第5卷 第4期 2024年8月 新能源科技 New Energy Science and Technology Vol 5 No 4 August 2024 DOI 10 20145 j 32 1894 20240406 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金 52022020 作者簡(jiǎn)介 王萬(wàn)紅 1987 女 工程師 碩士 研究方向 新能源 綜合智慧能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究評(píng)價(jià) wang wwh wldl com cn 通信作者 張程賓 1983 男 教授 博士 研究方向 能源與動(dòng)力工程 cbzhang seu edu cn 光伏在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展 王萬(wàn)紅1 鄧新星1 張 龍2 陽(yáng)曼秋3 張程賓4 1 五凌電力有限公司 長(zhǎng)沙 410004 2 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013 3 揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院 揚(yáng)州 225127 4 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096 張程賓 1983年1月生 博士研究生 博士生導(dǎo)師 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院教授 主要研究方向?yàn)橄嘧儌鳠?溫差能發(fā)電等 主持了國(guó)家自然科學(xué)基金 優(yōu)秀青年科學(xué) 基金 重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目 面上項(xiàng)目 航天先進(jìn)制造聯(lián)合基金 青年基金 等多項(xiàng)科 研課題 在Applied Physics Letters等國(guó)內(nèi)外刊物上發(fā)表了SCI論文100余篇 獲授權(quán)發(fā) 明專利20余項(xiàng) 獲教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng) 江蘇省自然科學(xué)百篇優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果論文 等獎(jiǎng)項(xiàng) 摘要 加快光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用推廣 是推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展 構(gòu)建現(xiàn)代能源體系 的重要組成部分 對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰 碳中和目標(biāo)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化具有重要意義 文章首先介紹了光伏 技術(shù)的原理和分類 分析了其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用方式 并通過介紹獨(dú)立光伏系統(tǒng)和建筑一體化光伏 系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用案例 展示了光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的巨大效益和良好前景 最后展望了光伏技 術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的未來發(fā)展方向 關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè) 光伏技術(shù) 光伏建筑一體化 光伏光熱技術(shù) 中圖分類號(hào) S21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 0 引言 當(dāng)前 在我國(guó)城鄉(xiāng)居民消費(fèi)加快升級(jí) 耕地和水 資源趨緊的背景下 1 現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)利用人工控制環(huán) 境條件來生產(chǎn)農(nóng)作物 從而提高單位產(chǎn)出效率來突破 資源環(huán)境制約 為拓展食物來源 保障糧食和重要農(nóng) 產(chǎn)品穩(wěn)定安全供給提供了有力支撐 2 3 然而 設(shè)施 農(nóng)業(yè)的環(huán)境調(diào)控能力要求高 規(guī)?；潭雀?