两种可用于光伏温室的双玻光伏组件透光性能分析①

刘 建 丁啸天 王宝龙

（海南大学园艺学院 海南海口570228）

光伏温室是采用光伏电池组件作为屋面覆盖材料，部分替代传统的覆盖材料（薄膜、PC板、玻璃等），实现温室作物生产与光伏发电的有机结合，在我国已吸引了越来越多人研究［1‐3］，但光伏组件的遮荫势必降低温室内光照强度，改变温室的光照分布特点。特别是不同天气状况下，太阳的辐射强度变化较大，太阳光照进温室内部后，除直射光外，散射光的强度对温室内的光照强度也有一定的影响，确定光伏组件合适的透光率，对光伏温室的效益平衡和农业种植影响均较大。本试验尝试对2 种规格光伏组件下的光照强度进行测试，统计分析测得数据，以期为后续的光伏温室设计与作物栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 光伏组件

试验测试光伏组件为双玻光伏组件，相比全遮光组件，具有透光更加均匀的优点。全遮光光伏组件覆盖时一般需考虑光伏组件和温室透光覆盖材料的排布及比例，从而整体上满足温室采光要求；而双玻光伏组件可独立地满足局部范围内的采光，在光照分布均匀性上具有更大的优势。

试验所采用的双玻光伏组件，是由海南英利新能源有限公司生产。实测外形尺寸为1 685 mm×985 mm，为三层复合式结构，上下两层为钢化玻璃，中间夹层为电池片，单个电池片的尺寸为156 mm×156 mm。电池片阵列排布，组成不同规格的光伏组件。其中4×9 光伏组件即为9 行、4 列，共计36 个电池片，透光部分面积比例为47.2%；6×9 光伏组件即为9 行、6 列，共计54 个电池片，透光部分面积比例为20.8%。

1.1.2 试验仪器

测量仪器为上海生产的便携式光照强度测定仪，量程为0～100 000 lx，精密度为±3%，分辨率1 lx。

1.2 方法

测试不同天气状况下的棚内不同位置的光照强度与外界自然光照强度。选取8：00～18：00 整点时间（共11个时间点）测量并记录试验数据。

1.2.1 温室模型

本试验地点位于海口的海南英利新能源有限公司厂区。海口市年平均气温24.4℃，年平均日照时数2 000 h 以上，太阳辐射量可达459.8～501.6 kJ。实验日期是2013 年9 月16、17、18、21日，平均日出时间为6：26，平均日落时间为18：40，平均日照时长734 min。

双玻光伏组件用于光伏温室覆盖，对温室内部光照强度，光照均匀度均有较大影响，可利用的经验和数据较少。为了初步了解双玻光伏组件用于光伏温室的可行性，同时为下一步光伏温室结构形式和屋面覆盖设计提供参考，避免不必要的浪费和节约试验成本，笔者采用了简易的模型温室。试验温室为3.55 m×3.0 m的双坡屋面温室，见图1。温室檐高2.0 m，脊高2.3 m。屋面倾角为9.55°。温室沿东西走向，双坡屋面分别覆盖6×9和4×9 两种规格的光伏组件，其中西侧覆盖6×9 规格，东侧覆盖4×9 规格。温室模型立面覆盖薄膜，其中16 日、17 日覆盖全遮光型的黑膜、18、21 日覆盖透明塑料薄膜。

1.2.2 屋面测试点

双玻光伏组件整体透光均匀，但局部透光性能仍存在透光部位和遮荫部位的偏差。测试光伏组件的透光性能需同时测试透光部位（电池片间隙）和遮荫部位（电池片）。如图2所示，试验时取双坡屋面上分布均匀的6 个点A1、B1、C1、D1、E1、F1为遮荫部位测试点，在各点的同侧与该点相同距离处取另一组A2、B2、C2、D2、E2、F2为透光部位测试点。温室模型立面为黑膜覆盖时，测试点的高度为2 m；温室模型立面为透明塑料薄膜时，测试点取离地0.2、0.7、1.3 m 3个高度。

