總 609 期第 4 期2017 年 4 月河南科技Henan Science and T echnology光伏溫室的研究綜述郭騰騰（ 云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 ，云南 昆明 650504 ）摘 要 ：國 內(nèi) 外 學(xué) 者 對 光 伏 溫 室 已 經(jīng) 進 行 了 大 量 的 實 驗 研 究 ，本 文 在 對 這 些 實 驗 研 究 進 行 歸 納 總 結(jié) 的 基 礎(chǔ)上 ，提出現(xiàn)如今光伏溫室研究的幾點不足 ，以及對光伏溫室研究的建議 。關(guān)鍵詞 ：光伏溫室 ；熱場分布 ；CFD 模擬 ；設(shè)計建造中圖分類號 ：S 625 文獻標(biāo)識碼 ：A 文章編號 ：1003 - 5168 （ 2017 ） 04 - 0158 - 03A Review of Research on Photovoltaic GreenhouseGuo Tengteng（ School of Energy and Environment Science ，Yunnan normal university ，Kunming Yunnan 650504 ）Abstract: Domestic and foreign scholars have done a lot of experimental research on photovoltaic greenhouse, basedon the summary of the experimental research, this paper put forward some problems in the research of photovoltaicgreenhouse, and proposed some suggestions for the research of photovoltaic greenhouse.Keywords: photovoltaic greenhouse ；thermal-field distribution ；CFD simulation ；design and build現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 是 一 個 朝 陽 的 產(chǎn) 業(yè) ，特 別 是 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展前 景 廣 闊 。 我 國 的 溫 室 大 棚 等 農(nóng) 業(yè) 設(shè) 施 總 量 早 已 達 到 世界 第 一 ，這 類 設(shè) 施 建 在 地 勢 平 坦 的 地 方 ，而 且 頂 部 無 遮擋 ，如 果 在 溫 室 頂 上 安 裝 光 伏 板 將 其 改 造 成 光 伏 溫 室 ，將光 伏 發(fā) 電 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 有 機 結(jié) 合 起 來 ，不 僅 可 以 解 決 土 地資源的緊缺問題 ，而且可以實現(xiàn)多重收益 。1 國外光伏溫室的研究進展對 光 伏 溫 室 的 研 究 最 早 是 在 已 有 溫 室 大 棚 上 搭 建 光伏 組 件 進 行 的 。 Cossu M 和 Murgia L 等 1就 是 在 已 有 的東 西 導(dǎo) 向 的 溫 室 大 棚（ 總 面 積 為 960 m2）的 前 坡 面 全 部 覆蓋 上 多 晶 硅 光 伏 組 件 ，覆 蓋 面 積 為 溫 室 屋 頂 總 面 積 的50 % ，其 光 伏 組 件 的 總 額 定 功 率 為 68 kWp ，并 將 光 伏 組 件產(chǎn) 生 的 電 能 用 于 取 暖 和 照 明 ，來 研 究 溫 室 內(nèi) 部 的 太 陽 輻射 分 布 以 及 溫 度 和 濕 度 的 改 變 。 