光伏組件遮陰對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無(wú)花果產(chǎn)量影響分析 張 龍1 2 3 吳翠南1 3 鮑恩財(cái)1 2 3 龔劍暉1 王芽芽1 楊 晨4 許桂俊4 王 勵(lì)5 鄧 力5 1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 南京 210014 2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 南京 210031 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下 游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210014 4 深能南京能源控股有限公司 南京 211225 5 長(zhǎng)江三峽集團(tuán)江蘇能源投資有限公 司 江蘇 南京 210019 摘 要 為保證光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目中的光伏發(fā)電效益 通常在農(nóng)業(yè)用地上鋪設(shè)大量的光伏組件 日間 光伏組件會(huì)遮擋太陽(yáng) 光線并在農(nóng)業(yè)用地上產(chǎn)生較大的遮陰面積 為探明光伏組件遮陰對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部光環(huán)境 陰影寬度 作物葉片光合 特性和產(chǎn)量的影響 以江蘇南京地區(qū)光伏組件下沿邊緣距離地面垂直高度 以下簡(jiǎn)稱光伏組件鋪設(shè)高度 為2 5 3 2 3 9 m的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象 測(cè)試了光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部光伏陣列板下和板間種植區(qū)域的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 計(jì)算分析 了光伏組件遮陰形成的陰影寬度在1 a中的變化規(guī)律 研究了光伏陣列板間種植區(qū)域無(wú)花果的產(chǎn)量和葉片光合特性差異 結(jié)果表明 試驗(yàn)期間光伏陣列板間種植區(qū)域的采光率保持在55 4 68 9 是光伏陣列板下種植區(qū)域的2 1 3 3倍 在3種光伏組件鋪設(shè)高度下 光伏陣列板間種植區(qū)域的采光率隨著光伏組件鋪設(shè)高度的增加而降低 光伏陣列板下種植 區(qū)域相反 無(wú)花果全生育期內(nèi) 光伏組件遮陰寬度隨緯度 光伏組件鋪設(shè)高度增大而增大 光伏組件遮陰導(dǎo)致各處理的 無(wú)花果平均產(chǎn)量較露天對(duì)照減少了19 9 48 9 且葉片的光合特性能較好地反映各處理間的產(chǎn)量差異 較低的光伏 組件鋪設(shè)高度能有效提高無(wú)花果葉片的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度 從而減輕光伏組件遮陰導(dǎo)致的光合抑制 綜上 與光伏 組件鋪設(shè)高度為3 2 m和3 9 m的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比 光伏組件鋪設(shè)高度為2 5 m的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部光環(huán)境更好 遮 陰寬度更窄 能較好地降低無(wú)花果產(chǎn)量的減產(chǎn)幅度 在各地的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目中具有一定的實(shí)用價(jià)值 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè) 光伏 光伏組件 光照 陰影 產(chǎn)量 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 中圖分類號(hào) S214 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2024 23 0294 09 張龍 吳翠南 鮑恩財(cái) 等 光伏組件遮陰對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無(wú)花果產(chǎn)量影響分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2024 40 23 294 302 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 http www tcsae org ZHANG Long WU Cuinan BAO Encai et al Effects of photovoltaic module shading on internal light environment and fig Ficus carica L yield in agrivoltaic systems J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2024 40 23 294 302 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 http www tcsae org 0 引 言 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是將太陽(yáng)能發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)耦合 的新型發(fā)展模式 隨著可再生能源的推廣和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 的需求 該模式在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展 1 2 2021 年的國(guó)際光伏農(nóng)業(yè)大會(huì)指出 中國(guó)已成為光伏農(nóng)業(yè)模式 發(fā)展最好的國(guó)家之一 農(nóng)光一體總裝機(jī)容量位居世界第 一 3 目前 光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目在中國(guó)3種類別的太陽(yáng)能資 源區(qū)均有應(yīng)用推廣 為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興作出了 