2 结果与分析

2.1 光伏组件透光性能对比

在温室立面覆盖黑膜，仅屋面光伏组件透光的情况下，每隔1 h（8：00～18：00，每日采集11组数据）测试室外及室内光伏组件下的光照强度，测试仪器离地2 m 高。将6×9 组件透光部位（A2B2C2）采集到的3组数据和遮荫部位（A1B1C1）采集到的3 组数据分别取平均值，同时将4×9 组件透光部位（D2E2F2） 采集到的3 组数据和遮荫部位（D1E1F1） 采集到的3 组数据分别取平均值，得到两种规格组件在不同时刻下室内外光照强度的分布情况，见图3～4。

9月16日为多云天气，正午室外最大光照强度＜35 000 lx。9 月17 日为阵雨天气，一天内不同时刻光照强度变化幅度大，日最大光照强度＜40 000 lx。在两种不同天气状况下，室内光照强度变化趋势与外界基本一致。

图3～4所示，4×9组件下光照强度明显优于6×9组件。但从透光部位光照强度数据来看，4×9组件下光照强度明显优于6×9组件；从遮荫部位光照强度数据来看，两种规格组件下光照强度相差不大。

将2组试验数据平均，并结合光伏组件本身的透光率，得出在测试的多云与阵雨天气条件下，4×9规格组件的平均透光率在19.35%，6×9规格组件的平均透光率在6.03%。

2.2 模拟温室生产透光性能测试

日常生产条件下，温室立面均覆盖透明塑料薄膜，为使温室内光照强度更具参考意义，随后2 d将温室立面黑膜撤去，换上透明塑料薄膜，分别测试离地0.2、0.7、1.3 m处光照强度变化。

由于测试点距屋面距离较远，且温室四周散射光等原因，同一高度下，同一组件遮荫部位和透光部位测得的光照强度数据无明显差别。数据处理时，将同一组件遮荫部位和透光部位取平均值，对比分析不同组件离地不同高度下的光照强度差异，见图5～6。

9 月18 日为典型大雨天气，在温室立面覆盖透明塑料薄膜的情况下，正午最大光照强度＜20 000 lx，室内光照强度＜6 000 lx。4×9 规格组件下的光照强度稍高于6×9规格组件，但透光率优势表现不明显。受温室立面透光影响，同一光伏组件，0.2～1.3 m离地越高，光照强度越低。

9月21日为典型晴朗天气，在温室立面覆盖透明塑料薄膜的情况下，10：00～15：00 光照强度≥100 000 lx（＞100 000 lx即超出仪器量程），4×9规格组件下的光照强度为24 000～30 000 lx、6×9规格组件下的光照强度为10 000～18 000 lx。可以看出，4×9 规格组件下的光照强度远高于6×9 规格组件，光照强度的最大差值约20 000 lx。

3 结论

由于现场改变了测试方案，未测得晴朗天气下的透光率，使得测试结果缺少了较大的部分，结合16、17 日测得的透光率数据，预估4×9 规格光伏组件的光照强度可达20 000～25 000 lx，此光照强度能够满足大部分非喜阳作物的需求。即使在阴雨天，光照强度基本处于5 000～15 000 lx，能够满足基本生产要求。

6×9规格的光伏组件，光照强度在晴朗天气下依然＜20 000 lx，其它天气情况下多在2 000～3 000 lx，对多数作物生长不利，只能满足部分喜阴作物（如叶菜类）的生长，但会影响产量和品质，因此不建议采用或采用时应考虑额外增加透光区域，以增加温室的透光量。

综上所述，4×9 规格的光伏组件可作为以海南为代表的热区光伏温室屋面覆盖，但仍需结合相关的工程设计措施，并建设小面积的实验温室，测试更加准确的数据为大面积推广提供可靠的参考。