淺談雙玻組件在光伏農業大棚中的應用

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 閆健 買發軍 王建勃 何懼

0 引言

隨著近兩年國家出臺相關扶持政策，光伏電站又迎來一個發展的春天?，F今光伏電站被分成兩種主要形式：一是大型地面電站，主要分布在我國西北地區的青海、甘肅、新疆等地；二是分布式電站，主要在我國東南沿海及中部地區的大型工業園區或經濟開發區內，主要利用工業園區和開發區內的廠房屋面進行光伏電站的建造。鑒于我國有廣大的農業地區，新興光伏農業大棚成為另外一種光伏電站的選擇，這種農業與光伏相結合的方式，既可有效地解決光伏電站占用土地面積大、無法二次利用的問題，又能滿足大棚中農作物對溫度、光照、通風等生長條件的需求。

我國大棚面積居世界第一，大部分的農業大棚屬于中小型日光大棚，造價較低，結構簡單。光伏農業大棚也是最近幾年由于光伏行業的迅速發展得到了國家的支持，在創新型農業設施中也得到了廣泛的應用和發展。

1 光伏組件材料對比

光伏農業大棚就是在大棚的屋頂上布置太陽電池板，大棚設計時一般選取最佳傾角使太陽電池板發電量最大，利用電池板的發電既可滿足光伏大棚內補光、加溫、通風等一系列負荷用電，多發的電還可上網產生經濟效益，實現經濟最大化?，F階段我國光伏農業大棚中所利用的光伏組件大部分都是薄膜組件，薄膜組件優點在于弱光性較好、成本較底，不過薄膜組件的轉換效率太低，而且每年的衰減率較大，所以薄膜組件的壽命較短，一般都在10～15年。

綜合分析后，在農業光伏大棚屋頂上建議采用以多晶硅為發電光伏組件材料。與其他相關組件材料相比，多晶硅的免維護性及壽命長、成本低等優點使其具有較高的經濟性和實用性，可應用在光伏農業大棚中。

2 雙玻組件

現如今太陽電池板發展迅速，電池板廠家也在更新換代。多晶硅太陽電池板在國內被廣泛應用于各類光伏電站中。光伏農業大棚經過橫向縱向對比后，采用多晶硅材料的組件。隨著建筑光伏一體化的發展，地面電站土地利用率低的短板也越來越暴露出來，如何利用光伏組件代替建筑材料使土地利用率及建筑的多功能化增加，一直都是新能源從業者追求的目標。產生最大經濟效益的同時推動能源的清潔化發展，在這種背景下，市場中出現了一種名為雙玻組件的新型組件形式，如圖1所示。

雙玻組件由玻璃、EVA(Ethylene Vinyl Acetate，醋酸鹽的簡稱)膠膜、多晶硅3種原材料組合而成。雙玻組件顧名思義，電池材料兩邊分別有一層EVA膠膜和玻璃材料[1]。

EVA是一種熱固性有粘性的膠膜，EVA膠膜在粘著力、耐久性、光學特性等方面具有優越性，使其在新型光伏組件中的應用越來越多。

光伏電池玻璃采用的是鋼化玻璃，鋼化玻璃具有高強度、抗沖擊和抗彎強的優點，其抗彎強度是普通玻璃的3～5倍，并具有良好的熱穩定性及透光性。鋼化玻璃廣泛應用于高層建筑門窗、玻璃幕墻、采光頂篷等一系列建筑物中[2]。

3 注意的問題

3.1 透光率的計算

本文所討論的光伏農業大棚，用雙玻組件代替農業大棚屋頂。在實施過程中，最終解決的是大棚屋頂的透光率，也就是屋面所鋪設的雙玻組件透光率。根據農業大棚中種植農作物所需透光率進行計算，假設農作物所需大棚屋頂透光率為X，那么雙玻組件的透光率也為X。

