光伏温室发展现状与研究方向＊

2022-09-03刘璋晶莹吴宜文吴翠南鲍恩财邹志荣

农业工程技术 2022年16期

刘璋晶莹，张龙，吴宜文，吴翠南，鲍恩财**，邹志荣.4

（1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所/农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014；2.安徽农业大学工学院，合肥 230036；3.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；4.西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

农业生产的多样性、能源利用的多样化以及农业分工的差异化，使设施农业发展成为一种新产业。光伏温室是高效、集约、智能农业生产的集中体现[1]，具有较好的操作性和较高的可靠性，能有效防止病虫草害和气候灾害，积极调整农作物的生产时间[2]，在一定程度上减少生产成本和能源消耗[3]。发展新的温室技术，促进双碳、模式结合、高度集约化是光伏温室行业今后发展的重要方向。

光伏温室发展现状

国外研究现状

能源和食品供应的可持续性已成为当今世界的关注点之一。温室种植是粮食集约化生产体系，为世界粮食供应新鲜的蔬菜和水果。温室作物的产量和质量可以通过基于燃料和电网输入驱动的小气候控制来提高[4]。光伏温室作为一种典型的光伏农业模式，近年来受到了研究者的关注。如Ezzaeri K 等[5]研究了以棋盘格的方式安装在温室屋顶区域的柔性光伏板在夏季和冬季对小气候和番茄产量的遮阳效应，结果表明，覆盖40% 温室的太阳能组件对气候参数没有显著影响，光伏板的存在对番茄的总产量没有显著影响。Yano A 等[6]通过在东西走向的温室前坡面安装30 块规格相同的光伏板，来研究光伏组件直线型和棋盘型排布方式的室内小气候环境，研究表明光伏组件的发电量基本相同，但是对于温室内的光线遮挡程度却不尽相同，棋盘型排布方式的光均匀性相比直线型排布方式更好。Kadowaki M 等[7]研究具有相同铺设面积的光伏电池的不同排布方式对洋葱生长的影响，试验结果显示，与传统的光伏组件直线排布相比，棋盘型铺设方式更适合洋葱的生长。为了改善光伏组件对温室内部的遮光影响，Yano A 等[8]将光伏组件的集成面积调整到0.2%，并将光伏组件的发电用于控制温室侧通风系统的打开和关闭，温度设定在20～25 ℃。研究发现，光伏发电与温室支配系统能实现良好的结合。作为可再生能源应用的代表，太阳能发电在多个领域都有不同程度的应用。

由于光伏发电的特性，光伏电池通常作为覆盖物安装在温室的屋顶上，因此它对阳光的遮挡一定程度上会影响作物的正常生长。光伏电池板作为温室覆盖材料，其应用都集中在平坦的屋顶结构上，而圆拱形温室由于其弯曲的形状，无法方便地安装光伏板。于是Marucci A 等[9]用光伏电池以棋盘形状排列在温室上分析对温室内部的遮阳影响，采用Autodesk AutoCAD 仿真软件分析了光伏板遮阳百分率的变化对温室内部光线分布规律的影响，结果表明，由于温室剖面不同的曲线形状才会在遮阳百分率上有一定的规律性，从3 月中旬～9 月中旬，白天的阴影几乎总是在温室里，而在其他几个月里白天的阴影是部分在温室内部分在温室外。在光伏电池板呈棋盘形排布的情况下，全年遮阳的比例均处于40% 以下。

时至今日，对光伏温室研究的区域主要集中在欧洲和亚洲地区，由于地域性的差异，研究侧重也不尽相同。欧洲地区研究的光伏温室主要以连栋玻璃温室为主，采用晶体硅电池组件。而日本地区则主要以面积较大的单栋钢架塑料大棚为主，采用非晶硅薄膜电池组件。尽管国外已较早开始对光伏温室的研究（图1～2），也取得了一定的成果，但是仍旧处在研究学习阶段，目前的光伏温室主要用于示范和试验，面积规模普遍不大。