其生產(chǎn) 過程需要大量的能源來維持設(shè)施內(nèi)的溫度和光照等 條件 4 但當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)還主要依靠煤炭 石油和天 然氣等傳統(tǒng)能源的使用 不僅會(huì)造成環(huán)境污染 而且 還會(huì)加劇溫室效應(yīng) 因此 發(fā)展基于可再生能源的設(shè) 施農(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)低碳化的重要方向 4 5 光伏作為一種清潔 可再生能源 其產(chǎn)出的電力 可直接為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的光照 空調(diào) 水泵等設(shè)備供電 有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放 為設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供 了新的機(jī)遇 同時(shí)提高光伏的消納能力 6 8 因此 加快光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用推廣 是推動(dòng)農(nóng)村地 區(qū)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展 構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的重要組成 部分 對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰 碳中和目標(biāo)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化 具有重要意義 近年來 光伏在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用得到了廣泛的 關(guān)注和研究 通過將光伏發(fā)電技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)相 結(jié)合 在農(nóng)業(yè)設(shè)施頂部或周圍安裝光伏電池板 將太陽(yáng) 14 新能源科技 能轉(zhuǎn)化為電能 用于灌溉 照明 加熱 通風(fēng)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 過程 取得了較好的節(jié)能減碳效益 9 10 隨著光伏行 業(yè)的成本下降和技術(shù)創(chuàng)新 農(nóng)民們已經(jīng)從中獲益 包括 提升食物和能源的自給自足能力 降低能源成本 增加 經(jīng)濟(jì)收入 11 此外 國(guó)內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)一步針對(duì)光伏農(nóng) 業(yè)的模式 能效提升技術(shù) 經(jīng)濟(jì)性分析等方面開展了大 量科學(xué)與技術(shù)研究 取得了階段性的研究成果 12 16 然而光伏在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用還面臨著光伏板與作物生 長(zhǎng)環(huán)境的協(xié)調(diào) 耦合光伏的農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與負(fù)載 承載 設(shè)施農(nóng)業(yè)能量管理與存儲(chǔ) 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù) 性等技術(shù)挑戰(zhàn) 17 18 針對(duì)以上問題 光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè) 耦合系統(tǒng)還需要在光譜調(diào)控 系統(tǒng)智能控制 多能源互 補(bǔ)與儲(chǔ)能技術(shù)等方面開展進(jìn)一步的研究工作 19 本文介紹了光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的主要原 理與分類 分別討論了光伏技術(shù)和光伏光熱一體化技 術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與典型案例 最后總結(jié)和 展望了面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的光伏技術(shù)未來發(fā)展前景和 挑戰(zhàn) 1 光伏技術(shù) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電 Photovoltaic PV 是一種非常 有效的太陽(yáng)能利用方式 它通過太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光 直接轉(zhuǎn)換成電能 這種轉(zhuǎn)換過程是基于半導(dǎo)體材料 的光電效應(yīng) 即當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí) 光子的 能量可以激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 形成自由電子 和空穴 從而產(chǎn)生電流 太陽(yáng)能電池是構(gòu)成光伏系統(tǒng) 的核心單元 通過串聯(lián)和并聯(lián)組合形成光伏組件 以 提升電壓和增加電流 這些組件進(jìn)一步組成光伏陣 列即太陽(yáng)能電池板 如圖1 a 所示 20 光伏組件的電能轉(zhuǎn)換效率通常在12 18 而 超過80 的太陽(yáng)輻射在被吸收或反射過程中會(huì)轉(zhuǎn)化 為熱能 因此導(dǎo)致太陽(yáng)能電池在持續(xù)運(yùn)行后溫度升 高 進(jìn)而影響其發(fā)電效率 21 為了解決這一問題 許 多研究人員提出利用空氣或水等流體對(duì)光伏電池進(jìn) 行冷卻和熱量收集 基于這樣的考慮 太陽(yáng)能光伏 熱 Photovoltaic thermal PV T 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 它結(jié) 