光伏温室大棚温度的模拟研究*

昝锦羽， 刘祖明， 廖华， 张剑钢， 李石周， 刘晓萍

(1.云南师范大学 太阳能研究所,云南 昆明 650092;2.大姚县 林业局， 云南 大姚 675000)

传统的温室大棚种植虽然不受季节、气候、时节的限制，但是存在资源利用率低、运营成本高、保温投入高、产量效率较低、投资造价高等缺点[1-2].传统温室大棚的能源供应方式：一是供暖炉，二是电网电能，这完全不能满足现代农业环保节能的理念[3].太阳能光伏发电的飞速发展，给农业温室大棚的发展提供了一个新的平台[4].

温度影响作物的营养生长与生殖生长.光伏温室大棚棚内温度不仅与环境温度有关，而且与电池片的数量和排列方式有关.为了研究光伏大棚的温度，提高其经济效益，国内外已经进行了许多研究并且取得一定成果.Yano等[5]在位于35.5°N、133.0°E东西向单栋温室大棚的弧形屋顶安装面积比例为12.9%的两个几何排列(一个是直线型电池片排列，另一个是西洋跳棋盘图案排列)PV阵列并且进行研究.研究结果表明西洋跳棋盘图案排列的组件大棚稍微减少了太阳能强度，但更适合作物生长，但没有对温度进行研究.西班牙的J.Perez-Alonso等在东西向连栋大棚结合光伏电池片(单片组件较密分布和双片组件较稀分布)进行实验研究.我国第一个光伏蔬菜大棚是李岐周提出，并且已在山东省寿光市建成.据粗略估计，如果寿光所有普通蔬菜大棚都改为光伏蔬菜大棚，一年的发电量估计是298.5亿千瓦时，相当于三峡发电站年发电量的三分之一.

本文采用模拟方法，根据昆明气候特点使用Ecotect软件建立光伏温室大棚的模型，分别在屋顶排布一排、两排紧密光伏电池和一排、两排棋盘式光伏电池，分别模拟出冬至日各个大棚内温度以及棚内外温度差，作为生长哪类作物的依据，为今后光伏农业大棚系统的设计、安装和生产提供参考.

1 光伏温室大棚模型的提出

1.1 常规温室大棚结构的设计

根据实际用途设计大棚结构尺寸，温室大棚框架结构主要由基础土建、温室主体钢结构天窗、覆盖材料、铝合金密封件等构成.棚顶有弧形、三角形、锯齿形、平型等.单栋温室大棚如图1所示.

图1 单栋温室大棚

1.2 光伏温室大棚的设计

光伏温室大棚的设计，核心在于电池板的排列方式.国外许多研究人员已经在棚顶部以不同的排列方式安装电池片进行研究.Yano等在温室大棚的表面铺设直线型与棋盘型的光伏片，在结合12.9%电池片的温室大棚内种植洋葱，研究遮阴率与洋葱干重的关系[6-7].西班牙J.Perez-Alonso等在东西向连栋大棚铺设2种排列方式的电池片(单片组件较密分布和双片组件较稀分布).

1.2.1 大棚主体结构的设计

根据昆明的气候条件，设计光伏温室大棚的前坡角是20°，后坡角是60°，设计图如图2所示,透光覆盖材料为浮法玻璃，它的透光性能、力学性能、保温性能、耐久性能及其他一些物理性能符合温室大棚的质量标准[8].

图2(a) 正视面 图2(b) 侧视图

图2(c) 俯视图

1.2.2 电池片铺设方式

在大棚屋顶前坡面铺设长是1.18 m、宽是0.535 m的单晶硅电池组件，排列方式是一排、两排紧密与一排、两排棋盘式.棋盘式与紧密式一排放置28个电池组件.一排紧密式与一排棋盘式电池所占屋顶面积的比例是7.61%，两排紧密式与两排棋盘式电池所占屋顶面积的比例是15.22%，其中两排紧密式光伏温室大棚如图3所示.

图3(a) 一排紧密式光伏温室大棚 图3(b) 一排棋盘式光伏温室

图3(c) 两排紧密式光伏温室大棚 图3(d) 两排棋盘式光伏温室大棚

2 模拟结果与讨论

2.1 棚内温度模拟结果与讨论

使用Ecotect软件模拟昆明冬至日大棚内温度，结果如图4所示.