重要貢獻(xiàn) 4 5 在農(nóng)業(yè)用地上建設(shè)的光伏陣列是光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的主 體結(jié)構(gòu) 其主要由光伏組件與支撐部件等組成 具體包 括固定支架 柔性支架與跟蹤式支架3種光伏陣列類 型 6 7 鑒于施工成本及設(shè)備運(yùn)行的可靠性 目前絕大部 分的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目會(huì)優(yōu)先選用固定支架的安裝方案 6 為充分保障光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地利用率和機(jī) 械化率 中國(guó)江蘇 云南等省份相繼發(fā)文要求光伏農(nóng)業(yè) 項(xiàng)目的光伏組件在具有一定的傾角下 設(shè)計(jì)足夠的鋪設(shè) 高度以保證農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn) 通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn) 截至2024 年6月 已有江蘇 陜西等13個(gè)省份對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中 光伏組件下沿邊緣距離地面的垂直高度 以下簡(jiǎn)稱光伏 組件鋪設(shè)高度 做了強(qiáng)制性規(guī)定 其中江蘇等大多省份 的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目最低光伏組件鋪設(shè)高度為2 5 m 雖然最低光伏組件鋪設(shè)高度在一定程度上保障了農(nóng) 業(yè)的生產(chǎn) 但是仍有大量的光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目在實(shí)際生產(chǎn)過(guò) 程中存在 重光輕農(nóng) 的現(xiàn)象 8 9 在光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃 建設(shè)時(shí) 鋪設(shè)的大量光伏組件會(huì)產(chǎn)生較大的遮陰面積與 收稿日期 2024 07 22 修訂日期 2024 10 11 基金項(xiàng)目 寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2023BCF01022 中國(guó)三 峽新能源 集團(tuán) 股份有限公司科研項(xiàng)目 合同編號(hào) 32010105 深圳 能源集團(tuán)股份有限公司科研項(xiàng)目 0309 NKRC 技開(kāi) 2023 0030 農(nóng)業(yè)與 能源互補(bǔ)互促技術(shù)與應(yīng)用研究 37 2023 QQ 49 Q0001 作者簡(jiǎn)介 張龍 博士生 研究方向?yàn)樾履茉崔r(nóng)業(yè)環(huán)境工程與裝備 Email 18862072387 通信作者 鮑恩財(cái) 博士 副研究員 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源 工程 Email baoencai1990 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員 鮑恩財(cái) E041200295S 第 40 卷 第 23 期農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)Vol 40 No 23 294 2024 年 12 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec 2024 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2024 11 29 13 19 45 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 動(dòng)態(tài)陰影帶 從而影響光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的光環(huán)境 最 終影響農(nóng)作物的產(chǎn)量 這在一定程度上限制了光伏農(nóng)業(yè) 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 10 12 針對(duì)上述情況 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的光環(huán)境進(jìn)行了深入研究 西北農(nóng)林科技大 學(xué)鄒志榮團(tuán)隊(duì)以光伏日光溫室為研究對(duì)象 探究了光伏 組件遮陰對(duì)室內(nèi)光環(huán)境及番茄生長(zhǎng)的影響 13 浙江大學(xué) 鄭榮進(jìn)團(tuán)隊(duì)分析了光伏茶園中固定支架與跟蹤式支架的 光伏組件遮陰對(duì)茶園內(nèi)部光環(huán)境及茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響 14 SANTRA等 15 以3種光伏組件鋪設(shè)密度的光伏陣列為研 究對(duì)象 研究了光伏組件遮陰對(duì)3種光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部 光量子通量密度的影響 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院鮑恩財(cái)團(tuán)隊(duì) 結(jié)合傳感器配置策略和光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)特征 揭 示了光伏組件鋪設(shè)高度為3 2 m的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部光 環(huán)境在夏 冬兩季的變化規(guī)律 16 17 上述研究有效表征了光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的光環(huán)境特 征 不過(guò)未從光伏組件鋪設(shè)高度這一結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其內(nèi)部 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行研究 