合了光伏和熱能收集器來最大化太陽(yáng)能的利用效率 為用戶同時(shí)提供電力和熱能 22 PV T集熱器通過 結(jié)合光伏發(fā)電與熱能收集技術(shù) 在相同表面積上比單 獨(dú)的光伏或熱能系統(tǒng)產(chǎn)生更多能量 23 這種集熱器 通常由一個(gè)吸收太陽(yáng)熱的平板構(gòu)成 其上方裝配光伏 電池以產(chǎn)生電力 下方設(shè)有流體通道 允許流體通過 并吸收熱量 如圖1 b 所示 根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同 PV T集熱器可分為空氣型和水型 其中水型PV T 集熱器的熱轉(zhuǎn)換效率較高 24 而空氣型PV T集熱器 在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用上前景廣泛 其既利用太陽(yáng)能 進(jìn)行空氣加熱 為設(shè)施農(nóng)業(yè)如溫室提供所需的溫度控 制 同時(shí)還可以用于太陽(yáng)能干燥機(jī) 以環(huán)保和高效的方 式干燥農(nóng)產(chǎn)品 20 25 28 文獻(xiàn) 29 研究構(gòu)建了一個(gè)空氣 型PV T系統(tǒng) 并在不同緯度的地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 分析了 通風(fēng)流量與氣候條件對(duì)系統(tǒng)光熱和光伏性能的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱能和發(fā)電量均隨輻射強(qiáng)度增加而增 加 而當(dāng)通風(fēng)流量為2 2 m s時(shí) 熱效率達(dá)到51 8 圖1 光伏設(shè)備 隨著光伏技術(shù)的發(fā)展 建筑一體化光伏 Building Integrated Photovoltaic BIPV 和建筑附著光伏 Building Attached Photovoltaic BAPV 技術(shù)的應(yīng)用 為設(shè)施農(nóng) 業(yè)提供了新的能源解決方案 30 這些技術(shù)通過與溫 室結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合 實(shí)現(xiàn)了土地的高效利用和能源自 給自足 同時(shí)配合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能化管理 滿 足了溫室大棚對(duì)電力的需求 31 光伏溫室一體化不 僅以環(huán)保方式提供必要的能源 如加熱 冷卻 通風(fēng)和 照明 32 還有助于減少對(duì)化石燃料的依賴 提升作物 質(zhì)量 33 文獻(xiàn) 34 研究表明 在中國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)的光 伏溫室屋頂系統(tǒng)能有效滿足作物光合需求 實(shí)現(xiàn)低于 25 的遮蔭率 并達(dá)到1404 kWh kWp的單位裝機(jī)年 發(fā)電量 最短投資回收期以及年均減少11202 kg的碳 排放 文獻(xiàn) 35 討論了將PV技術(shù)集成到溫室屋頂 中的方法 主要分為獨(dú)立PV系統(tǒng)和并網(wǎng)PV系統(tǒng) 其中 獨(dú)立PV系統(tǒng)適用于偏遠(yuǎn)地區(qū) 常與電池儲(chǔ)能 設(shè)備結(jié)合使用 以確保在沒有陽(yáng)光的情況下也能供 電 而在陽(yáng)光充足地區(qū) 并網(wǎng)PV系統(tǒng)通過出售多余 電力為溫室?guī)眍~外收益 此外 光伏在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng) 用時(shí)還需考慮對(duì)植物的影響 例如 安裝在溫室屋頂 上的光伏板所形成的陰影可能對(duì)植物的生長(zhǎng)周期產(chǎn) 生正面作用 包括提高產(chǎn)量 促進(jìn)發(fā)育 并有助于減少 水分的蒸發(fā)損失 36 在充分且高效利用土地資源的 前提下 應(yīng)用光伏系統(tǒng)的溫室有潛力提供區(qū)域年度電 24 新能源科技 力需求30 的發(fā)電量 37 2 光伏在農(nóng)業(yè)設(shè)施的應(yīng)用現(xiàn)狀 光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施中主要有兩種應(yīng)用方式 一 是獨(dú)立光伏裝置 光伏裝置和設(shè)施農(nóng)業(yè)在空間上相對(duì) 獨(dú)立 二是與溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)合的光伏系統(tǒng) 通過在 屋頂或者墻面上安裝光伏板 實(shí)現(xiàn)了在同一土地上既 種植作物又發(fā)電的雙重效益 促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展 圖2 圖3即這兩種光伏應(yīng)用方式的發(fā)電系統(tǒng)示意圖 光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng) 并網(wǎng)和混合3種模式 離網(wǎng)模 式獨(dú)立運(yùn)行 需配備蓄電池 并網(wǎng)模式可以將余電輸送 到電網(wǎng)或由電網(wǎng)供電 獨(dú)立光伏裝置通常采用混合或離 網(wǎng)模式 供電于灌溉 照明 空調(diào)以及通風(fēng)等 其余電可儲(chǔ) 存或輸送到電網(wǎng) 