式中：匯流條面積為總長度×截面積(L1S1)；電池片面積為單片電池片面積×片數(ZN)。

安裝遮擋A按照安裝方式來計算，則：

式中：S2為屋面型鋼覆蓋面積；N1為組件數量。

玻璃本身的透光率為Z1，組件的外型尺寸為：長×寬(LH)。

最終得出組件透光率X為：

根據上述計算公式，結合大棚中農作物所需光照，調節電池片面積及排列方式控制大棚屋頂透光率，使農作物有充足的光照強度，滿足大棚對光照強度的要求[3]。

3.2 溫度效應

由于雙玻組件中采用的是多晶硅材料，晶硅光伏組件在自然光照下有溫度效應，組件本身電流與電壓會隨外界溫度變化而變化，如圖2所示。

圖2 高低溫下組件的溫度效應對比

但是光伏農業大棚室內一般溫度較高，可能會產生組件的溫度效應，所以在選擇鋼化玻璃時，應選擇溫度系數較小的鋼化玻璃。在設計農業大棚時，大棚室內應安裝通風系統，既保證室內農作物的空氣流通，又可保證組件自身溫度變化范圍較小，這樣可使雙玻組件達到最大效率，保證光伏組件的發電效率[4]。

3.3 結構連接

在設計大棚時可采用兩種方案：一種為連棟大棚，另一種為獨棟大棚。

連棟大棚屋面成波浪型，橫向為東西方向，向南屋面設計可選擇使組件效率最大的最佳傾角，向南屋面用型鋼網狀連接，給雙玻組件預留安裝位置。3D效果圖如圖3所示。

圖3 連棟大棚3D效果圖

大棚屋頂北面不需鋪設電池板組件，可鋪設普通采光板，需充分考慮到植物對光照的要求。

屋面型鋼與組件的連接采用螺栓和膠結相結合的方式，在型鋼上與組件中預留螺栓孔，將螺栓組件與屋面剛性連接；在安裝過程中，注意預緊力的大小，不要由于預緊力過大破壞組件電池板邊緣，造成組件的浪費與成本增大。螺栓連接完成后，在型鋼與組件間的縫隙中灌入結構膠密封，如果有部分連接處縫隙過大，及時采用防水措施。連棟大棚的連接處要預裝導水槽，使其在雨季能及時把大棚間的雨水導出屋面[5]。

獨棟大棚的設計采用人字形屋面，調節屋面傾角到5°～10°，屋頂兩面分別朝向東西方向，組件平鋪屋頂，組件與屋面的連接方式與連棟大棚基本保持一致。3D效果圖如圖4所示。

圖4 獨棟大棚3D效果圖

獨棟大棚的安裝角度與連棟大棚不同，根據西安當地經緯度，利用PVSYST軟件對比5°、10°傾角時的10 MWp項目，如圖5、6所示。

圖5 30°傾角發電量

圖6 5°傾角發電量

通過計算得出，5°傾角發電量比最佳傾角30°的發電量少887.8 MWh/a，但獨棟大棚電池板為雙向布置電池板，在電池板數量上彌補了最佳傾角發電量不足的缺點。

4 結束語

隨著新能源行業的發展，太陽能光伏發電也越來越多樣化，考慮到電站投資中，更多投資者考慮的是經濟效益的最大化，使得光伏產業和其他農業、工業、建筑行業結合發展，探索出更多的光伏發電形式。本文所討論的雙玻組件在農業大棚中的應用也是眾多應用的一種形式，相信在不久的將來，光伏發電的應用會出現在更多的產業中，為人們能源的利用帶來更多便利。

[1]王磊,張臻, 張正國,等.雙面玻璃晶體硅太陽電池組件封裝工藝[P].中國: 200710027966. 4, 2007-05-11.

[2]莊大建,鄭鴻生.雙玻璃光伏組件建筑一體化應用[J]. 建筑科技, 2009, (20)：72－73.

[3]郎朗. 光伏現代農業大棚現狀與分析[J].時代經貿, 2013,5(278): 167－168.

[4]張樂軍,鄭洪生,蔡越濤.中空雙玻璃光伏組件的熱性能研究[J].建筑節能, 2013, (4): 48－50.

[5] GB 50009-2012,建筑結構荷載規范[S].