另外 光伏組件在 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的陰影帶隨時(shí)間變化而變化 關(guān)于光伏 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中光伏組件遮陰寬度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律亦未見(jiàn)報(bào) 道 目前對(duì)農(nóng)業(yè)建筑中陰影動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究?jī)H局限 在連棟溫室天溝 18 日光溫室固定保溫被 19 等結(jié)構(gòu) 已有研究發(fā)現(xiàn)光伏組件遮陰對(duì)甘薯 20 小麥 21 蔬 菜 22 及獼猴桃 23 等作物的產(chǎn)量均會(huì)造成負(fù)面影響 而 無(wú)花果 Ficus carica L 是一種適應(yīng)性強(qiáng) 耐旱 耐蔭 掛果早 產(chǎn)量高 抗病性好且栽植容易的經(jīng)濟(jì)性苗木 在江蘇 云南 陜西和湖南等地均有種植 能較好適應(yīng) 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境 24 25 故本研究以栽植無(wú) 花果樹(shù)的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為研究對(duì)象 通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析 光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的 影響 根據(jù)太陽(yáng)直射輻射理論計(jì)算光伏組件遮陰寬度 并對(duì)受不同光伏組件鋪設(shè)高度和地理位置影響而形成的 陰影寬度進(jìn)行分析 同時(shí)從光伏組件遮陰的角度定量分 析光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)無(wú)花果產(chǎn)量和葉片光合特性的影響 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)描述 供試光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)位于江蘇省南京市溧水區(qū)的光伏 農(nóng)業(yè)園區(qū) 31 62 N 119 18 E 該園區(qū)于2016年建 成 占地約47 hm2 包含8個(gè)光伏陣列片區(qū) 總裝機(jī)容 量為20 MW 每年可發(fā)電約2 400萬(wàn)kW h 供試光伏農(nóng) 業(yè)陣列 以下簡(jiǎn)稱光伏陣列 坐北朝南 跨度為6 8 m 采用橫向4排光伏組件緊密排布方式 如圖1所示 光 伏組件的鋪設(shè)高度均不低于2 5 m 垂直投影比例 光伏 組件在農(nóng)田上的垂直投影總面積 架設(shè)光伏組件的農(nóng)田面 積 為53 3 由混凝土預(yù)制樁等結(jié)構(gòu)支撐 安裝傾角 為24 材料為265 Wp多晶硅 光電轉(zhuǎn)換效率為16 3 單塊光伏組件尺寸為1 640 mm 992 mm 35 mm 為保證光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的采光率和機(jī)械化作業(yè)空 間 目前江蘇省現(xiàn)存光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的光伏組件鋪設(shè)高度 區(qū)間為2 5 4 0 m 基于此 本研究選取了光伏組件鋪 設(shè)高度為2 5 3 2 3 9 m的3種光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 除光伏 組件鋪設(shè)高度外 供試光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)和材料 參數(shù)完全一致 a 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)景 a Interior view of agrivoltaic system b 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)外景 b Exterior view of agrivoltaic system 圖1 試驗(yàn)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng) Fig 1 Experimental agrivoltaic systems 1 2 栽植果樹(shù) 2019年初在供試光伏陣列內(nèi)部南北向居中位置 沿 東西向栽植了單行矮化無(wú)花果 品種 青皮 如圖1a 所示 無(wú)花果樹(shù)株間距約3 0 m 株高約1 0 m 冠幅約 2 5 m 栽植密度約490株 hm2 每年9 10月為采收期 1 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 3 1 種植區(qū)域光環(huán)境 結(jié)合無(wú)花果株高等生長(zhǎng)參數(shù) 距地面1 0 m高度的 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大小及分布情況是評(píng)價(jià)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部 光環(huán)境的重要指標(biāo) 基于此 本文監(jiān)測(cè)的光環(huán)境因子包 括2 5 3 2 3 9 m的光伏組件鋪設(shè)高度下 分別對(duì)應(yīng)為 H2 5 H3 2 H3 9 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 其中分為光伏陣列板下種植區(qū)域 U 和板間種植區(qū)域 B 2個(gè)部分 同時(shí) 在系統(tǒng)外部開(kāi)闊地設(shè)置氣象站 同步監(jiān)測(cè)露天 CK 的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 具體種植區(qū)域分 類及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示 本文以單跨光伏陣列北側(cè)板 