而與農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)合的光伏系統(tǒng)多采用 并網(wǎng)模式 以電網(wǎng)作為光伏電力不足時(shí)的補(bǔ)充 圖2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖3 與溫室屋頂結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng) 2 1 獨(dú)立光伏裝置在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用 光伏作為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 清潔低碳的太陽(yáng)能利用形 式 可在滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)日益增長(zhǎng)的電力需求同時(shí) 推 動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)能源綠色轉(zhuǎn)型 38 將獨(dú)立的光伏裝置安 裝在農(nóng)業(yè)土地上 不僅支持農(nóng)業(yè)設(shè)施的能源需求 減 少對(duì)化石燃料的依賴 還能為農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)供電 通 過并網(wǎng)銷售創(chuàng)造額外經(jīng)濟(jì)價(jià)值 39 在節(jié)能減碳 農(nóng)作物 生產(chǎn)和電力生產(chǎn)之間實(shí)現(xiàn)了令人滿意的平衡 19 文獻(xiàn) 40 設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng) 它能夠高效 地收集對(duì)作物光合作用過剩的光能 用于光伏發(fā)電 同時(shí)不影響作物的生長(zhǎng) 田間試驗(yàn)結(jié)果表明 該系統(tǒng) 能提高植物產(chǎn)率13 減少植物散熱50 并且光伏 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9 9 在德國(guó) 文獻(xiàn) 39 進(jìn)行了一 項(xiàng)研究 旨在通過3種不同的農(nóng)業(yè)光伏解決方案 探 索農(nóng)光互補(bǔ)技術(shù)在蘋果種植中的應(yīng)用 以實(shí)現(xiàn)能源與 蘋果生產(chǎn)的雙重目標(biāo) 文獻(xiàn) 41 研究了瑞典首個(gè)農(nóng) 光互補(bǔ)系統(tǒng) 如圖4 a 所示 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 盡管農(nóng) 業(yè)光伏系統(tǒng)導(dǎo)致地面光合有效輻射平均減少25 但 作物產(chǎn)量與未遮蔭區(qū)域相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 經(jīng)濟(jì)分 析還顯示 瑞典農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng)的凈現(xiàn)值盈利能力是傳 統(tǒng)作物輪作的30倍 文獻(xiàn) 42 探討了一種新型的農(nóng) 光互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和建模分析 旨在優(yōu)化光伏組 件與農(nóng)作物對(duì)光照的需求分配 結(jié)果表明新型方陣 不僅能增加陣列間27 26 的地面光照量 還有助于 農(nóng)作物的產(chǎn)量提升 此外 如圖4 b 所示 隨著技術(shù) 進(jìn)步和成本下降 光伏 水泵在偏遠(yuǎn)和沙漠地區(qū)因其 可靠性和低維護(hù)特性而日益受到青睞 43 44 文獻(xiàn) 45 開發(fā)并測(cè)試了一種適用于干旱地區(qū)果園的太陽(yáng) 能光伏泵驅(qū)動(dòng)滴灌系統(tǒng) 該系統(tǒng)配備了900 W的光伏 陣列和800 W的直流電機(jī) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示 該系統(tǒng)能 夠在2小時(shí)內(nèi)灌溉1公頃土地 且排放均勻性達(dá)到 92 94 盡管初始投資較高 但系統(tǒng)的效益成本 比超過2 表明這光伏泵驅(qū)動(dòng)滴灌系統(tǒng)是一種適合干 旱地區(qū)發(fā)展的果園灌溉技術(shù) 文獻(xiàn) 46 考慮政府補(bǔ) 貼和農(nóng)民收入 在10 30 土地安裝太陽(yáng)能電池 板 可在維持70 農(nóng)作物收成的同時(shí) 實(shí)現(xiàn)顯著的太 陽(yáng)能發(fā)電容量和減少碳排放 圖4 光伏的應(yīng)用 34 新能源科技 2 2 光伏技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合的應(yīng)用 光伏技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)如溫室的結(jié)合主要通過直接 安裝在屋頂 47 48 設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)的一部分 49 以及作為可調(diào) 節(jié)遮陽(yáng)系統(tǒng) 50 等方式實(shí)現(xiàn) 這種結(jié)合不僅節(jié)省了寶貴 的土地資源 