結(jié) 果 表 明 ，太 陽 輻 射 的分 布 是 有 南 北 梯 度 的 ，光 伏 組 件 的 產(chǎn) 電 量 可 以 滿 足 溫 室內(nèi)照明和取暖的要求 。為 了 最 大 程 度 地 降 低 光 伏 組 件 遮 光 對 溫 室 內(nèi) 部 的 太陽 輻 射 的 影 響 ，Cossu M 和 Yano A 等 2將 一 種 新 型 的 球 形微 太 陽 電 池 應(yīng) 用 于 26 .5 的 溫 室 屋 頂 上 組 成 半 透 明 的 模型 并 進 行 了 測 試 ，半 透 明 的 模 型 是 由 4 800 塊 夾 在 玻 璃 中間 的 球 形 硅 微 小 電 池 組 成 的 。 全 部 微 太 陽 電 池 和 金 屬 導(dǎo)體 的 覆 蓋 率 為 9 .7 % 。 結(jié) 果 表 明 ，與 傳 統(tǒng) 的 多 晶 硅 模 塊 相比 ，微 小 太 陽 電 池 半 透 明 模 塊 的 產(chǎn) 量 收 益 略 高 。 此 外 ，為了提高能 源效率和 光伏溫室 的可持續(xù) 發(fā)展 ，Yano A 和 On oe M 等 3還 對 溫 室 屋 頂 上 的 球 形 微 太 陽 電 池 的 排 布 進 行了 變 化 研 究 ，一 種 是 用 1 500 個 直 徑 為 1 .8 mm 的 晶 體 硅 球形 微 太 陽 電 池 以 15 .4 個 /cm2電 池 的 密 度 排 布 在 108 mm 90 mm 的 溫 室 屋 頂 上 ，另 一 種 是 用 同 樣 的 光 伏 電 池 500 個以 5 .1 個 /cm2電 池 的 密 度 排 布 在 相 同 尺 寸 的 屋 頂 上 ，通 過計 算 單 位 溫 室 土 地 面 積 的 年 度 電 能 生 產(chǎn) 表 明 ，這 樣 的 排布 更 適 合 高 輻 射 度 地 區(qū) ，只 有 在 高 輻 射 度 的 地 區(qū) ，冬 季 的產(chǎn) 電 量 才 能 滿 足 溫 室 的 需 求 。 為 了 研 究 評 估 配 有 光 伏 陣列 東 西 導(dǎo) 向 的 哥 特 式 尖 拱 型 溫 室 內(nèi) 的 陽 光 能 量 的 空 間 分布 。 Yano A 和 Kadowaki M 等 4還 研 究 了 在 同 一 溫 室 屋 頂上覆 蓋相 同面 積的 光伏 組件 （ 均為 屋頂 面積 的 12 .9 % ），將排 布 方 式 分 別 采 用 棋 盤 型 和 直 線 型 排 布 ，所 有 的 排 布 均是 使 用 30 塊 相 同 的 光 伏 電 池 ，來 研 究 溫 室 內(nèi) 的 陰 影 情 況和 光 伏 組 件 的 產(chǎn) 電 情 況 。 結(jié) 果 表 明 ，2 種 排 布 方 式 的 產(chǎn) 電量 幾 乎 沒 有 差 別 ，與 直 線 型 布 局 相 比 ，棋 盤 布 局 能 很 好 地改 善 溫 室 內(nèi) 陽 光 輻 射 空 間 分 布 不 平 衡 的 問 題 ，棋 盤 型 能夠 使 溫 室 內(nèi) 的 植 物 接 收 到 更 好 的 陽 光 能 源 。 所 以 ，溫 室屋 頂 上 光 伏 組 件 的 排 布 對 于 溫 室 內(nèi) 的 氣 候 環(huán) 境 有 很 大 的影 響 。 為 了 進 一 步 研 究 光 伏 組 件 布 局 對 植 物 生 長 的 影收稿日期 ：2017 - 03 - 12作者簡介 ：郭騰騰 （ 1990 -），女 ，碩士在讀 ，研究方向 ：光伏技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 。地球與環(huán)境第 4 期 159 響 ，Kadowaki M 和 Yano A 5還 在 棋 盤 型 和 直 線 型 排 布 的溫 室 里 種 植 大 蔥 ，來 研 究 不 同 排 布 對 大 蔥 生 長 的 影 響 。結(jié) 果 顯 示 ，與 直 線 型 相 比 ，棋 盤 型 的 排 布 更 利 于 大 蔥 的生 長 。