下種植區(qū)域的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)光伏陣列 板下種植區(qū)域太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的數(shù)據(jù)來(lái)源 試驗(yàn)時(shí)間為 2023年無(wú)花果的全生育期 即2023年4月1日 2023 年9月30日 測(cè)試儀器采用HOBO系列傳感器 所有傳感器進(jìn)行 全天監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為10 min 研究所用的太 陽(yáng)輻射強(qiáng)度傳感器為太陽(yáng)總輻射傳感器 S LIB M003 Onset Computer Crop公司 美國(guó) 精度為 10 W m2 由HOBO微型氣象站 H21 USB Onset Computer Crop 公司 美國(guó) 采集 鐘坤炎等 26 在研究全年太陽(yáng)輻射規(guī) 律時(shí) 明確中國(guó)夏半年地方時(shí)06 00前為太陽(yáng)升起時(shí)段 18 00后為太陽(yáng)落下時(shí)段 基于此 本研究定義夏季白晝 時(shí)間段為06 00 18 00 夜間時(shí)間段為18 00至次日06 00 采光率作為光環(huán)境的重要評(píng)價(jià)指標(biāo) 在各類建筑的 光環(huán)境分析中都有應(yīng)用 張勇等 27 將日光溫室內(nèi)測(cè)點(diǎn)光 照度均值與室外測(cè)點(diǎn)光照度均值的比值作為透光率來(lái)評(píng) 價(jià)日光溫室采光性能 基于此 本文結(jié)合光環(huán)境試驗(yàn) 規(guī)定以光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度平均值與 外部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度平均值的比值作為該測(cè)點(diǎn)的采光率 以某一測(cè)點(diǎn)在多個(gè)時(shí)間段下采光率的均值作為該測(cè)點(diǎn)的 平均采光率 將采光率和平均采光率作為光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 內(nèi)部光環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo) 并通過(guò)式 1 2 計(jì)算 第 23 期張 龍等 光伏組件遮陰對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無(wú)花果產(chǎn)量影響分析295 H 3 400 3 968 6 150 1 000 光伏陣列板下 種植區(qū)域 北 North 光伏陣列板間 種植區(qū)域 光伏板 Photovoltaic panel 混凝土預(yù)制樁 Precast concrete pile 斜支撐架 Inclined support frame 監(jiān)測(cè)場(chǎng)景Monitoring scene Planting area under the PV panels Planting area between the PV panels 注 數(shù)據(jù)單位 mm H 為光伏組件鋪設(shè)高度 m Note The data unit mm H represents the vertical distance between the lower edge of the photovoltaic module and the ground m 圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖 Fig 2 Layout of test points Rd 1k k k 1 Eink 1k k k 1 Eoutk 1 Ravg 1j j j 1 Rdj 2 式中Ein為內(nèi)部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)量值 W m2 Eout為外 部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)量值 W m2 Rd為試驗(yàn)期間日采光 率 Ravg為試驗(yàn)期間平均采光率 k為太陽(yáng)輻射 強(qiáng)度數(shù)據(jù)日記錄條數(shù) j為試驗(yàn)天數(shù) d 1 3 2 作物產(chǎn)量 光合特性 為探究光伏組件遮陰對(duì)作物產(chǎn)量和光合特性的影響 本研究對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)花果產(chǎn)量和葉片光合特性 進(jìn)行測(cè)定分析 本試驗(yàn)以光伏組件鋪設(shè)高度為試驗(yàn)因素 設(shè)置H2 5 H3 2 H3 9共3種處理 以露天種植為對(duì)照 CK 在每個(gè)高度下選取5棵生長(zhǎng)狀況良好 具有代 表性的果樹(shù)進(jìn)行掛牌 試驗(yàn)的所有處理在同一塊大田 氮 磷 鉀肥用量相同 試驗(yàn)期間除施肥外 不涉及其 他農(nóng)藝措施 在產(chǎn)量對(duì)比試驗(yàn)中 于9月份果實(shí)成熟期對(duì)每個(gè)處 理的掛牌果樹(shù)進(jìn)行一次性采收并統(tǒng)計(jì)果數(shù) 同時(shí)在每個(gè) 處理下各選取果樹(shù)外圍中部長(zhǎng)勢(shì)一致且無(wú)病蟲(chóng)害的成熟 果實(shí)15個(gè) 并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單果質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)測(cè)定 在光合參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)中 于9月份果實(shí)成熟期使用 LI COR 6800型便攜式光合儀 LI COR公司 美國(guó) 測(cè) 定無(wú)花果樹(shù)冠面中間位置葉片的光合特性 光合儀參數(shù) 設(shè)定為環(huán)境溫度25 相對(duì)濕度為50 光量子通量強(qiáng) 度為1 000 mol m2 s CO2濃度為400 mol mol 測(cè)定 系統(tǒng)采用開(kāi)放式氣路 自然光源 每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)一 致 生長(zhǎng)良好的3棵果樹(shù) 