而且促進(jìn)了可再生能源的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的可 持續(xù)發(fā)展 此外 光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要分 為兩類 傳統(tǒng)的光伏板 51 53 和半透明的光伏板 54 57 傳 統(tǒng)光伏板通常由硅材料制成 而半透明光伏板則采用有 機(jī)光伏和染料敏化太陽(yáng)能電池等新興技術(shù) 許多研究人員通過實(shí)驗(yàn)和建模研究了光伏技術(shù) 在農(nóng)業(yè)溫室中的應(yīng)用 文獻(xiàn) 52 設(shè)計(jì)了一種新型的 農(nóng)業(yè)光伏系統(tǒng) 基于實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過多項(xiàng)式回歸 開發(fā)了電力生成和農(nóng)作物生產(chǎn)模型 結(jié)果表明 30 的遮蔭比率能夠在配備光伏組件的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中最大 化電力和大豆生產(chǎn) 文獻(xiàn) 53 研究了在伊朗商業(yè)玫 瑰溫室中應(yīng)用的14種太陽(yáng)能光伏百葉窗系統(tǒng)配置 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)覆蓋了19 2 的屋頂面積為最佳配置 對(duì)植物光照影響較小 同時(shí)顯著降低了能源消耗和 CO2排放 這一配置每年可產(chǎn)生約42 7 kW h m2的 電力 文獻(xiàn) 51 在一座南北向溫室上 以20 和28 的傾角安裝了4個(gè)光伏組件 覆蓋屋頂1 5 的面積 在7個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生了71 6 MJ的電能 文獻(xiàn) 58 提出 了一種結(jié)合地源熱泵的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 用于滿足 番茄 黃瓜和生菜3種作物的供暖和制冷需求 模擬 結(jié)果顯示 該系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá)143 4 kW h m2 光 伏發(fā)電分別達(dá)到了番茄 黃瓜 生菜生長(zhǎng)過程能源消 耗量的95 7 86 8 104 5 盡管夏季光伏發(fā)電 只能滿足33 2 67 2 的能源需求 但冬季光伏能 源滿足率極高 這支持了全年零能耗溫室的可行性 鑒于傳統(tǒng)光伏板可能導(dǎo)致過度遮蔭并影響作物 生長(zhǎng) 研究人員開展了半透明太陽(yáng)能技術(shù)的探索 這 種技術(shù)不僅能夠減少對(duì)作物光合作用的干擾 還能有 效節(jié)省能源消耗 據(jù)研究顯示 半透明光伏組件能夠 節(jié)省超過20 的能源 59 在商業(yè)光伏溫室中 為了 最大化電力產(chǎn)出 市場(chǎng)上約85 的光伏結(jié)構(gòu)選擇了覆 蓋屋頂一半或全部面積的硅光伏板 60 然而 植物 僅利用波長(zhǎng)在400 700 nm的光合有效輻射進(jìn)行光合 作用 61 因此 隨著技術(shù)進(jìn)步 半透明太陽(yáng)能技 術(shù) 62 如有機(jī)光伏和染料敏化太陽(yáng)能電池 正被應(yīng)用 于溫室 旨在提升作物生長(zhǎng)與光伏發(fā)電的協(xié)同效應(yīng) 文獻(xiàn) 56 對(duì)有機(jī)光伏陣列進(jìn)行了安裝和測(cè)試 發(fā)現(xiàn) 48 5 的覆蓋率有助于在高溫和強(qiáng)光照條件下維持 番茄生長(zhǎng)和產(chǎn)量 同時(shí)提高光能利用效率 文獻(xiàn) 57 使用動(dòng)態(tài)能源模型證明了在溫暖和適中氣候下 覆蓋 85 屋頂面積的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池能夠幫助溫 室達(dá)到凈零能耗 文獻(xiàn) 49 評(píng)估了BIPV系統(tǒng)對(duì)溫 室番茄生長(zhǎng)和微氣候的影響 實(shí)驗(yàn)中 溫室屋頂?shù)?20 安裝了斜角30 面向南方的BIPV模塊 年發(fā)電量 為637 kW h 研究結(jié)果表明 BIPV遮蔭對(duì)番茄生長(zhǎng)沒 有顯著影響 能有效減少能源需求 同時(shí)為溫室提供包 括照明 加熱和通風(fēng)所需的能源 文獻(xiàn) 50 建立了一 個(gè)動(dòng)態(tài)光伏溫室 研究不同遮蔭程度對(duì)光伏效能的影 響 如圖4 c 所示 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 在78 的遮蔭條件 下 光伏板的最大輸出功率達(dá)到102 W m2 而在無遮 蔭時(shí) 功率降至20 W m2 溫室內(nèi)部的溫度和濕度平 均值維持在適合多數(shù)蔬菜生長(zhǎng)的范圍內(nèi) 證明了這種 動(dòng)態(tài)光伏溫室能有效平衡電力生成與農(nóng)業(yè)產(chǎn)出 表1 列舉了其他不同遮蔭率對(duì)作物和發(fā)電量的影響 63 表1 光伏遮蔭率在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的影響 作物光伏遮蔭率光伏類型結(jié)論參考文獻(xiàn) 番茄30 50 多晶硅 光伏覆蓋率從30 提高到 50 產(chǎn)量因子從20 降低 到33 64 