张曦文 刘铁东 徐永

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）、覆盖材料類型、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，减少能耗水平，必须在发电和植物种植中找到平衡，这也是光伏温室研究的主要方向。一方面，为了提高辐照量和入射光的均匀性，可以在温室的迎光面上将PV板布置成格珊型（图2）[27]，这样就可以在保证入照辐射的基础上提高光分布的均匀性，并且可以实现 PV模块达到50%的最高遮光率。另一方面，一种新型的动态光伏温室结构也开始投入使用（图3）。其特点是PV板动态可调，能自动适应太阳高度角，自动寻找最优的温室内辐射强度供给植物生长，同时由于PV板的遮荫作用，可以避免强光对作物的损害。具体而言，动态光伏温室具有以下四个优点：1）根据作物的需求形成不同的遮荫效果，达到控制光照强度的目的；2）有效地在光伏发电和植物生产间实现平衡；3）减少由于PV板的反射带来的光能损失；4）可以实现更高的PV板覆盖率（图4）[27]。

这种格栅式的布置方法已经受到业内学者的关注和应用，当PV板覆盖率为12.9%时，温室可以获得720W的最高光伏发电量，PV模块的遮光效果也能达到最佳[28]。当PV模块覆盖率为10%时，改结构的温室并不会对西红柿的产量和生产成本产生显著的影响[29]。但PV模块的排列方式则会显著影响透射效果。棋盘式排列方式透射光的均匀度要远远好于线性排列，Welsh洋葱的种植实验表明，其在线性排列的PV模块下遮荫严重，而在棋盘式排列下所受的影响则大大减少[30]。

二、光伏温室的能量平衡

光伏温室能量平衡的研究着重关注以下两个方面问题，一是光伏模块的发电能力，二是温室内作物的生产水平。在欧洲，光伏发电的规模从2004年的1GW上升到2013年的88GW[31]，但其中由温室贡献的比例仍然较小。以意大利为例，2012年只有6%的发电来自温室上面所覆盖的PV板[32]。日本学者Yano[33]在2005年就已经用温室顶部放置的PV模块进行发电，并用汽车蓄电池储电，从而驱动可控的通风系统。栽培作物的生产力水平受到温室内的温度[34]、相对湿度[35]、光照水平[36]和CO2浓度[37]等微气候因素的影响[38]，这些因素同时影响着真菌和病毒的传播与繁殖[39]。同时，通过环境控制，在温室内能有效地调控栽培作物的培育时间，实现如反季生产等高经济附加值的栽培生产方式。

光伏模块的布置方式在很大程度上影响着作物的生产水平和温室内的能量水平，在指定地点计算太阳高度角变化时，南北方向低倾斜角模块的温室能产生更多的电能[40]。光伏模块面积仅占温室面积0.2%的光伏发电就已足够驱动温室内的通风系统[41]。这表明光伏模块的规模有足够的扩展空间并形成更大的负载能力。然而，随着PV模块面积的增加，在PV模块下的阴影区域也会增加，因此植物的生长也将受到影响。除了PV模块面积的大小外，在屋顶上光伏模块的位置和方向也是影响发电能力和遮荫水平的重要因素。例如，在北半球南北走向的温室里，安装在温室屋顶最北端的光伏模块具有最小的投影面积。当其倾斜角度为0时，该光伏模块将获得最大的发电量[42]。对于一个东西走向的温室，朝南的屋顶适合用于铺设光伏发电模块，但这时光伏模块在温室内产生的阴影最大。当50%的屋顶区域被光伏（PV）模块覆盖时，光伏系统的引入将使温室内的太阳辐射减少64%。温室内太阳辐射的分布在南北方向上有一定的梯度，在南侧壁上能接收到更多的太阳能辐射，到了温室的中心部分辐射逐渐减少[43]。由于PV模块的遮光作用，它对温室内植物的鲜重和干重都具有一定的负面影响，在PV模块覆盖了13%的温室屋顶下种植威尔士洋葱的结果表明，作物产量的平均损失为25%[44]。在PV模块覆盖了9.8%的温室屋顶下种植番茄的实验结果表明，它对所生产水果的大小、硬度和颜色都有负面影响[45]。但对于罗勒和黄瓜的种植，当温室屋顶上的光伏模块覆盖度低于20%时，其生物产量和干重都没有受到显著的影响[46]。