與 傳 統(tǒng) 的 實 測 實 驗 相 比 ，有 很 多 人 運 用 計 算 機 來 進行 模 擬 實 驗 ，研 究 光 伏 溫 室 的 許 多 特 性 。 Bhattacharya T和 Chakraborty A K 6運 用 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 算 法 模 擬 計 算 集 成 在溫 室 屋 頂 的 柔 性 薄 膜 太 陽 電 池 ，通 過 運 用 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 模擬 計 算 ，它 能 在 試 驗 前 期 就 能 過 預(yù) 算 出 集 成 在 溫 室 屋 頂上 的 太 陽 電 池 的 產(chǎn) 電 量 ，還 模 擬 了 太 陽 電 池 對 植 物 光 合作 用 的 影 響 。 結(jié) 果 表 明 ，可 以 相 應(yīng) 地 調(diào) 整 光 伏 組 件 的 覆蓋 率 ，來 模 擬 對 植 物 光 合 作 用 的 影 響 ，在 10 % 的 覆 蓋 率 的情 況 下 對 植 物 光 合 作 用 的 影 響 不 大 。 Gupta R 和 Tiwari GN 等 7運 用 CAD- 3 D 陰 影 分 析 來 分 析 進 入 到 覆 蓋 了 光 伏組 件 的 溫 室 在 溫 室 內(nèi) 壁 和 地 板 上 的 輻 射 分 布 ，實 驗 是 基于 印 度 新 德 里 的 地 理 參 數(shù) 進 行 的 ，實 驗 中 調(diào) 整 光 伏 溫 室的 長 度 和 寬 度 來 研 究 落 在 光 伏 溫 室 內(nèi) 壁 和 地 板 上 的 陰影 ，分 別 選 擇 冬 季 和 夏 季 典 型 的 晴 朗 天 氣 進 行 試 驗 。 結(jié)果 顯 示 ，在 東 西 導(dǎo) 向 的 溫 室 大 棚 里 ，45 傾 角 時 太 陽 能 的輻 射 損 失 最 少 ，但 是 結(jié) 果 是 基 于 印 度 新 德 里 的 。 實 驗 方法 同 樣 適 用 于 其 他 地 區(qū) 和 尺 寸 的 溫 室 。 為 了 準(zhǔn) 確 預(yù) 測 裝有 太 陽 能 光 伏 板 的 溫 室 內(nèi) 部 的 小 氣 候 ，F(xiàn)atnassi H 和 Pon cet C 等 8使 用 計 算 流 體 動 力 學(xué)（ CFD ）模 型 模 擬 了 配 有 光伏組 件的 2 種類 型的 溫室 （ 不對 稱和 Venlo ）內(nèi)部 的太 陽輻射 分 布 ，通 過 分 析 模 擬 出 來 的 數(shù) 據(jù) 顯 示 ，與 不 對 稱 的 溫 室相 比 ，Venlo 溫 室 的 太 陽 輻 射 更 均 勻 ，更 有 利 于 溫 室 內(nèi) 植物和熱空氣的對流 。綜 上 所 述 ，可 以 發(fā) 現(xiàn) 目 前 國 外 對 于 太 陽 能 光 伏 溫 室的 文 獻 顯 示 多 是 集 中 于 研 究 階 段 ，文 獻 的 數(shù) 據(jù) 多 是 實 驗得 到 的 ，對 于 工 業(yè) 化 生 產(chǎn) 的 光 伏 溫 室 的 研 究 數(shù) 據(jù) 很 少 ，還是 集 中 在 實 驗 室 的 開 發(fā) 研 究 上 ，對 于 系 統(tǒng) 的 光 伏 溫 室 的數(shù) 據(jù) 影 響 規(guī) 律 鮮 有 報 道 。 但 是 ，毋 庸 置 疑 ，國 外 的 光 伏 溫室 的 研 究 價 值 對 于 現(xiàn) 在 研 究 光 伏 溫 室 還 是 很 有 用 處 的 。無 論 是 亞 洲 還 是 歐 洲 的 研 究 都 是 基 于 本 地 區(qū) 氣 候 進 行的 ，因 為 全 球 各 地 的 氣 候 條 件 不 同 ，而 溫 室 的 建 造 都 是 基于 生 產(chǎn) 需 要 的 ，所 以 說 研 究 方 法 是 值 得 借 鑒 的 。 