宁夏地区光伏发电温室的设计与建造

宁夏新能源研究院(有限公司)王丽娟 汪树升

一 引言

近年来，宁夏地区光伏发电产业发展十分迅速。截至2011年末，全区已获批的光伏发电装机容量达50万kW，同时项目占用土地面积大、单位土地效益低与土地资源供应紧张的矛盾也日益突显。

宁夏地区位于北纬35¡14'～39¡23'，处于设施农业最佳纬度带。目前，全区日光温室种植面积已达6.67万hm2，其布置方向多为南北，一年四季基本无遮挡，如果在日光温室上安装太阳能发电系统，将新能源发电和设施农业结合起来，温室顶部进行太阳能发电，温室内部进行作物生产，不仅节约土地资源，还可实现多重收益。

二 光伏发电温室的设计

光伏温室的设计首先应考虑温室的主要功能是光伏发电还是农业种植，然后根据温室的功能定位进行相关设计。在设计中遵循发电效益和农业收入最大化原则。同时，要合理布置光伏组件，使其有较好的采光，不影响温室内作物的生长，具有一定的承重及抗风压、雪载能力。

根据宁夏地区已建三季型(春夏秋)光伏温室采集到的环境数据可知，4月上旬至10月下旬温室内的最低温度高于0℃，基本能满足设施农业生产的温度要求。常规塑料拱棚，一般4月中下旬开始种植，10月拉秧。四季型(春夏秋冬)光伏温室由于增加了后墙和侧墙保温、暖风机及外保温卷帘被，其造价(不含光伏系统)比三季型光伏温室增加约25%，农业生产效益比三季型光伏温室增加40%～50%，整个寿命周期(25年)内的投入产出比比三季型光伏温室低10%。

由以上分析可知，三季型光伏温室与常规塑料拱棚生产能力相当，但其具有光伏发电功能，其建造成本较四季型光伏温室有大幅降低，综合收益比四季型光伏温室高。因此，在宁夏地区建设三季型光伏发电温室具有较高优势。本文将主要论述以光伏发电为主的三季型光伏温室的设计(见图 1)。

图1 三季型光伏温室示意图

1 建造方位

常规农业日光温室的建造方位以东西延长、坐北朝南，南偏东或偏西5¡～10¡为宜，偏东有利于早晨温室内提温，偏西有利于下午温室内温度的积累，且避开冬季主导风向。宁夏地区日光温室主要以偏西5¡～8¡为宜，有利于夜间保温。

光伏组件的方位角为正南方向时(即组件垂直面与正南方向的夹角为0¡)，组件发电量最大。光伏组件的安装方位与温室的建造方位基本一致。宁夏地区以光伏发电为主的光伏温室的建造方位宜采用正南方向。

2 高度

温室高度指温室屋脊至地面的距离，其高矮直接影响温室空间的大小及光照情况，也影响作物的生长。高度增加，棚内空间大，温室采光效果好，但由于棚面增大，热量散失快，不利于保温；高度降低，棚内空间小，有利于保温，但高度过低会影响温室内作业。另外，高度升高对温室整体造价影响较大。宁夏地区光伏发电温室的高度以4.5～4.8m为宜。

3 跨度

温室跨度影响着温室的光能截获量，跨度越大获得的太阳直射光越多，但跨度过大，会使温室保温性能下降，且造价显著增加。温室跨度一般以7～9m为宜，跨度增加1m，高度相应要增加0.2m，给温室的建造带来许多不便。宁夏地区光伏发电温室的高度以7.5～8m为宜。

4 长度

温室长度一般为50～80m。长度低于50m时，两侧山墙遮荫面积相对增大，设施内有效受光面积相对较小；温室过长，增温保温效果明显降低，也不便于温室管理。从便于管理且降低温室建设成本和提高空间利用率考虑，宁夏地区光伏发电温室的长度以60～70m为宜。

5 前屋面形状与倾角

温室前屋面的形状主要有圆拱形(图2)和平面型(图3)，圆拱形屋面的采光性能最佳。对于光伏组件安装在温室顶部的温室来说，可选择圆拱形前屋面，组件安装倾角为0¡；对于光伏组件安装在前屋面的温室来说，选择平面型前屋面，屋面倾角取当地固定支架光伏组件最佳安装角。宁夏地区固定式光伏组件的最佳安装倾角为33¡～35¡。

