基于可变倾角农光大棚的光照调节设计

张毅强，马 磊，陶晟宇，孙 洁，林燕丹，孙耀杰

(1.复旦大学光源与照明工程系，上海 200433; 2.复旦大学六次产业研究院，上海 200433; 3.上海综合能源系统人工智能工程技术研究中心，上海 200433)

引言

光伏农业大棚是光伏与农业大棚相结合的农光互补模式，其机理是将光伏组件架设在传统农业大棚上方或利用光伏组件替换棚顶实现棚顶发电、棚下种植[1]。农光大棚模式下，光伏组件对日照的遮挡导致农业大棚内部阴影遮挡进较为严重，导致喜阳类农业作物长势不好(如番茄、西瓜、青椒等)，只适宜种植对光照需求极低的喜阴植物，如菌菇、西芹、黄花菜等，严重影响设施种植的适用范围。光伏与农作物光需求的矛盾限制了光伏农业的推广与应用[2]。

目前，国内外对棚内阴影遮挡对农作物产量相关性的研究主要集中在遮阴比或透光率领域[3-5]。文献[6]中将薄膜电池铺设于温室屋顶，测量时间内(9:00—17:00)光伏温室的透光率为32.64%～80.96%，平均透光率为66.27%；文献[7]中采用双玻晶硅电池，考虑了接线盒面积、街线条等因素后的温室透光率约40%；文献[8]中将薄膜电池与阳光板1∶1排列布置，晴天时透光率为34.7%～41.7%，阴天则降至19.9%～27.8%。

遮阴比例仅是衡量作物整体产量的间接因素，其决定性指标在于被遮阴程度是否影响作物的正常生长发育，基于遮阴度等参数对植物长势的测量方法并不契合植物自身生长规律。为进一步分析遮阴比例和遮阴程度对农业生产影响，本文提出一种利用单轴跟踪系统对光伏农业大棚进行分光、调光的方法，该方式以需光植物的光合特征为理论基础，以单轴跟踪支架为实现手段。

目前光伏农业领域中，单轴与大棚的结合形式主要有“交错”和“不交错”两种形式，这两种形式对于平单轴或斜单轴均可。

当光伏组件与大棚交错(一般为垂直)时，在一个大棚内产生多个随时间发生变化的遮阴区域，通过对光伏组件角度的调整可改变阴影区域的分布从而优化遮阴区域下农作物的光照条件。此时，春秋拱棚一般沿东西走向，平单轴与斜单轴均南北走向，如图1所示。

图1 交错结合形式Fig.1 Vertical combination form

不交错结合形式分为两种，平单轴光伏组件位于春秋拱棚的东侧或西侧，大棚前后存在露地被光伏组件遮阴的区域，如图2所示；斜单轴位于冬暖温室后墙，为避免光伏组件对大棚北侧大棚的遮阴，通常需要增大棚间距，如图3所示。

图2 不交错结合形式一Fig.2 Parallel combination form 1

图3 不交错结合形式二Fig.3 Parallel combination form 2

1 需光作物的光合特性

现代农作物多是白垩纪喜光被子植物的后代，对光照的要求很高，如番茄、黄瓜等[9]。但是这些喜光植物也存在“光抑制现象”，过高的光照强度会出现强光胁迫，导致光合作用能力降低[10]。

1.1 农作物光合生产过程

植物的光合生产过程大致可分为三个阶段：一是光能和原料的吸收、运输阶段，植物吸收光与二氧化碳，并运送至叶绿素内的“光合反应中心”；二是能量的转换阶段，植物将无机物转化为有机物、 光能转化为生物化学能；三是生物化学阶段，植物将叶片中初步合成的碳水化合物运输到各个器官用于生长发育，或转化为还原度更高的化合物[11]。整个光合过程有条不紊地进行新物质的生产、运输和积累，保证了植物的正常生长。

其中，第一阶段必须充分满足植物需求的光与二氧化碳。图4是植物的光需求示意图，在光补偿(light compensation point, LCP)点处，植物的光合作用同化量与新陈代谢呼吸量相当，是满足植物需光量的下限值；随着光照继续增强，植物的光合作用强度也呈增长趋势；当光照强度达到光饱和点(light saturation point, LSP)时，光合作用强度不再增加，这时过多的光照会造成光资源的损耗和浪费。

图4 农作物光需求示意图Fig.4 Light demand of crops

1.2 农作物光合“午休”现象

植物的光合作用曲线主要分为单峰型和双峰型。单峰型植物，在中午光照最强时出现光合作用强度峰值；双峰型植物则分别在上、下午出现峰值，午间反而会出现低谷的“午休”现象[12]。

作物“午休”现象较为普遍，部分作物存在严重午睡现象，如番茄、黄瓜等[13, 14]，该类作物的光合作用在上午达到峰值，中午开始下降并在下午一直保持在较低的水平。随着中午阳光辐射强度增大，棚内环温升高、湿度降低，植物会关闭部分气孔、暗呼吸作用加强，从而减少植物体内的水分流失，减轻强光造成的损害，这是植物长期以来形成的自我保护机制。