而 具 體的 研 究 生 產(chǎn) 實 驗 仍 需 要 創(chuàng) 新 ，研 究 出 適 合 當(dāng) 地 的 太 陽 能光伏溫室 。2 國內(nèi)光伏溫室的研究進展與 國 外 相 比 ，我 國 太 陽 能 光 伏 溫 室 的 研 究 相 對 落 后 ，雖 然 我 國 現(xiàn) 已 經(jīng) 建 設(shè) 成 很 多 的 太 陽 能 光 伏 溫 室 ，但 并 未實 現(xiàn) 光 伏 發(fā) 電 和 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 雙 收 益 ，這 是 值 得 思 考 的 。而且并未找到我國生產(chǎn)化的光伏溫室的收益數(shù)據(jù) 。2012 年 5 月 14 日 ，我 國 首 座 示 范 性 光 伏 溫 室 在 甘 肅省 嘉 峪 關(guān) 建 成 ，該 光 伏 溫 室 的 建 成 對 于 我 國 現(xiàn) 代 設(shè) 施 農(nóng)業(yè) 具 有 顯 著 的 示 范 意 義 9。 而 且 在 當(dāng) 今 化 石 能 源 瀕 臨 枯竭 環(huán) 境 污 染 嚴 重 的 背 景 下 ，光 伏 溫 室 將 無 疑 會 成 為 中 國設(shè) 施 園 藝 產(chǎn) 業(yè) 突 破 資 源 環(huán) 境 瓶 頸 制 約 ，調(diào) 控 環(huán) 境 污 染 ，保證 我 國 冬 季 設(shè) 施 產(chǎn) 品 的 長 期 有 效 供 給 的 重 要 手 段 之 一 。此 外 ，由 于 光 伏 發(fā) 電 不 僅 解 決 了 取 水 灌 溉 、機 械 動 力 所 需要 的 供 電 問 題 ，還 可 以 產(chǎn) 出 多 余 的 電 力 上 網(wǎng) 輸 出 。 因 此 ，光 伏 農(nóng) 業(yè) 是 符 合 生 物 鏈 關(guān) 系 和 生 產(chǎn) 原 料 能 量 系 統(tǒng) 要 求 的重 要 農(nóng) 業(yè) 工 程 形 式 。 從 長 遠 來 看 ，發(fā) 展 光 伏 農(nóng) 業(yè) 不 僅 可以 解 決 光 伏 產(chǎn) 業(yè) 與 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 爭 地 的 現(xiàn) 狀 ，對 于 我 國 的 農(nóng)業(yè) 轉(zhuǎn) 型 也 具 有 重 要 意 義 10 。 因 此 ，為 了 更 好 地 研 究 適 合我 國 工 業(yè) 發(fā) 展 生 產(chǎn) 的 光 伏 溫 室 ，許 多 人 開 始 了 對 光 伏 溫室的研究 。 但是 ，大多數(shù)都還處在理論研究的階段 11 - 14 。昝 錦 羽 等 15 基 于 云 南 省 昆 明 市 冬 至 日 的 氣 候 特 點 ，使 用 Ecotect 軟 件 建 立 光 伏 溫 室 大 棚 模 型 ，通 過 改 變 屋 頂光 伏 面 板 的 排 布 方 式 ，分 別 采 取 排 布 一 排 、兩 排 緊 密 式 光伏 電 池 和 一 排 、兩 排 棋 盤 式 光 伏 電 池 ，來 模 擬 研 究 溫 室 內(nèi)的 溫 度 和 溫 室 內(nèi) 外 溫 度 差 ，通 過 比 較 研 究 溫 室 模 擬 出 的結(jié) 果 發(fā) 現(xiàn) ，在 使 用 相 同 數(shù) 量 的 電 池 組 件 排 布 下 ，緊 密 型 溫室 大 棚 棚 內(nèi) 溫 度 和 棚 內(nèi) 外 溫 度 差 較 大 ，棚 內(nèi) 溫 度 較 恒定 。 