番茄17 多晶硅 晴朗天氣下設(shè)施溫度下降約 3 至5 相對(duì)濕度增加 約12 65 生菜20 多晶硅不會(huì)顯著影響作物產(chǎn)量 66 草莓25 9 20 多晶硅 非晶硅不透明光伏模塊的草莓質(zhì)量和產(chǎn)量均優(yōu)于半透明光伏模塊 67 生菜25 100 有機(jī)光伏 覆蓋率為49 的有機(jī)光伏組 件 滿足了全年電力需求 并為 作物提供了適宜的氣候 68 辣椒22 有機(jī)光伏果實(shí)質(zhì)量增加了22 植物高度增加了21 8 69 3 光伏 光熱一體化在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用 現(xiàn)狀 光伏 光熱一體化 PV T 系統(tǒng)作為一種新興的 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù) 正逐漸受到研究和技術(shù)領(lǐng)域的關(guān) 注 70 這種系統(tǒng)通過結(jié)合光伏電池的發(fā)電功能與熱 能收集 旨在提高整體能源效率 在光伏電池的轉(zhuǎn)換 過程中 工作溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素 71 由于太陽(yáng)照 射產(chǎn)生的多余熱量會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高 進(jìn)而影響其 發(fā)電效率 研究表明 光伏組件的溫度每升高1 其功率會(huì)下降約0 48 72 為了克服這一問題 PV T系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來 它不僅能發(fā)電 還能有效收集并 利用多余的熱能 通過這種方式 PV T系統(tǒng)可以在 44 新能源科技 提高光伏發(fā)電效率的同時(shí) 對(duì)溫室進(jìn)行熱管理 通過 冷卻光伏板來維持適宜的工作溫度 此外 系統(tǒng)回收 的熱能可以用于多種農(nóng)業(yè)應(yīng)用 如提供熱水 供暖和 干燥等 獨(dú)立PV T系統(tǒng)和與溫室結(jié)合的PV T系統(tǒng) 分別如圖5 6所示 圖5 獨(dú)立PV T系統(tǒng) 圖6 與溫室結(jié)合的PV T系統(tǒng) 在一些PV T系統(tǒng)中 熱能收集的主要目的是冷 卻光伏板以提升其發(fā)電效率 例如文獻(xiàn) 73 通過優(yōu) 化光伏板的冷卻管道設(shè)計(jì) 有效減少了因溫度升高導(dǎo) 致的效率損失 文獻(xiàn) 74 則開發(fā)了一種新型混合 PV T系統(tǒng) 該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)光伏組件 能顯著降低電 池溫度達(dá)12 7 并在597 W m2的太陽(yáng)輻射下 將 電能輸出提升了5 2 這些研究表明 通過有效的 熱管理策略 可以顯著提高PV T系統(tǒng)的整體性能 除了冷卻光伏板以提高發(fā)電效率外 PV T系統(tǒng)中 的熱能收集還有其他廣泛的應(yīng)用 例如 在文獻(xiàn) 75 的研究中 PV T系統(tǒng)與光譜選擇性近紅外反射膜的結(jié) 合顯著提升了溫室中熱能和電能的轉(zhuǎn)換效率 該系統(tǒng) 使用熱油作為傳熱介質(zhì) 將熱能傳遞給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 或有機(jī)朗肯循環(huán) 年熱能產(chǎn)量可達(dá)32 5 kW h m2 光 伏電池的年電能產(chǎn)量為18 1 kW h m2 最大功率效 率預(yù)計(jì)為15 7 展示了PV T系統(tǒng)在提供冷卻效果 和能源自給方面的潛力 文獻(xiàn) 76 的研究中 PV T 溫室實(shí)現(xiàn)了12 8 kW h的年廢熱回收率和716 kW h 的年凈電能節(jié)約 文獻(xiàn) 77 提出了兩種創(chuàng)新PV T溫 室設(shè)計(jì) 分別采用菲涅耳透鏡和薄片鏡 實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光的 高效分離與利用 結(jié)果表明 菲涅耳透鏡溫室在能源 生產(chǎn)上表現(xiàn)突出 而薄片鏡溫室更適合光照需求大的 作物 文獻(xiàn) 25 開發(fā)的PV T太陽(yáng)能干燥機(jī) 通過 PV T系統(tǒng)發(fā)出的電能驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇 優(yōu)化空氣流動(dòng) 同時(shí) 利用收集的熱能預(yù)熱空氣 加速了干燥過程 與自然 干燥相比 其干燥率最大提高了約24 實(shí)現(xiàn)了高效 干燥和能源供應(yīng)的結(jié)合 文獻(xiàn) 26 開發(fā)的PV T溫室 太陽(yáng)能干燥機(jī)理論模型 理論值和實(shí)驗(yàn)值的總熱能分 別為1 92 kW h和2 03 kW h 結(jié)果表明PV T溫室太 陽(yáng)能干燥機(jī)不僅能提升農(nóng)產(chǎn)品干燥質(zhì)量 還能有效利 用太陽(yáng)能發(fā)電 適合無電網(wǎng)連接的農(nóng)村地區(qū) 文獻(xiàn) 70 研究比較了冬季分別安裝在溫室內(nèi)外的微熱管 PV T系統(tǒng)的效能 如圖7 a 和 b 所示 結(jié)果顯示 安裝在室外的微熱管 PV T系統(tǒng)日發(fā)電性能更優(yōu) 但 安裝在室內(nèi)的微熱管 PV