可以看到，“午休”的发生不仅降低了棚内作物的生产力，也造成了大量光资源的浪费。因此，在该时段充分利用太阳能电池发电，其他时段满足作物正常的光需求，便能在光伏发电的同时将对农作物生产的影响降到最低，满足喜光型农作物在光伏大棚内的种植。

1.3 农业光伏互补策略

本文提出一种用于农业光伏互补的策略，在优化后的单轴农光系统中，当光照强度超过植物的光饱和点时光伏系统开始发电，光照强度低于植物光饱和点时使光伏面板平行于入射光线，保证棚内正常采光，维持农作物正常生长。该方法分析了农作物的产量、光合作用速率、光饱和点和光补偿点之间的关系，验证了在一定范围内作物产量与最大光合速率呈正相关。结合植物特性保证在新的农光模式下，部分喜阳作物也能正常生长。

2 光伏支架系统的选择

目前常见的光伏支架类型有固定式、平单轴、斜单轴、双轴支架等。固定式支架安装简单，维护成本低，但是光能利用率和发电量相对较低，并且一旦安装，运行方式和空间位置无法改变；单轴跟踪系统相比固定轴发电量可提升20%～27%，相比双轴跟踪支架，其结构更简单，运维成本更低且发电量的差异不大；双轴跟踪方式可以跟踪太阳方位角和高度角，发电量比固定式高30%左右，但其维护周期较短，且农光支架较高，维护困难、成本高，应用性价比不佳。

光伏农业既要考虑光伏发电效率，也要兼顾光伏组件下农作物的生长态势。在固定式支架的光伏农业模式下，光分布不均匀，会形成大面积的遮阴，喜阳作物在遮阴区域往往无法正常生长。

斜单轴跟踪系统不仅相对固定式支架具有更高的发电效率，还能根据实际需求调整组件的角度，调节光伏阵列对农业大棚的遮阴影响。因此综合考虑发电量、生态位因素、运维成本和稳定性等因素，将斜单轴跟踪系统应用于设施农业大棚，能够有效地实现设施农业大棚内部的光资源分配，达到光伏农业的调光效果。

3 工作模式分析

假设一天内从早到晚划分，弱光时间段为T0～T1，与T4～T5，次强光时间段为T1～T2与T3～T4，强光条件为T2～T3，如图5所示。

图5 光照强度与时间关系Fig.5 Relationship between light intensity andtime

假设光伏发电系统的发电最优函数J1(t)与发电量成正比，在不同光照情况下存在权重系数，计算方式如下：

(1)

其中，P(t)为光伏发电系统实时输出功率，权重系数nx(x=1,2,3,4,5)与P(t)相关，需根据光伏发电系统在当地实际的功率情况进行计算，如表1所示，P(t)在系统额定功率在不同范围内，参数nx的取值不同。

当功率存在波动时，nx计算方式如下：

(2)

表1 光伏发电系统最优函数的权重系数表(x=1,2,3)

表1中权重系数的预设值的解释：由于在弱光下植物对光需求较大，此时进行光伏发电影响较大，因此设为负值；在其他时刻设定为恒定值，也可根据实际情况，进行适宜修正。

T0、T1、T2、T3、T4、T5的确定受太阳照度与农业植物光补偿点E1、光饱和点E2的影响：

T0、T5为太阳升起时刻；

T1、T4为E(t)=E1(农业植物光补偿点)时刻；

T2、T3为E(t)=E2(光饱和点)时刻；

其中T0～T2太阳照度E(t)上升，T3～T5太阳照度E(t)下降。

农业植物的生长最优函数J2(t)与太阳照度、光照时间及光照波长存在一定关系，计算公式如下：

(3)

其中，E(t)为太阳照度随时间的函数；S(w)为光伏组件下农业植物的吸收光谱，是波长的函数，其中w0为波长下限，w1为波长上限。

以水稻叶片吸收光谱为例，水稻叶片对光的吸收波段主要集中在420～490 nm的蓝紫光区域以及630～670 nm的红光区域，对520～590 nm波段的绿光吸收很少，因此w0可以取400 nm，w1取700 nm(针对不同植物w0和w1略有不同)。

图6为农业相关权重系数m(E(t))示意图：由于植物在弱光时间段，光照低于补偿点，不足以供给植物所需要的最低光照强度，还会消耗有机物，因此m(t)为负，且照度越低，m(t)越小，最低系数与植物夜间消耗的有机物有关；在次强光时间段，即光补偿点与饱和点之间，m(t)随照度增加而增加；在强光时间段，光照大于饱和点，此时农业权重系数在一定范围内为最大值，最大值与植物对阳光的需求有关；当照度E(t)过大引起的温度超过植物生长最佳范围时，m(t)下降，在达到植物生长所能承受的最高温度时，m(t)降为0；照度继续增加将对植物造成伤害，m(t)将变为负，并迅速降低。

m(E(t))的最大值受植物品种及光饱和度影响，根据与J1(t)的交点位置计算得到，在光补偿点与光饱和点的中间阶段随照度变化呈线性变化。因为在w0～w1区间及光谱曲线确定时，S(w)为一常数，因此J2(t)的曲线与m(E(t))相似。

