各類用電器根據(jù)需要隨時從蓄電池中獲取電能。

由于蓄電池造價高、使用壽命短，而且從光伏發(fā)電到蓄電池儲電，再到用電器用電都需要變壓或交直流轉(zhuǎn)換，整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率很低。在真正的生產(chǎn)溫室中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性并不看好，具體應(yīng)用中應(yīng)仔細(xì)測算，慎重選擇使用，除了在一些電力供應(yīng)比較困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)外，一般生產(chǎn)溫室建議不使用這種形式。

新泰園區(qū)中大量光伏板與塑料大棚的結(jié)合是這個園區(qū)的主要特點(diǎn)之一。園區(qū)中光伏板與塑料大棚的結(jié)合方式大體上可以分為兩類：一類是光伏板架設(shè)在相鄰兩棟塑料大棚之間，塑料大棚東西走向布置（圖6a）；另一類是光伏板架設(shè)在塑料大棚屋面，塑料大棚南北走向布置，其中光伏板在塑料大棚屋面上的布置又分為固定傾斜布置（圖6b）和固定水平布置（圖6c）兩種形式。

圖6 新泰園區(qū)光伏板與塑料大棚的結(jié)合布置方式

從光伏發(fā)電與大棚采光的相互協(xié)調(diào)性來看，將光伏板布置在兩棟塑料大棚之間，只要保持兩棟塑料大棚之間有足夠的采光間距，和光伏板布置在日光溫室后屋面一樣，大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光伏板發(fā)電也應(yīng)該能達(dá)到協(xié)調(diào)共贏。

但塑料大棚東西走向布置會使大棚內(nèi)光照分布不均勻，在一定程度上會影響棚內(nèi)種植作物的產(chǎn)量、品質(zhì)以及商品性，而且由于每組光伏組件布置光伏板的數(shù)量多（圖6a為6塊，和園區(qū)內(nèi)日光溫室上固定布置的光伏板數(shù)量相同），光伏組件形成的陰影帶面積大，使塑料大棚之間的間距自然拉大，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地利用率低。因此，總體而言，這種布置方式還是優(yōu)先考慮了光伏發(fā)電，而削弱了塑料大棚的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

將光伏板布置在塑料大棚的屋面上，無論光伏板是固定傾斜布置還是固定水平布置，都將嚴(yán)重影響塑料大棚內(nèi)生產(chǎn)作物的光照。雖然光伏板沒有連續(xù)布設(shè)（實際上固定傾斜布置時也不能連續(xù)布設(shè)），在相鄰兩組光伏組件之間會有太陽光照射進(jìn)入塑料大棚，但大棚內(nèi)的光照會嚴(yán)重分布不均，只有弱光作物或者對光照不敏感的作物才有可能獲得良好的生產(chǎn)條件。

據(jù)介紹，這種塑料大棚主要用于夏季的遮陽栽培，光伏板對塑料大棚既遮陽，又降溫，在炎熱的夏季能夠在大棚內(nèi)形成相對涼爽的氣候條件?；蛟S這是這種光伏大棚最好的利用方式，但大棚種植選擇什么樣的作物種植，以及種植的經(jīng)濟(jì)效益如何都有待實踐的考證。

光伏板與塑料大棚的結(jié)合，由于塑料大棚在北方地區(qū)本來就不越冬生產(chǎn)，所以冬季沒有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用光的需求，相比光伏板與日光溫室的結(jié)合，這種結(jié)合模式光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)爭光的矛盾并不十分強(qiáng)烈，但塑料大棚不能進(jìn)行越冬生產(chǎn)，所以，單位面積土地的周年利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出量也會顯著減少。從經(jīng)濟(jì)高效利用土地的角度看，光伏板與日光溫室的結(jié)合相比光伏板與塑料大棚的結(jié)合其經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益更高。

圖7 塑料中棚結(jié)合地面光伏板的布置形式

事實上，在生產(chǎn)中還有一種地面光伏板與中小拱棚結(jié)合的模式（圖7）。這種方式是在地面光伏板的背部設(shè)計適宜高度的中小拱棚，用于夏季作物的保護(hù)地生產(chǎn)。中小拱棚的跨度限制在不影響地面光伏板采光的最小距離之內(nèi)，高度不超過光伏組件的頂高，中小拱棚的存在完全不影響地面光伏板的正常采光間距。

這種布置形式是在充分保障光伏板采光的條件下，為了充分利用土地面積而設(shè)計的一種光伏農(nóng)業(yè)結(jié)合方式。實際上，中小拱棚內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全是從地面光伏發(fā)電站的土地上擠出來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，應(yīng)該說是一種有效提高土地利用率的光伏農(nóng)業(yè)理想結(jié)合方式，在地面光伏電站中值得推廣應(yīng)用。

光伏板與連棟溫室的結(jié)合一直是國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)研究的一個熱點(diǎn)。連棟溫室屋面面積大，能夠布置光伏板的數(shù)量也多，而且光伏板布置可完全借用溫室屋面承力結(jié)構(gòu)，無需專門的光伏支架，節(jié)省投資，選擇合適的溫室種植品種完全能夠獲得光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙贏的效果。

傳統(tǒng)的連棟溫室光伏農(nóng)業(yè)設(shè)施大都采用不等屋面的連棟溫室（南側(cè)屋面長，北側(cè)屋面短），溫室屋脊東西走向，光伏板布置在溫室南側(cè)屋面，可以是連續(xù)布置，也可以是棋盤式布置（圖8）。最好的不影響或少影響溫室內(nèi)作物生產(chǎn)的光伏板是采用具有一定透光率的非晶硅材料光伏板，盡管這種板的造價較高，而且單位面積的發(fā)電量相比硅晶板的光伏板要小。