使用不透明和半透明的PV模块有助于更好地实现温室内辐射的可控性，实现更加优化的植物生长环境[47]。因此，如何在温室内形成既满足植物生长需求的基本光照条件，又可以充分挖掘太阳辐射的发电潜力，同时还可控制遮荫规模，就成了光伏温室研究的核心问题[48]。实现这一目的的三个主要技术方向分别是：光伏温室的设计优化[49]；高透明度的光伏材料[50]和有机光伏材料[51]的研发；以及高适应性的植物物种选择与培育[52]。

三、光伏温室覆盖材料的应用

覆盖材料是封闭温室中影响微气象条件最重要的因素，玻璃、半硬性的塑料、塑料薄膜等是最常用于温室的覆盖材料。与大田种植相比，这些覆盖材料是决定温室能否有效避免不利的天气条件，营造相对稳定的适宜作物生长的温室微气候环境的重要因素。通过调节覆盖材料对可见光和红外光的透射率，可以实现对温室内气候的调节。在太阳辐射中有接近50%的能量来自波长700-2500 nm的近红外辐射（NIR），40%的能量来自于光合有效輻射（PAR），即波长介于400-700 nm间的可见光，而在波长为500 nm左右太阳辐射的能量最强[53]。一般意义上的透射系数指的是300-2500 nm间透过覆盖材料的太阳辐射，其中PAR的透射系数决定了可以被植物有效利用的光辐射，会显著影响温室的功能及植物的生长发育，因此也是透射系数中最重要的部分。长波辐射能量在温室内的损失程度取决于覆盖材料对波长高于3000 nm辐射的透射率。而在室温下7500-12500 nm是温室对外辐射能量最大的波长范围[54]。温室内的气温受到覆盖材料辐射系数的影响，这是长波红外热辐射能量的量度：如果覆盖材料有较高的透射系数，温室内损失的能量也较高。

因此，温室覆盖材料的透射特性在降低能耗方面有着重要的作用[49]。在温室的冷热调节中都能进行能量存储的创新型覆盖材料就会极大地推动商业性温室行业的持续发展。此外，使用能改变太阳辐射光谱分布的覆盖材料可以有效地促进植物的生长，从而取代农用化学品。在最近的几十年里，研究人员一直致力于改善玻璃类覆盖材料的辐射特性，而近些年来塑料薄膜已经成为最广泛的温室材料[49]。塑料薄膜与玻璃有很大的不同，其特点是低成本，且只要一个较轻的支撑架。此外，它们具有良好的光学、热学和机械性能，具有良好的抗化学性能，并且具有相当大的抗微生物降解的能力。不同种类的塑料薄膜是由不同的原料和添加剂制成的，下面将列出在温室中最常用的几种塑料薄膜覆盖材料。

（1）低密度聚乙烯（LDPE）

低密度聚乙烯是最常用的覆盖材料，具有良好的机械和辐射性能。在波长范围为200-2500 nm的情况下，LDPE薄膜的总透射率与玻璃相似。另一方面，在更长波长的红外辐射中，LDPE具有较高的透射率。

（2）乙烯醋酸乙烯酯（EVA）

它是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，其特点是在长波红外辐射的透射率较低，能减少温室内热红外的能量损耗。

（3）乙烯基-四氟乙烯共聚物（ETFE）

这是一种新型的薄膜材料，它具有非常好的辐射度性能，兼具高可见光透射率和低红外辐射透射率。ETFE的成本比LDPE和EVA要高，但其使用寿命可长达15年。

表1给出了上述温室覆盖材料的平均透射率。虽然塑料薄膜的透射率比玻璃高近10%，但LDPE的红外透射率超过50%，对温室效应有负面影响，EVA的透射率达到25%左右，ETFE接近10%。但这三种材料在PAR上的透射率都高于玻璃的透射率，且相差不大。