T系統(tǒng)在電氣效率 4 57 熱效率 40 93 和整體能量效率 53 28 等方面綜合表現(xiàn)更佳 文獻(xiàn) 78 設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽(yáng)能 PV T干燥系統(tǒng) 如圖7 c 所示 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn) 了農(nóng)產(chǎn)品的高效 均勻干燥 解決了溫度不均問題 圖7 PV T在溫室中的應(yīng)用 54 新能源科技 4 結(jié)論與展望 光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有顯著效益 和巨大潛力 通過高效轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能為電能和熱能 該 技術(shù)為農(nóng)業(yè)設(shè)施的溫控 灌溉 照明和作物干燥等關(guān) 鍵環(huán)節(jié)提供了可靠的能源支持 并實(shí)現(xiàn)了良好的減碳 降排效果 本文介紹了光伏技術(shù)的基礎(chǔ)原理 并針對(duì) 其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的不同集成方式 分析了光伏技術(shù)的 具體應(yīng)用場(chǎng)景 進(jìn)一步闡述了光伏 光熱系統(tǒng)在提升 設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件方面的效果 盡管目前的研究已 取得顯著進(jìn)展 但考慮到光伏對(duì)動(dòng)植物光照的影響 光伏系統(tǒng)能效 設(shè)施農(nóng)業(yè)能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等因素 光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍從以下方面進(jìn)一 步發(fā)展 1 光伏設(shè)備的材料與器件研發(fā)工作可在優(yōu)化 植物光照條件的半透明光伏材料 先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)和 電力電子期間優(yōu)化等方面著重開展 以提升光伏系統(tǒng) 的能源轉(zhuǎn)換效率 并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與能源轉(zhuǎn)換的高效 結(jié)合 2 開發(fā)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 人工智能的光伏 設(shè) 施農(nóng)業(yè)智慧系統(tǒng) 以提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的能源管理效率和 作物生產(chǎn)質(zhì)量 實(shí)現(xiàn)精細(xì)化農(nóng)業(yè)管理 3 探索與光伏系統(tǒng)相結(jié)合的高效儲(chǔ)能解決方 案 通過精確的能源負(fù)荷和光照預(yù)測(cè) 優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng) 和光伏電池的匹配系統(tǒng) 確保設(shè)施能源供應(yīng)的穩(wěn)定性 和經(jīng)濟(jì)性 提出零碳設(shè)施農(nóng)業(yè)解決方案 參考文獻(xiàn) 1 PELLETIER N AUDSLEY E BRODT S et al Energy intensity of agriculture and food sys tems J Annual Review of Environment and Resources 2011 36 223 246 2 ENGLER N KRARTI M Optimal designs for net zero energy controlled environment agricul ture facilities J Energy and Buildings 2022 272 112364 3 ENGLER N KRARTI M Review of energy effi ciency in controlled environment agriculture J Renewable and Sustainable Energy Re views 2021 141 110786 4 KIM H OH D JANG H et al Development of a multi node monitoring system for analyzing plant growth and indoor environment interac tions an empirical study on a plant factory J Computers and Electronics in Agriculture 2023 214 108311 5 丁亞會(huì) 張?jiān)弃Q 孫寧 等 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā) 展的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)與啟示 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023 16 1 8 6 LA NOTTE L GIORDANO 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