此 外 ，孫 迎 龍 16 還 應(yīng) 用 CFD 模 擬 了 江 蘇 省 常 州 市 嘉澤 地 區(qū) 光 伏 連 棟 玻 璃 溫 室 內(nèi) 部 的 溫 度 和 氣 流 流 動 ，通 過對 比 模 擬 值 和 測 量 值 ，發(fā) 現(xiàn) CFD 模 擬 的 數(shù) 據(jù) 和 測 量 的 數(shù)據(jù) 出 入 不 大 ，說 明 了 運 用 CFD 模 擬 的 可 靠 性 和 運 用 CFD模 擬 確 實 可 以 對 光 伏 溫 室 的 建 設(shè) 起 到 指 導(dǎo) 作 用 。 為 了 驗證 CFD 模 擬 是 否 可 行 ，孫 迎 龍 17 還 通 過 CFD 模 擬 軟 件 模擬 驗 證 了 在 自 然 通 風(fēng) 條 件 下 光 伏 玻 璃 溫 室 的 溫 度 場 。 結(jié)果 表 明 ，光 伏 玻 璃 溫 室 室 內(nèi) 的 溫 度 測 量 結(jié) 果 和 CFD 軟 件的 模 擬 結(jié) 果 絕 對 誤 差 均 值 為 0 .96 ，相 對 誤 差 均 值 為2 .94 % 。 這 表 明 CFD 軟 件 的 模 擬 溫 度 場 結(jié) 果 和 試 驗 測 量的結(jié)果基本吻合 ，驗證了 CFD 軟件模擬的可行性 。3 光伏溫室研究展望目 前 對 光 伏 溫 室 的 研 究 有 很 多 ，但 絕 大 多 數(shù) 主 要 是針 對 光 伏 溫 室 大 棚 中 小 氣 候 環(huán) 境 實 際 測 量 得 到 的 實 驗 數(shù)據(jù) ，以 及 少 數(shù) 影 響 溫 室 參 數(shù) 的 模 擬 實 驗 。 較 少 文 獻 是 針對 光 伏 溫 室 的 設(shè) 計 上 的 系 統(tǒng) 研 究 。 而 且 與 普 通 的 日 光 溫室 相 比 ，光 伏 溫 室 的 投 資 較 高 ，一 旦 建 成 修 改 的 可 能 性 很小 ，如 果 能 在 建 造 前 期 模 擬 要 建 造 溫 室 的 內(nèi) 部 環(huán) 境 就 會事 半 功 倍 。 對 此 ，建 議 在 建 造 光 伏 溫 室 大 棚 前 期 可 以 開展 計 算 模 擬 實 驗 ，以 了 解 建 造 參 數(shù) 對 溫 室 內(nèi) 部 氣 候 的 影響 規(guī) 律 ，對 溫 室 建 造 設(shè) 計 起 到 指 導(dǎo) 作 用 。 而 且 運 用 計 算機 軟 件 模 擬 具 有 實 驗 周 期 短 、實 驗 成 本 低 、適 用 性 好 、靈活 性 高 的 特 點 ，這 也 將 減 少 財 力 、物 力 、人 力 和 時 間 上 的不 必 要 消 耗 。 可 以 通 過 對 比 多 組 模 擬 實 驗 結(jié) 果 ，總 結(jié) 規(guī)律 ，作 為 建 造 和 設(shè) 計 光 伏 溫 室 的 依 據(jù) ，提 高 光 伏 溫 室 的 輻照 利 用 率 ，真 正 實 現(xiàn) 農(nóng) 業(yè) 光 伏 的 多 重 收 益 。 因 此 ，為 了 更光伏溫室的研究綜述 160 第 4 期加 深 入 地 了 解 和 研 究 光 伏 溫 室 ，建 議 在 設(shè) 計 和 建 造 光 伏溫 室 前 可 以 使 用 類 似 CFD 這 種 計 算 模 擬 軟 件 先 建 立 光 伏溫 室 大 棚 的 模 型 ，對 光 伏 溫 室 的 內(nèi) 部 環(huán) 境 進 行 模 擬 實 驗 ，先 得 到 光 伏 溫 室 的 內(nèi) 部 熱 場 分 布 ，可 以 借 鑒 前 人 的 經(jīng) 驗 ，適 當(dāng) 調(diào) 整 溫 室 大 棚 的 尺 寸 、光 伏 組 件 的 覆 蓋 率 、排 布 方式 ，模 擬 對 比 實 驗 結(jié) 果 ，探 索 溫 室 尺 寸 、光 伏 組 件 遮 擋 率 、排 布 方 式 對 其 的 影 響 規(guī) 律 ，將 熱 場 分 布 研 究 應(yīng) 用 于 光 伏溫室大棚的設(shè)計上 。參考文獻 ： 1 Cossu M ，Murgia L ，Ledda L ，et al. 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