四、半透明光伏材料的发展

可再生能源的生产、生产活动的多样化、光伏技术的发展和综合系统的进步共同促进了光伏温室的发展[55]。传统的光伏硅太阳能电池板是不透明的，也不能使太阳辐射穿透进温室。因此，在这种温室下种植植物就会出现问题，而且很难产生温室效应来改善作物的微气候条件。此外，由于温室内不同部位的光照分布不均，各种被动调控措施，如遮阳网和热护罩、自然或强制通风、喷水或蒸发水等的效益均不突出。这些都使得光伏电池材料的研发成为解决这项技术发展瓶颈的关键技术。当前光伏产业的目标是制造半透明的光伏薄膜电池，这项技术促进了对剩余太阳能的开发和利用，除了直接用于冷却系统外还可以将剩余的电能直接输出，创造额外的效益等。为了解决这个问题，研究人员正在开发一种具有部分透明特性的太阳能电池材料，这种材料可以在柔性板或半透明的硬板上进行安装，从而使植物在受保护的环境中生长时也能获得所需的阳光。

一种典型的半透明光伏电池材料对入射的太阳光具有选择透过的特性，通过把太阳光光谱分成植物光合作用部分和PV发电部分，可以兼顾植物生产和光伏发电。由于作物栽培时特别重要的是在400-700 nm波长范围内的阳光，这段光谱就被指定为光合作用辐射（PAR）。波长超过700 nm的辐射可以用于栽培植物之外的其他用途。Sonneveld等人[56]开发了一种温室屋顶光伏系统，这种系统可以让植物生长所需的光合有效辐射穿过光伏电池材料，但却能捕获近红外辐射，用于发电和蓄热。菲涅耳透镜温室能够直接利用光束密度的特性，将入射光分为直射和漫射两个部分，屋顶能够收集直射到光伏板和热量收集模块上的太阳光辐射，而漫射部分则不受影响，可以直接照射到植物上[57]。实验结果表明，通过技术的发展和精巧的设计完全可以实现兼顾植物生长和温室控制所需电力的太阳能光伏温室[30]。一旦研发出透射率较好的光伏薄膜电池，这一目标即可实现。Marucci的实验结果表明，光伏薄膜能取得较好的透射效果（图6）[58]。光伏薄膜材料对于波长大于650 nm光的透射率较低，在可见光部分只有EVA薄膜的50%，而EVA薄膜材料有接近90的透射率，光伏薄膜电池可透过很多近红外光，而对远红外光的透射率几乎是零。

一旦确定了光伏电池的透过率和透过光谱的分布，就可以在光伏屋顶上用柔性的半透明光伏电池板替代传统的刚性和不透明的普通硅面板。易弯曲的新型光伏电池板可以随意铺设，阳光充足时可进行遮阳发电，阳光低于或接近植物需要之时可完全收起，从而具有较高的可调节性能。这些半透明的晶片材料必须确保温室内的光照达到植物所需的太阳辐射水平，并产生足够的温室效应。通过这种方式，我们就可以将电力生产与农业生产结合起来，利用光伏电池来生产电能。

另一种典型的发展方向是颗粒性的半透明光伏材料，其结构较为特殊。这种光伏模块由微型太阳能电池构成，且分布调节较为灵活，例如布置1500个微型球形太阳能电池于108 mm×90 mm的平面上，能够实现39%的覆盖率。相同面积布置500个电池，可实现13%的覆盖率。两者太阳能转化为电能的效率分别为4.5%和1.6%，可见光伏模块整体的能量转化效率十分稳定[59]。

颗粒性半透明光伏电池体积小，各向同性的感光能力强，是新型的热门太阳能电池材料[60]。虽然在温室中，屋顶和侧壁的方向不同，但颗粒性太阳能电池没有方向性的偏好。由于这个原因，电池在不同的阳光照射角度下都會持续地进行发电。因此，它们适用于嵌入式的温室的屋顶和侧壁。使用半透明的PV模块可以兼顾发电和温室内作物的生产，它所产生的电力足够供温室内其他环境控制设备的用电需求[58，61，62]。在混合型的光伏系统中，其组件可能包括光伏太阳电池板、转换器、充电控制器和电池组。使用PV板和制冷模块可以兼顾发电和制冷[63]，将PV板和加热模块混用，则可兼顾发电和供热[64]。使用PV板和近红外反射模块可以有效提高能量的利用效率[65]。用不透明的PV模块覆盖50%的南北走向的温室屋顶会降低64%的太阳辐射，覆盖东西走向的温室屋顶将降低82%，用半透明的PV模块进行覆盖则降低46%[26]。