重復(fù)3次 取均值 測(cè)定的 葉片光合參數(shù)包括凈光合速率 Pn 氣孔導(dǎo)度 Gs 蒸騰速率 Tr 和胞間CO2濃度 Ci 1 4 數(shù)據(jù)處理 光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)無(wú)花果產(chǎn)量及葉片光合特性的 影響采用單因素方差分析 差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan 新復(fù)極差法 根據(jù)云量的觀測(cè)情況和日照時(shí)數(shù) 將試驗(yàn) 期間的天氣類型劃分為晴天 陰天和雨天 28 采用 Microsoft Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和繪圖 采用SPSS 20統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 2 光伏組件遮陰寬度的確定方法 2 1 光伏組件遮陰寬度定義 為研究光伏組件在光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)形成的陰影寬度 現(xiàn)將遮陰寬度d進(jìn)行如下定義 單側(cè)光伏組件在光伏陣 列間隔處地面上的投影寬度 OP 如圖3所示 為明確受光伏組件尺寸和鋪設(shè)高度等因素影響的光 伏組件遮陰寬度計(jì)算方法 提出如下假設(shè) 1 光伏組件 只對(duì)直射光產(chǎn)生阻擋 散射光在陣列內(nèi)部任一個(gè)方向上 具有相同的輻射強(qiáng)度 2 兩側(cè)光伏組件之間種植區(qū)同一 時(shí)間內(nèi)只受單側(cè)或雙側(cè)光伏組件遮陰的影響 3 陣列尺 寸 光伏組件數(shù)量不受限制 光伏陣列長(zhǎng)度在東西方向 上無(wú)限延伸 4 光伏組件的結(jié)構(gòu) 材料一致且透光率默 認(rèn)為0 5 光伏組件上下對(duì)稱截面為寬度忽略不計(jì)的矩 形 6 光伏陣列的垂直立剖面與正南方向的夾角 方位 角 默認(rèn)為0 2 2 光伏組件遮陰寬度計(jì)算方法 太陽(yáng)高度角h是指太陽(yáng)直射光線入射方向與地平線 的夾角 h可由式 3 計(jì)算求得 29 sinh sin sin cos cos cos 3 式中 為當(dāng)?shù)乇本暰暥?為太陽(yáng)赤緯角 為太陽(yáng)時(shí)角 太陽(yáng)赤緯角 可由式 4 計(jì)算求得 30 23 45 sin 360 284 N365 4 式中N為日序數(shù) 當(dāng)日期是1月1日時(shí) N 1 1 N 365 時(shí)間角度 可由式 5 計(jì)算求得 30 296農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2024 年 H O h A P B N X Y Z 光伏板 Photovoltaic panel 混凝土預(yù)制樁 Precast concrete pile s W 注 A為光伏組件東北側(cè)頂點(diǎn)與太陽(yáng)光線的交匯點(diǎn) B為太陽(yáng)光線透過(guò)A點(diǎn) 在地面上的投影點(diǎn) O為A點(diǎn)在地面上的垂直投影點(diǎn) P為B點(diǎn)在Y軸上的 垂直投影點(diǎn) W為單側(cè)光伏組件的寬度 m H為光伏組件鋪設(shè)高度 m 為光伏組件的傾角 s為太陽(yáng)方位角 h為太陽(yáng)高度角 Note A represents the point where direct sunlight meet the northeast vertex of the photovoltaic PV panel B represents projection point on the ground of direct sunlight through point A O represents vertical projection point on the ground of point A P represents vertical projection point on the Y axis of point B W represents the width of the single side PV module m H represents the vertical distance between the lower edge of the PV module and the ground m represents the inclination angle of the PV panel s represents the azimuth of the sun h represents the altitude angle of the sun 圖3 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部遮陰寬度的形成 Fig 3 The formation of internal shading width in an agrivoltaic system 15 Tr 12 5 式中Tr為真太陽(yáng)時(shí) Tr可由式 6 計(jì)算求得 Tr t 120 15 e60 6 式中t為北京時(shí)間 為當(dāng)?shù)亟?jīng)度 時(shí)差e可由式 7 計(jì)算求得 e 9 87sin2A 7 53cosA 1 5sinA 7 式中A為常數(shù) A可由式 8 計(jì)算求得 A 360 N 81 364 8 太陽(yáng)方位角 s 是指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng) 地子午線的夾角 s可由式 9 計(jì)算求得 29 cos s sin h sin sin cos h cos 9 為便于計(jì)算光伏組件在光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)形成的陰影 寬度 本研究以光伏組件東北角邊緣點(diǎn)在地面上的垂直 投影點(diǎn)作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)建立了三維坐標(biāo)系 如圖3所示 光伏陣列遮陰陰影的形成過(guò)程為 某時(shí)刻 太陽(yáng)直射光 線以平行于AP的角度入射至系統(tǒng)內(nèi)部 經(jīng)光伏組件遮 擋后在地面形成實(shí)際陰影寬度OB 其在南北方向的投影 長(zhǎng)度OP為光伏組件在兩排光伏陣列間隔處遮陰的寬度 Ls 根據(jù)太陽(yáng)位置參數(shù) 