图1 意大利光伏温室

国内研究现状

中国是最早发展光伏温室的国家之一，2015 年7 月，山东省章丘市现代循环农业示范园区建造了20 MW 光伏农业科技温室电站，总面积11.33 hm2。到2019 年底，中国发电光伏温室项目已达到3984 MW[10]。2016 年4 月，大秦光伏农业科技示范园在贵州省安龙县兴隆镇全面竣工。2017 年3 月山东省郓城鑫华40 MW 光伏温室扶贫电站并网发电并且成为山东省首批国家重点扶贫项目。受国家促进光伏产业发展政策的影响以及光伏企业产业发展多元化的需求，国内光伏农业新技术、新模式一直处于较快发展中。比如菌光互补模式有效改善了光伏温室不适应绿叶作物生长的缺点，实现了两个产业土地面积优势的叠加。因此，选择适宜的品种，对光伏温室大棚内的参数进行精准调控，立足有机安全农业生产，打响品牌营销攻坚战，可以有效提升综合效益[11]。

光伏温室电站模式已被纳入国家财政补贴光伏电站建设一体化示范项目，2017 年华盛绿能等企业建设的光伏温室据测算可以在6～8 年左右收回成本，随着太阳能电池价格的不断下降，所用时间会更短。吴楠等[12]通过分析国家政策和光伏农业现状，指出了农业转型应朝着新能源与新农业的方向发展。祁娟霞等[13]对比了光伏温室和普通温室，发现光伏温室室内环境优于普通温室，更加适合冬季水果蔬菜生产。王玲俊等[14]介绍了国内光伏温室和太阳能产业的结合，提出了光伏温室与太阳能发电相结合的方案，最后指出先进光伏技术的发展能够更好地蓄热，使得光伏发电与光能利用达到平衡，从而推动光伏现代化温室系统向纵深发展。

图2 荷兰光伏温室

国内学者也研究了农业种植与光伏温室结合的模式，魏来等[15]提出了农光耦合系统是充分利用太阳能光伏板下的空间来种植作物的一种模式。陈凤等[16]在江苏省连云港生态光伏区对不同品种的小麦开展了光伏板遮光对小麦生长发育和产量影响的研究。试验结果表明，‘连麦7 号’‘连麦8 号’和‘徐麦33 号’的产量均高于其他品种，且在低光照条件下表现较好。单成钢等[17]分析了丹参在光伏板发电条件下的生长情况，试验结果表明，日照时间大于720 h（70% 无遮光）时，丹参的生长状况没有发生改变。王加真等[18]通过将滤光膜技术引入农业生产中，结果表明，滤光膜能有效分离从茶园入射的日光，不仅能阻挡紫外光和红外光，而且还能传送茶树生长所需的红光和蓝光。魏来等[19]分析了农业光伏耦合系统中甘薯生长发育的状况，光伏板的安装对甘薯生长有一定的影响，而农业技术可以改善其负面影响。张加强等[20]通过对农业光合作用系统中油菜牡丹产量性状的影响因素分析，发现冠幅、结实率和单株种子对牡丹产量有显著正向影响。综上所述，植物生长依赖于农业光合作用系统，但可以通过植物育种和技术改进来优化。

目前，中国光伏温室类型分为单栋型和连栋型，但以单栋光伏温室为主。同时，光伏温室的类型可以分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种（图3）。此外，中国对光伏温室的研究仍处于初始阶段，而且大部分的研究仅限于非实验的分析陈述，但即便如此，中国的农业温室在数量和面积上仍处于世界第一。塑料温室和日光温室除小型单拱温室外，占地总面积大于250 万hm2[21]，为光伏温室的开发和推广打下了坚实的基础。

图3 光伏温室的类型

光伏温室类型

从结合形式来说，光伏温室主要有结合式和分离式两种类型。依据设施类型分类，光伏温室包括光伏+连栋玻璃温室、光伏+连栋薄膜温室、光伏+塑料大棚、光伏+日光温室。依据园艺作物分类，光伏温室可以分成蔬菜、果树、花卉、食用菌、经济作物等。

“光伏塑料大棚”将太阳能组件安装在棚顶上，节约了土地资源，并且不会占用土地空间。“光伏塑料大棚”主要有连栋农光结合光伏发电系统、双膜双网棚与光伏结合发电系统、中小拱棚与光伏结合发电系统等组合方式。关于温室的自然通风能力，锯齿形温室的屋顶通风口相比圆顶温室的屋顶通风口在同一屋顶高度较高，因此热压下的自然通风能力较高。因此，锯齿形温室在南方自然通风温室中被广泛应用[22]。