图4(a) 无电池板温室大棚棚内温度

图4(b) 一排紧密电池板温室大棚棚内温度

图4(c) 两排紧密电池板温室大棚棚内温度

图4(d) 一排棋盘电池板温室大棚棚内温度

图4(e) 两排棋盘电池板温室大棚棚内温度

图中横轴代表的是时间，竖轴代表温度，最长粗线代表棚内温度，最长虚线代表外界温度.不难发现不论有无电池片，冬至日一天棚内温度变化趋势一样，先从凌晨降到9点左右，再升高到17点左右，最后再降低，棚内温度图较平缓，且棚内温度的最低点滞后室外将近1小时，最高点滞后室外将近1.5 min.白天棚内温度除了无电池板、一排紧密与室外温度相似以外，其余的都低于棚外温度，夜间棚内温度高于棚外温度，这样避免夜间温度过低冻坏作物.

2.2 棚内温度对比研究

为了进一步研究光伏温室大棚棚内温度的高低，以便种养相应的动植物.将下列温度进行对比，如图5所示：

图5(a) 一排紧密与一排棋盘棚内温度 图5(b) 两排紧密与两排棋盘棚内温度

由图可得：在0-9点棋盘式大棚比无电池板大棚温度微低，紧密分布式大棚比无电池板温度略高.白天温度升高，一排紧密大棚内温度最高，接近无电池板大棚的温度.一排紧密与一排棋盘虽然有相同的电池组件但是紧密型温度较高，最高温差是2.5 ℃.两排紧密与两排棋盘虽然有相同的电池组件但是紧密型温度较高，最高温差为2 ℃.相同数量电池组件的排布，紧密式的温度高的原因可能是由于紧密式分布的电池与所铺的屋顶构成的空间比较封闭，散热量比较小.虽然看起来温差相差很小，但在实际生产中，可减小不少成本.

2.3 棚内外温度差对比研究

为了更进一步研究电池组件的多少和排列方式对光伏温室大棚温度的影响，本文对棚内外温度差进行研究，如图6所示.晚上：温度差越大，越能御寒.白天：温度差越大，棚内温度越恒定.

图6(a) 一排紧密与一排棋盘棚内外温度差 图6(b) 两排紧密与两排棋盘棚内外温度差

室内外温度差的趋势是0-9点增大，9-15点减小，15-24点增大，与棚内温度趋势正好相反.在温度差增大部分：一排紧密和一排棋盘、两排紧密和两排棋盘虽然有相同的电池片，但是紧密式温度差较大，使棚内动植物更好御寒.温度差降低部分：紧密式温度差较大，室内温度比较恒定.相同数量电池组件的排布，紧密式棚内外温差大的原因可能是由于紧密式分布的电池与所铺的屋顶构成的空间比较封闭，散热量比较小.

3 结 论

1)该模拟试验有：花费少，简单，易于操作，容易使不能用感观了解的现象直观化的优点.

2)从温度角度出发，相同数量电池组件的排布，紧密型温室大棚比棋盘型温室大棚棚内温度高，一排式最高温差是2.5 ℃，两排式最高温差是2 ℃.如果根据棚内温度种养相应的动植物那么紧密式更适应种养要求高温度的动植物.紧密式排布的光伏温室大棚棚内外温差较大，动植物晚上可以更好的御寒，白天棚内温度较恒定.

3)如果棚内需要加热到一定温度，那么一排紧密比一排棋盘一天少400 KW的能量，两排紧密比两排棋盘少约300 KW的能量.

参 考 文 献:

[1] 蔡龙俊.上海地区“生态循环温室”能源综合利用的可行性分析[J].能源与环境，2004 (4):25-27.

[2] 杨琳.“生态循环温室”能源综合利用的可行性分析[D].上海：同济大学，2004.

[3] 冯秀萍，李明辉.太阳能光伏技术在温室大棚控制系统中的应用[J].科技向导，2013 (5):42-43.

[4] 陈润超，除贵阳，何建玲.一种智能型光伏温室大棚[J].科技创新论坛，2013 (1):257-258.

[5] YANO A,FURUE A,KADOWAKI M,et al.Electrical energy generated by photovoltaic modules mounted inside the roof of a north-south oriented greenhouse[J].Biosystem Engineering,2009，103(2):228-38.

[6] YANO A,KADOWAKI M,FURUE A,et al.Shading and electrical features of a photovoltaic array mounted inside the roof of an east-west oriented greenhouse[J].Biosystem Engineering,2010,106(4):367-377.

[7] MASAYUKI KADOWAKI,AKIRA YANO,FUMITO ISHIZU,et al.Effects of greenhouse photovoltail array shading on Welsh onion growth[J].Biosystem Engineering,2012，111(3):290-297.

[8] 周新群.温室透光覆盖材料技术标准研究[J].中国农村建筑与环境技术创新，2007 (1):28-34.