由于光伏发电系统的发电最优函数J1(t)，农业植物的生长最优函数J2(t)在光饱和点时存在交点，可计算m(E(t))的最大值。m(E(t))最小值根据实际植物对温度的敏感性确定。

图6 农业相关权重函数图Fig.6 Agriculture related weight function chart

依据前文分析，该文针对具有正常的双峰光合作用曲线的农作物设计该模型工作模式如图7所示。

图7 模型的工作模式Fig.7 Working mode of the model

假设光伏支架能精确跟踪入射光角度，通过程序编码，使跟踪系统实现以下操作：

1)读取天气数据，判定当天天气为晴天或阴天，如鉴定为晴天，转入步骤2，反之，跳至步骤3。

2)在弱光条件下(如清晨、傍晚)，因太阳高度角较低，无需从农业角度考虑改变跟踪角度，跟踪支架可按照自身算法运行；在次强光条件下，通过调节跟踪角度，使光伏组件尽量与阳光入射角度平行排布，最大程度减少遮挡光照的面积，光资源主要供农业作物群进行吸收；在强光条件下，即光照强度超过植物光合作用饱和点时(如中午或者夏天早上等光照强烈的时候)，利用光伏阵列形成全部或部分遮挡，减少农业植物群的受照光强，防止植物晒伤。

3)在阴雨天气下，光照强度极低，严重影响了光伏系统发电，因此，设计停止光伏系统工作，根据温室大棚的需求进行光伏面板的开合。

通过以上调节方法实现农业植物的最佳光合作用，同时光伏组件将过盛的太阳辐射转化为电能。

4 算例分析

第3节中，直接依据农作物的“午休”时间与光伏系统的最佳发电时间，设定两者的交集作为轴跟踪光伏系统的工作时间。事实上，大量农业研究表明，多数农作物一天内(5:00—18:00)所接收的日光辐射达到其LSP的70%及以上时，基本能够保持正常地生长发育。

通过文献查阅，该文选择一种需光型农作物——番茄(中蔬4号)，其LCP为53.1 μmol/m2s，LSP为1985 μmol/m2s。该数值与光照的转换关系[14]为：

1 lx=0.0185 μmol/m2s=0.00402 W/m2

(4)

根据式(4)可以计算得到番茄光饱和点对应的太阳辐照度为393.34 W/m2。因此，只需要保证在正常日照时段棚内的辐照度达到其LSP的70%(即301.94 W/m2)，棚内的番茄便能够正常生长，保证其产量。

根据以上设定，对光伏大棚进行建模仿真计算，分别对固定式支架和采用光照调节下单轴跟踪式支架两种情景在Ladybug软件中进行仿真实测，仿真结果如表2所示。

表2 优化前后发电量与日照辐射

图8 优化前后发电量与日照辐射对比图Fig.8 Comparison of power generation and sunshine radiation after optimization

优化结果如表2及图8所示，由于中蔬四号番茄对光照强度的需求较高，因此在调节过程中，仅在13：00附近光照强度高于光补偿点，因此在该时间段内温室的光照强度有所降低，其余时间段内组件倾角的改变均加大了温室内部的光照强度。如蓝线表示固定组件光伏温室内部的光照情况，对于番茄这种作物来说超过其光适宜点的时间仅有在11:30—14:30之间共计约3 h的时长。通常情况下，对于阳生作物而言其达到适宜的光照条件时长至少需要4 h以上，因此原有的光伏温室并不能较好地满足番茄生长发育所需要的光环境。而经过单轴系统调节后的温室内部，其光照强度在番茄适宜生长区间的时间约为5 h。因此对于农业来说，这种调节方法能够改善阳生作物的光环境，并能够有效增加适宜光强的日照时长。但调节组件角度的过程中，温室内部的光照强度和组件的发电量往往是互斥关系，但在本例中，调节后的日总发电量仅下降了12.5%。

基于以上结果可知，通过光照调节来平衡光伏发电与植物生长的措施是可行的；对于阳性作物而言，单轴系统的可以在造成少量电能的损失情况下改善阳性作物的光照条件，提升光伏农业的协同共生发展的可行性。

5 结论

本文利用喜光作物的光合特性，提出将斜单轴跟踪系统替代固定轴光伏系统，与设施农业相结合，设计了一种具有光照调节能力的新型光伏农业大棚。该模型能很好的适应需光农作物生长，有效解决光伏系统遮阴问题。同时，该文对模型发电量进一步优化，提升了光伏系统可发电时间，实现更高的经济效益。事实上，该模型不仅适用于光需求大的农作物，针对喜阴植物、半喜阴半喜阳植物，通过相应调整光伏系统工作方式，同样能够满足其正常生长。该文的研究对光伏农业的结合与发展有一定的理论和实践指导意义。