图3 平面型前屋面

6 骨架

由于光伏组件较普通农业日光温室覆盖材料重，光伏温室骨架需选用强度较大的钢骨架，在设计时必须进行详细的分析计算，使其满足承重、抗风压、雪载能力，并避免因钢材选型过大造成的成本增加。宁夏地区光伏发电温室主钢架采用H型钢，沿大棚长度方向每间隔3～4m布置一榀，檩条采用槽钢。

7 墙体

三季型光伏发电温室不考虑在寒冷的冬季进行种植，墙体采用加气混凝土砌块，中间不填充保温材料，且每隔一定间距有一个混凝土立柱。

8 覆盖材料

光伏温室的覆盖材料由光伏组件和其他类型温室用覆盖材料共同组成，考虑到光伏组件和覆盖材料交替布置，且温室高度较高，后期更换较困难，在选择覆盖材料时，尽量选择透光率好、保温能力强、耐候性强的覆盖材料，保证其有较长的使用寿命。目前，常用的光伏温室覆盖材料有阳光板、玻璃钢等。

9 温室采光

在光伏温室中，光伏组件也充当温室覆盖材料，但其透光性低于目前常用的薄膜、阳光板、玻璃钢、玻璃等常规农业温室覆盖材料，不可避免地存在光照分布不均的情况。光伏组件的安装面积和排布方式直接影响温室作物的采光。

(1)光伏组件和覆盖材料的面积比

光伏组件和覆盖材料的面积比会直接影响温室的发电量和温室采光。面积比大，组件安装数量多，发电量大，发电收入高，但温室采光减少，影响作物生长；面积比小，组件安装数量少，发电量少，发电收入低，但温室采光增加，对作物生长有利。因此，光伏温室前屋面组件和覆盖材料的面积比取值必须合理，宁夏地区一般为1～2较合适。对于叶菜类光伏温室，由于其对光照条件要求不高(2万Lux)，面积比可取1.6～2；果菜类光伏温室对光照条件要求高(3万Lux以上)，面积比可取0.8～1。

(2)光伏组件的安装位置和排布方式

光伏组件的安装位置和排布方式也会影响温室采光。组件在顶部平铺安装(图4)时对温室采光影响很小，但其发电量较低；组件以最佳倾角安装在前屋面时，发电量最大，但对温室采光有遮挡。对于以发电为主的光伏温室，建议组件安装在温室前屋面。

组件的排布方式最好是沿南北走向纵向排布(图5)，因为对于横向排布组件(图6)，当太阳从早晨到傍晚移动时在温室内形成固定阴影带(即采光死角)，影响温室作物的生长。

图4 组件平铺安装在温室顶部

图5 组件纵向排布

图6 组件横向排布

此外，为了增加温室采光，还可改造传统日光温室的山墙，使用钢结构加阳光板或玻璃替代两侧山墙，弥补光伏组件遮光的不足。考虑到阳光板和玻璃的保温性较差，可采用在钢结构的里外两侧安装双层玻璃或阳光板，增加其保温性能。

10 通风

为了保证光伏温室内有良好的通风，降低温室内过高的温度和湿度，排除有害气体，换进新鲜空气，在设计时可采取顶部开窗、底部开窗和侧面开窗等方式进行通风。对于顶部通风窗，应注意其开启方向与当地主导风向大体一致。

11 安装容量及发电量估算

一个占地400m2的光伏温室，可安装130～180块光伏组件，容量约24～34kW，按照宁夏地区光伏电站年平均利用小时1300h计算，单栋温室的年发电量可达31200～44200kWh。

三 光伏发电温室的建造

1 选址

光伏温室的建设地点最好选择光资源条件好、土壤肥沃、地形开阔、周围无遮挡的地方建设，且供水、供电条件好，交通运输便利。对于并网型光伏发电温室，还需考虑电网接入条件。

2 防腐

考虑到温室内湿度较大，钢结构必须做好防腐措施。在钢结构表面涂刷防腐涂层，包括2道底漆、2道中涂和2～3道面漆。

3 光伏组件的施工及安装工艺

光伏组件通过螺栓固定在钢结构上，光伏组件和覆盖材料间的密封可使用压密封条或打密封胶的形式。采用密封条的密封效果好，但成本较贵；采用密封胶密封施工方便，且价格便宜。

4 其他

对于在盐碱地地区建设光伏温棚，因其土壤条件差、水质碱性高，对作物的生产影响较大，需提前考虑换土及灌溉问题。

四 结束语

太阳能光伏温室在我国刚刚起步，目前其建设成本还较高，本文仅对光伏发电温室的设计和建造进行了分析。今后还需要根据实际温室作物生产情况及温室运行情况提出优化和改进建议，并进一步降低温室成本，使其具备大规模推广应用的条件。

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