地理位置參數(shù)和幾何關(guān)系 Ls可由式 10 計(jì)算求得 Ls W sin H coth cos s 10 3 結(jié)果與分析 3 1 光熱環(huán)境特性分析 3 1 1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 圖4顯示了3個(gè)光伏組件鋪設(shè)高度下光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi) 日平均太陽(yáng)輻射與采光率的變化 H2 5 H3 2和H3 9 處理下 光伏陣列板間與板下2個(gè)種植區(qū)域日平均太陽(yáng) 輻射強(qiáng)度變化范圍分別為51 6 432 7 28 4 82 3 W m2 47 6 439 2 33 4 108 6 W m2 40 3 448 5 34 9 113 5 W m2 平均采光率分別為 68 9 21 2 H2 5 65 2 24 1 H3 2 55 4 26 3 H3 9 由圖4 可見(jiàn) 在3種光伏組件鋪設(shè)高度下 光伏陣列板間種植 區(qū)域的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和采光率隨著光伏組件鋪設(shè)高 度的增加而降低 光伏陣列板下種植區(qū)域相反 B U B U B U 0 0 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 Solar radiation intensity W m 2 采光率Daylighting rate 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 Solar radiation intensity W m 2 采光率Daylighting rate 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)點(diǎn) The measuring point of solar radiation intensity 100 80 60 40 20 300 250 200 150 100 50 H2 5 H3 2 處理Treatment H3 9 注 H2 5 H3 2 H3 9分別代表2 5 3 2 3 9 m的光伏組件鋪設(shè)高度 B 為光伏陣列板間種植區(qū)域 U為光伏陣列板下種植區(qū)域 Note H2 5 H3 2 and H3 9 represent the vertical height of the lower edge of the PV module from the ground which are 2 5 3 2 and 3 9 m respectively B represents the planting area between PV modules U represents the planting area under PV modules 圖4 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化 Fig 4 Variation of solar radiation intensity in agrivoltaic systems 為深入了解不同光伏組件鋪設(shè)高度的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 內(nèi)部光環(huán)境變化特征 本研究選擇晴天 7月12日 雨天 7月13日 和陰天 7月14日 的太陽(yáng)輻射強(qiáng) 度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 其逐時(shí)變化特征如圖5所示 數(shù)據(jù)顯 示 3種天氣條件下各測(cè)點(diǎn)曲線具有較高的一致性 均 呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定波動(dòng)達(dá)到峰值 最后下降變?yōu)?的 變化趨勢(shì) 且各曲線峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)基本一致 所 有測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在12 00 14 00來(lái)回波動(dòng)達(dá)到最 大值 晴天條件下 CK日平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為477 9 W m2 H2 5 H3 2 H3 9的光伏陣列板間和板下種植區(qū)域日 平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別為336 8 75 8 W m2 323 3 84 2 W m2 315 4 90 5 W m2 由此可見(jiàn) 晴天條件下 3種光伏組件鋪設(shè)高度的光伏陣列板下和板間種植區(qū)域 采光率變化區(qū)間分別為21 5 24 7 66 1 70 5 故光伏陣列板間種植區(qū)域平均采光率比整體試驗(yàn)期間略 高 光伏陣列板下種植區(qū)域相反 第 23 期張 龍等 光伏組件遮陰對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無(wú)花果產(chǎn)量影響分析297 3 2 光伏組件遮陰寬度計(jì)算 由式 10 可知 遮陰寬度會(huì)受到光伏組件寬度 光伏組件傾角 光伏組件鋪設(shè)高度 太陽(yáng)高度角和太陽(yáng) 方位角5個(gè)參數(shù)的影響 其中 太陽(yáng)方位角 太陽(yáng)高度 角受到光照時(shí)間 所在地理位置的影響 光伏組件寬度 和光伏組件傾角因發(fā)電效率 發(fā)電容量等客觀原因在同 一地區(qū)任一光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目上基本是固定的 而光伏組件 鋪設(shè)高度會(huì)因地形及防洪標(biāo)高一致性等因素存在差異 基于此 本文從不同的地理位置和光伏組件鋪設(shè)高度這 兩個(gè)參數(shù)入手 計(jì)算分析其對(duì)光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)光伏組件 遮陰寬度的影響 為了量化光伏組件遮陰的寬度 本文 在計(jì)算時(shí)間范圍上 取1個(gè)季度為1個(gè)時(shí)間跨度 共4 個(gè)跨度 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 2023 07 12 晴天Sunny day 雨天Rainy day 陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 露地對(duì)照區(qū)域Control area of the open field 板間種植區(qū)域Planting area between photovoltaic modules 板下種植區(qū)域Planting area under photovoltaic modules a 2 5 m 時(shí)刻Time 2023 07 12 晴天Sunny day雨天Rainy day陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 b 3 2 m 時(shí)刻Time 2023 07 12 晴天Sunny day雨天Rainy day陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 c 3 9 m 時(shí)刻Time 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 Solar radiation intensity W m 2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 Solar radiation intensity W m 2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 Solar radiation intensity W m 2 圖5 不同天氣條件下不同光伏組件鋪設(shè)高度的光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 內(nèi)部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化 Fig 5 Variation of solar radiation intensity in agrivoltaic systems with different PV panel heights under different weather conditions 3 2 1 地理位置對(duì)遮陰寬度的影響 不同地理位置的經(jīng)緯度不同 其中 經(jīng)度會(huì)影響當(dāng) 地真太陽(yáng) 緯度會(huì)影響當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角 從而導(dǎo)致遮陰 寬度存在差異 由于無(wú)花果在江蘇 云南 陜西和湖南 等省份均有大面積種植 且4個(gè)省份的最低光伏組件鋪 設(shè)高度均為2 5 m 故選擇江蘇 云南 陜西和湖4個(gè) 省份 并以4個(gè)省份的省會(huì)城市為對(duì)象分析地理位置對(duì) 遮陰寬度的影響 暫不考慮光伏組件鋪設(shè)高度造成的影 響 即默認(rèn)光伏組件鋪設(shè)高度為2 5 m 且不同地理位置 的光伏陣列尺寸與試驗(yàn)光伏陣列相同 上述地區(qū)的光伏 組件遮陰寬度在整點(diǎn)時(shí)刻的平均值如表1所示 由表1 可見(jiàn) 光伏組件周年遮陰寬度整體呈現(xiàn)先下降再上升的 變化趨勢(shì) 變化差異明顯 在南京 無(wú)花果生育期內(nèi) 4 9月 光伏組件遮陰寬度均值為0 81 m 最大值 出現(xiàn)在中午12 00 下午遮陰寬度均值較上午大0 13 m 在昆明 西安和長(zhǎng)沙 無(wú)花果生育期內(nèi) 4 9月 光 伏組件遮陰寬度均值分別為0 52 0 88和0 65 m 最大 值均出現(xiàn)在13 00 下午遮陰寬度均值較上午分別大1 17 1 24和0 69 m 同時(shí)結(jié)合4地地理位置可以發(fā)現(xiàn) 同 一時(shí)刻下不同地理位置的光伏組件遮陰寬度差異較大 且在無(wú)花果全生育期內(nèi)光伏組件遮陰寬度隨緯度增大而 增大 3 2 2 光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)遮陰寬度的影響 為研究不同光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)遮陰寬度的影響 選擇2 5 3 2 3 9 m的3種光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)遮陰寬 度進(jìn)行分析 默認(rèn)光伏陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)除光伏組件鋪設(shè) 高度外均相同 由表1可見(jiàn) 當(dāng)光伏組件鋪設(shè)高度越高 時(shí) 南京 昆明 西安和長(zhǎng)沙4地在任一時(shí)間段內(nèi)遮陰 寬度均越大 且下午遮陰寬度均值大于上午 無(wú)花果生 育期內(nèi) 當(dāng)光伏組件鋪設(shè)高度由2 5 m增高至3 9 m時(shí) 南京 昆明 西安和長(zhǎng)沙4地遮陰寬度均值增幅分別為 34 0 34 0 34 2 和34 1 同時(shí) 以2 5 m的光伏 組件鋪設(shè)高度為例 無(wú)花果生育期內(nèi)南京 昆明 西安 和長(zhǎng)沙4地的最大遮陰寬度占光伏陣列板間種植區(qū)域?qū)?度的比例分別為34 6 25 5 36 9 和29 3 3 3 作物產(chǎn)量及光合特性分析 3 3 1 果實(shí)產(chǎn)量及其構(gòu)成 光伏組件鋪設(shè)高度對(duì)無(wú)花果產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響如 表2所示 由表2可知 光伏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部各處理的產(chǎn) 量均顯著 P 0 05 低于露天對(duì)照 且光伏組件鋪設(shè)高 度對(duì)無(wú)花果產(chǎn)量及其構(gòu)成指標(biāo)的影響均達(dá)到顯著水平 P 0 05 與露天對(duì)照相比 H2 5 H3 2和H3 9的 產(chǎn)量分別減少了19 9 33 8 和48 9 由此可見(jiàn) 無(wú) 花果產(chǎn)量隨著光伏組件鋪設(shè)高度的增加而降低 H2 5較 H3 2和H3 9分別增產(chǎn)13 9 和29 0 在產(chǎn)量構(gòu)成因素 方面 各處理的單果質(zhì)量和果數(shù)均顯著 P 0 05 低于 露天對(duì)照 且各處理間差異顯著 P 0 05 與露天對(duì) 照相比 H2 5 H3 2和H3 9的單果質(zhì)量分別降低了 13 4 22 6 和34 0 果數(shù)分別減少了7 4 14 