“光伏玻璃温室”较为常见的应用方式是玻璃温室与无边框晶体组件和薄膜组件相结合进行光伏发电。光伏板的透光率有一定的要求，光伏组件向南平铺在玻璃温室顶部，没有使用外部遮阳机制。智能玻璃温室可实现一体化自动控制，熊征等[23]在光伏温室中使用荷兰豪根道生长管理系统监测和管理室内温度、相对湿度、植物生长所需的营养元素、病虫害等，形成了光伏连栋玻璃温室的智能化无公害栽培模式（图4）。

图4 光伏连栋玻璃温室

“光伏日光温室”（图5）主要有支架式和平铺式两种类型。“支架式光伏日光温室”通常在太阳能温室以北6 m 处安装太阳能电池板。这样可以减少太阳能电池板对温室内作物的“遮阳”效应，并通过增加太阳能温室的南北面积进一步减少有害影响。“平铺式光伏日光温室”是将光伏装置安装在太阳能温室顶部，为满足温室植物光合作用的需要，最大限度地扩大太阳能电池板的安装面积。日光温室是一种北方地区应用十分广泛的设施农业形式。

图5 光伏日光温室

光伏温室优势

土地利用优势

太阳能发电会占用土地空间，在土地资源有限的情况下，太阳能发电就成了挑战。光伏温室不仅可以产生太阳能，而且可以有效地利用土地资源，在建设光伏温室时，用户不必注意阳面或阴面地区的利用，当光伏温室置于阴面时，在光伏温室的发电系统中，农民可以使用LED 灯进行调节，白天发电以确保植物生长，晚上使用LED 照明系统向作物供电以满足作物生长所需的光照，光伏温室与传统太阳能发电站相比，能最大程度的使用电力。

农作物生长优势

季节变化对传统温室影响较大，据试验观察，一般温室夏季温度在50℃以上，严重影响了作物的正常生长。试验结果表明，光伏温室的温度白天低于室外温度，夜间高于室外温度。夏天太阳能电池板可以阻挡多余的热量，防止过高的室内温度。冬天光伏板可以调节室内温度，使室内温度保持在一定范围内，起到保温作用，促进农作物生长。

经济效益优势

光伏产业在2020 年光伏扩产汇总全产业链投资超2155 亿，组件超220 GW-光伏板块（数据来源于http://www.baidajob.com），拉动所在地区的GDP 增长，其他产业的经济增长也可通过产业联系来带动。同时可以满足农业用电需求，产生发电效益，利用光伏发电可以满足农业大棚的电力需求，可以将电并网销售给电网公司，实现收益，为投资企业产生效益。现代农业逐渐走向农业科技化和农业产业化逐步实现规模化，从而达到实现经济规模化。此外，光伏温室的发展能够带动地区产业发展和农民就业，各地区光伏温室的建设，为当地就业市场提供了机会[24]。

光伏温室发展困境

缺乏成熟行业规范

光伏温室目前正处于初级的发展阶段，不仅缺乏明确的国家、行业和组织所建立的建造标准与应用标准，还缺少有力的监管，造成了许多不规范的现象[25]。审批程序困难和财政困难也是阻碍审批程序进一步发展的重要因素[26]。因此，只有制定清晰、完备的行业规范，设立严格的准入及技术规范，才能真正使光伏温室实现可持续、规范化发展。

前期投入成本高

由于疫情等因素影响，近年来光伏组件的各类材料价格一直居高不下，甚至光伏组件集采开标最高组件报价再度攀上2.0 元/W 以上，而终端可接受的组件价格报价为1.6 元/W 左右。由此可见发展光伏温室需要投入成本较高[27]。这也证实了为什么中国目前有很大一部分光伏温室项目是由政府出资，由社会招标公司共同建设的。

应用效果不理想

根据全国光伏温室项目建设的角度来看，部分项目建设十分成功，能够给当地带来经济效益和社会效益[28]。不过从全国诸多项目来看，存在一些问题，如光伏温室种植的农产品产量与普通蔬菜温室基本一样，缺乏后续运营保障技术，建成光伏温室效果不显著等。更为严重的是一些公司大规模占用农业用地，但不关心农业生产，仅在光伏设施下面象征性的种些作物充充样子，其目的仅仅是利用农业用地以农业的名义建设光伏发电厂，这不仅严重破坏了农业用地，而且影响了农业的正常生产[29]。