圖8 非對稱屋面連棟溫室上光伏板的布置

新泰園區(qū)內(nèi)光伏板與連棟溫室的結(jié)合中，連棟溫室采用了標(biāo)準(zhǔn)的文洛型對稱小屋面結(jié)構(gòu)，溫室屋脊東西走向，屋面上光伏板間隔布置（圖9），而且光伏板采用晶硅板。這種設(shè)計，溫室結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，造價最低，但光伏板不透光，在溫室中會形成大量的陰影帶。此外，由于光伏板是間隔布置，文洛型溫室的屋面小，沿屋面跨度方向每個南向屋面只能布置一塊光伏板，所以，整體上看溫室屋面上布置的光伏板數(shù)量少，而且文洛型溫室屋面的坡度較不等坡屋面溫室小，相應(yīng)單位地面積的發(fā)電量也將會減少。

圖9 新泰園區(qū)光伏板在連棟溫室屋面上的布置形式

為了能最大限度利用屋面面積布置光伏板，同時又能最大限度減少光伏板對室內(nèi)作物的遮光，使光伏溫室真正能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的雙贏效果，國內(nèi)外最新的研究方向是創(chuàng)新改進(jìn)光伏板。一種是將晶硅光伏板分隔成小面積分散布置的組件（稱為刻痕光伏板），使大量的太陽光能夠從硅晶板之間的間隙中透射進(jìn)溫室（圖10a）。

圖10 連棟溫室屋面上的新型光伏板

這種方法可以在溫室屋面滿鋪光伏板，雖然每塊光伏板的面積減小了，但由于可鋪設(shè)的溫室屋面面積增加，因此，單位地面積上總的光伏板面積不一定減少，但卻使溫室內(nèi)光照強(qiáng)度增加，光照均勻度提高，在充分獲得光伏發(fā)電的同時使溫室內(nèi)種植作物的光照條件得到大大改善。

另一種改進(jìn)光伏板的技術(shù)路徑是采用選擇性透光技術(shù)，即對太陽能光譜進(jìn)行選擇性透過。對溫室內(nèi)作物光合作用較強(qiáng)的紅光透過，對作物光合作用需求不高的綠光等其他波段的光不透過（圖10b），這種將太陽光譜分光譜利用的方法很好地解決了溫室內(nèi)作物采光與光伏板發(fā)電用光之間的矛盾，應(yīng)該是光伏溫室未來發(fā)展的一種新方向。

光伏溫室是近年來隨著中國綠色能源發(fā)展要求不斷增大、光伏產(chǎn)能過剩、國家能源補(bǔ)貼政策的實施、金融資本大量介入等多種因素影響而發(fā)展起來的一種新型產(chǎn)業(yè)模式。從理論上講，溫室外布置光伏板發(fā)電，溫室內(nèi)種植農(nóng)作物，從土地、空間和光能利用上可以獲得互補(bǔ)共贏的多重效果，但大量生產(chǎn)實踐表明，光伏溫室實際上是首先滿足了光伏板的發(fā)電功能，而削弱甚至完全撂荒了溫室內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

運(yùn)行中，往往是電力企業(yè)和農(nóng)業(yè)企業(yè)分別管理和運(yùn)行光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，光伏板只要安裝到位，光伏發(fā)電基本是一勞永逸，光伏企業(yè)可以坐享其成，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于或多或少受到光伏板的遮光在一定程度上影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，而且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益還受到農(nóng)產(chǎn)品市場波動的影響，所以，事實上也造成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的效益低下，甚至完全虧損。

從另外一個角度講，光伏發(fā)電需要一定的規(guī)模，大多在10MW以上，這樣勢必就需要大面積的土地，常見的規(guī)?；夥孛娣e都在成千上萬畝。這樣大規(guī)模的生產(chǎn)基地，從農(nóng)產(chǎn)品市場化的角度看能夠集中生產(chǎn)，規(guī)模上市，產(chǎn)品具有較好的市場競爭能力，但具體實踐中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)確實也存在交通路線長、物流運(yùn)輸量大、生產(chǎn)運(yùn)營招工困難、管理不方便等諸多問題，大量光伏溫室生產(chǎn)基地中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)處于無效益、虧損甚至撂荒等現(xiàn)象也就不難理解了。

光伏溫室是一種新的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。雖然從目前大量的光伏生產(chǎn)基地的運(yùn)營現(xiàn)狀看，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益大都不甚理想，但在這個領(lǐng)域中也不乏一些執(zhí)著的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的探索者在研究種植什么樣的品種以及什么季節(jié)怎樣種植能夠在光伏溫室中使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得效益。

另外，從光伏板的研究和開發(fā)者的角度出發(fā)，研究新型的光伏發(fā)電板，在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采光不受或少受影響的條件下最大限度獲得發(fā)電，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)優(yōu)先，兼顧發(fā)電，將光伏農(nóng)業(yè)真正落腳到農(nóng)業(yè)上，也是光伏溫室未來發(fā)展的一條有效路徑。

工程設(shè)計者在真正理解光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，合理處理光伏板在溫室建筑上的布局，也是保證光伏溫室健康良性發(fā)展的一條路徑。期待在未來的光伏溫室發(fā)展中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、光伏技術(shù)的研究者以及工程設(shè)計者三者能夠共同合作，有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)真正都能共存、共贏的光伏溫室技術(shù)，使這一行業(yè)走出當(dāng)前“一條瘸腿”的困局，實現(xiàn)光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“比翼雙飛”。