五、光伏温室内光环境的拟合

温室内微气候的精准模拟，是布置温室的先决条件。温室的几何结构和方位，覆盖材料的辐射度特性，屋顶PV板的分布，温室的位置等都极大地影响着进入温室的光合有效辐射的多少[66]。手动测量的方法很难准确地反应温室内的整体光照水平，数学软件模拟和气象资料的拟合结果表明，数学模拟的结果可以控制在实际值的20%以内，能够作为自动控制的参考[67]。

Fatnassi[68]用计算流体动力学（CFD）模型模拟了两种不同的光伏温室（非对称式和Venlo式），模拟了太阳辐射分布、热空气、水蒸气和动力学参数，考虑了作物的覆盖特性和作物与气流之间的相互作用。光伏电池板阵列的两种排列方式为直线和棋盘式布局。

对温室内的热、动力和辐射场进行模拟的结果表明：（1）太阳辐射在Venlo温室中比在不对称的温室中分布更均匀。平均而言，非对称温室平均太阳辐射的透过率为41.6%，而Venlo温室气体的平均透过率为46%。（2）与直线排列相比，棋盘式光伏板的安装改善了温室内光照空间分布的均匀度。

在欧盟EN13031-1标准的光伏温室中，使用Autodesk? Ecotect? Analysis （Autodesk，Inc.，San Rafael，CA，USA）[69]对日光及加上不同光伏模块后温室内的日照量的分析表明，假设玻璃透射率τg=0.95，构成PV板的塑料结构的内表面的反射率ρp=0.81，水泥地板的反射率为ρp=0.55，同时计入其他可能的影响因素，在0%，20%，30%和50%覆盖率下的计算及拟合结果如下，其中CR=0%时，DF为71.4%，CR=50%时，DF=50%。

在此模型的计算过程中所用的参数包括：

晝光系数（采光系数）DF （daylight factor）：在室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定或已知亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。

覆盖系数CR（cover ratio）：被PV电池板覆盖部分的面积与温室屋顶总面积之比。

暴露系数 PE（exposed percentage）：未被PV电池板覆盖部分的面积与温室屋顶总面积之比。

模拟计算后得到的拟合公式为[70]： （1） DF=0.4262CR+70.954；（2） ΔDF=0.4379CR；（3） PE=0.5789CR+77.53；（4） ΔPE= 0.5708CR

六、光伏温室未来的发展

综上所述，光伏温室在近些年来已经取得了一些进步，各项技术也日臻成熟，但其在发展过程中也会受到多种不同因素的影响。在未来发展的方向上，我们要着重关注以下几个方面的趋势：

（1）开发高效的光伏面板，提高光伏发电效率，降低生产成本，同时开发出地区适应性更广的光伏发电材料；（2）加强自动化控制系统的研制，实现在不同光照条件下透光系数可调的光伏温室系统，以适应不同气候条件及不同种植品种的需求；（3）提高对现有光伏温室系统模拟的准确率，为光伏温室的设计和生产布置奠定良好的理论基础；（4）重视覆盖材料以外的建筑材料，以节能高效为主要目标，构建温室基础结构，全面系统地完善光伏温室结构；（5）发展适宜温室生产的高效节能的空调系统及其它温度调节技术，有效降低温室的能耗；（6）培育适合市场和环境需求的植物栽培品种，使光伏温室真正贴近生产，实现较高的经济和社会效益。

从总体上看，光伏温室目前还处于发展的初级阶段，国内也有不少研究机构和企业做了很多很好的尝试，有成功的例子，也有失败的教训。但这些工作大多数是尝试性的或试验性的，很少看到有学者对光伏温室做系统的理论和实验研究的文章。本文综述了能够找到的迄今为止国外在这方面的研究成果，可以看出，国外有不少学者在这方面确实做了不少踏踏实实的工作，可以供国内同行在做相关研究时的参考和借鉴。希望这篇文章能够起到抛砖引玉的作用，促进国内光伏温室事业的发展。

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