3 和22 5 由此可見(jiàn) H2 5的無(wú)花果單果質(zhì)量和果數(shù)等 產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu) 而H3 9的各產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)表現(xiàn) 最差 298農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2024 年 表 1 不同光伏組件鋪設(shè)高度與地理位置對(duì)遮陰寬度的影響 Table 1 Effects of photovoltaic panels with different laying heights and geographical location on the shading width 月份 Months時(shí)刻Time 遮陰寬度 Shading width m 南京Nanjing 31 62 N 119 18 E 昆明Kunming 25 22 N 103 10 E 西安Xi an 34 10 N 108 40 E 長(zhǎng)沙Changsha 27 90 N 112 53 E H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 1 3 09 00 3 76 4 40 5 04 4 82 5 64 6 47 4 98 5 83 6 67 3 93 4 60 5 27 10 00 3 24 3 79 4 34 3 38 3 95 4 53 3 68 4 31 4 94 3 20 3 74 4 29 11 00 3 02 3 54 4 05 2 91 3 40 3 90 3 25 3 81 4 36 2 91 3 41 3 90 12 00 2 95 3 45 3 95 2 71 3 17 3 63 3 08 3 60 4 13 2 79 3 27 3 74 13 00 2 97 3 48 3 99 2 64 3 08 3 53 3 03 3 55 4 06 2 78 3 25 3 72 14 00 3 11 3 64 4 17 2 65 3 10 3 55 3 09 3 61 4 14 2 85 3 34 3 83 15 00 3 46 4 05 4 64 2 77 3 24 3 71 3 28 3 84 4 40 3 07 3 59 4 11 平均3 22 3 76 4 31 3 13 3 65 4 19 3 48 4 08 4 67 3 08 3 60 4 12 4 6 09 00 0 42 0 49 0 56 0 11 0 13 0 15 0 33 0 38 0 44 0 24 0 28 0 32 10 00 0 63 0 73 0 84 0 23 0 27 0 31 0 59 0 69 0 79 0 37 0 44 0 50 11 00 0 73 0 86 0 98 0 33 0 39 0 45 0 76 0 89 1 02 0 53 0 62 0 71 12 00 0 77 0 90 1 03 0 43 0 50 0 57 0 84 0 98 1 13 0 60 0 70 0 80 13 00 0 74 0 86 0 99 0 47 0 55 0 63 0 86 1 00 1 15 0 59 0 70 0 80 14 00 0 64 0 75 0 85 0 44 0 52 0 59 0 81 0 95 1 09 0 53 0 61 0 70 15 00 0 43 0 51 0 58 0 34 0 40 0 45 0 69 0 81 0 93 0 37 0 44 0 50 平均0 62 0 73 0 83 0 34 0 39 0 45 0 70 0 81 0 94 0 46 0 54 0 62 7 9 09 00 0 83 0 97 1 12 0 47 0 55 0 64 0 75 0 87 1 00 0 62 0 73 0 83 10 00 0 99 1 16 1 33 0 58 0 68 0 78 0 97 1 13 1 30 0 76 0 89 1 02 11 00 1 07 1 25 1 44 0 69 0 81 0 92 1 10 1 28 1 47 0 88 1 03 1 17 12 00 1 10 1 29 1 48 0 77 0 90 1 04 1 16 1 36 1 55 0 93 1 09 1 24 13 00 1 08 1 27 1 45 0 81 0 94 1 08 1 17 1 37 1 57 0 93 1 09 1 25 14 00 1 02 1 19 1 37 0 79 0 93 1 06 1 14 1 34 1 53 0 89 1 04 1 19 15 00 0 89 1 04 1 19 0 73 0 85 0 97 1 07 1 25 1 43 0 78 0 91 1 05 平均1 00 1 17 1 34 0 69 0 81 0 93 1 05 1 23 1 41 0 83 0 97 1 11 10 12 09 00 4 49 5 26 6 02 5 62 6 57 7 53 5 93 6 94 7 95 4 66 5 45 6 25 10 00 3 86 4 51 5 17 4 04 4 72 5 41 4 42 5 17 5 92 3 81 4 45 5 10 11 00 3 60 4 21 4 82 3 48 4 07 4 66 3 89 4 55 5 21 3 46 4 05 4 64 12 00 3 53 4 14 4 74 3 24 3 79 4 34 3 68 4 31 4 94 3 33 3 90 4 47 13 00 3 63 4 24 4 86 3 17 3 71 4 25 3 66 4 28 4 91 3 35 3 92 4 50 14 00 3 93 4 60 5 26 3 24 3 80 4 35 3 81 4 46 5 11 3 53 4 13 4 74 15 00 4 67 5 46 6 26 3 49 4 08 4 67 4 23 4 95 5 67 3 98 4 65 5 33 平均3 96 4 63 5 30 3 75 4 39 5 03 4 23 4 95 5 67 3 73 4 36 5 00 表 2 不同高度的光伏陣列對(duì)無(wú)花果果實(shí)產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響 Table 2 PEffects of PV panels with different laying heights on yield and composition of fig fruit 處理 Treatments 單果質(zhì)量 Single fruit weight g 平均單株果數(shù) Average number of fruits per plant 果實(shí)產(chǎn)量 Fruit yield t hm 2