“農(nóng)地種電”型光伏電站可種植區(qū)域光溫環(huán)境參數(shù)研究

劉建+龐真真

【摘要】海南的太陽能資源豐富，光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)結(jié)合成為新的發(fā)展模式。試驗以“農(nóng)地種電”“一地兩用”型光伏電站為研究對象，分析光伏組件下部及間隔處的光溫環(huán)境。結(jié)果表明：光伏組件下部的光照度受天氣影響較小，在垂直高度上光照度呈下高上低的規(guī)律；反之，光伏組件間隔處的光照度受外界影響明顯，在垂直高度上呈現(xiàn)下低上高的規(guī)律；在水平方向上，光伏組件上檐口與間隔處的光照度高，光伏組件中部至下檐口的光照度低；在不同天氣條件下的6 h（10：00～16：00）光照度平均值可以分為3組區(qū)域，光照度最小值分別為4000、7500、21000 lx；光伏組件的遮陽作用具有一定的降溫效果。

南擁有豐富的太陽能資源，全島年日照時數(shù)達(dá)到1750～2550 h，光照率為50%～60%，太陽總輻照量5100～6300 MJ/m2，熱帶海洋氣候帶來的陣雨可經(jīng)常清洗光伏電池板并為電池板降溫，保證穩(wěn)定的光伏發(fā)電效率，降低維護(hù)成本[1]。在海南發(fā)展太陽能光伏發(fā)電具有得天獨厚的自然優(yōu)勢，但是光伏發(fā)電需要大量的土地資源，成為海南發(fā)展光伏發(fā)電的制約因素。鑒于此，海南的部分光伏電站引入了“農(nóng)地種電”“一地兩用”的建設(shè)方式，尋找將農(nóng)業(yè)種植和光伏發(fā)電有機(jī)結(jié)合的方式。光伏和農(nóng)業(yè)結(jié)合是近幾年光伏發(fā)電領(lǐng)域的一個重要方向，目前，各地均出現(xiàn)了以光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合的探索和實踐[2-8]。趙雪[9]等研究了光伏日光溫室夏季光環(huán)境及其對番茄生長的影響，結(jié)果顯示光伏日光溫室內(nèi)非晶硅電池組件有助于夏季降溫，同時其室內(nèi)光環(huán)境可滿足番茄的生長。“農(nóng)地種電”型光伏電站主要是提升光伏組件的安裝高度，以此在光伏組件的下部獲得農(nóng)業(yè)種植可操作的空間和區(qū)域，也能在一定程度上改善光伏組件下部的光環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)業(yè)種植提供可操作的可能。上部發(fā)電，下部種植，發(fā)電與種植均需要光照資源，尋找光照資源的合理分配方式，是實現(xiàn)發(fā)電和農(nóng)業(yè)種植兩不誤的高效、立體土地利用模式的關(guān)鍵。目前該類型光伏電站在海南缺乏相關(guān)的實測研究，因此亟需研究相關(guān)的環(huán)境因子，檢測光伏組件下部種植區(qū)域是否能夠滿足種植的基本要求。

本文通過對“農(nóng)地種電”型光伏電站進(jìn)行相關(guān)環(huán)境參數(shù)測試，分析其空間分布規(guī)律，為該類型光伏電站的農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)，同時也為其他進(jìn)行該類型光伏電站建設(shè)或改進(jìn)的機(jī)構(gòu)提供參考。

材料與方法

試驗于2013年7月20日～

25日對位于海南省東方市（北緯19° 08′ ，東經(jīng)108° 52′）某供試的“農(nóng)地種電”型光伏電站進(jìn)行了相關(guān)的實地測試，對“農(nóng)地種電”型光伏電站光伏組件下部的光照度變化情況進(jìn)行了連續(xù)的觀測。該光伏電站規(guī)劃裝機(jī)容量為50 MWp，總占地面積約2000畝（133.3hm2）。光伏組件單排水平投影寬度為3.8 m，間距為1.35 m，光伏組件的傾角為15°，下坡檐的凈空高度為2 m，上坡檐的凈空高度為2.9 m，支撐光伏組件支架的高度與傳統(tǒng)的光伏電站相比有所提高。試驗選取整個電站東部已建成的區(qū)域進(jìn)行測試，光伏電站尺寸參數(shù)及測試點布置如圖1所示。在光伏組件正下方布置a、b、c三個點，光伏組件間隔區(qū)域布置d、e、f三個點。每個測試點在垂直方向上分別在20、50、80、110、150 cm的5個高度上布置測試點。光伏組件為南北布置，東西走向，a測試點位于測試區(qū)域的南側(cè)（S），f測試點位于測試區(qū)域的北側(cè)（N）。采用德國德圖（Testo-545）照度計每小時觀測1次各測試點的光照度。光照度測試點間距為900 mm，根據(jù)預(yù)試驗測試溫度在這樣的間距中無差值（儀器分辨率0.1℃）或差值僅為0.1℃。考慮到儀器精度和較小差值對要研究內(nèi)容無影響，本試驗僅對光伏組件下面中部的b點與間距處中部的e點不同高度處的溫濕度進(jìn)行了測試。采用日本TANDD（TR-51S）自動溫濕度記錄儀采集和記錄測試點b、e（50?110 cm高處）溫濕度。選取位于測試的光伏組件旁10 m處無遮擋的空地測試光伏組件以外的光照度和溫濕度。測試時間段均為8：00～18：00。

結(jié)果與討論

光照度

★ 不同天氣情況下各測試點光照度分布情況

對試驗期間空地處測得光伏組件以外10 h平均光照度范圍對天氣情況進(jìn)行分類，選取晴間多云（平均光照度47995 lx）、陰間晴（平均光照度39369 lx）、晴轉(zhuǎn)陰（平均光照度31915 lx）、陰間小雨（平均光照度27212 lx）等4種天氣情況對各測試點6 h累計的平均光照度進(jìn)行分析（圖2）。a、b、c、f測試點的平均光照度受外界條件影響較小，a、b點的平均光照度在5000 lx左右，c、f點的平均光照度在8000 lx左右，a、b、c、f 測試點的平均光照度均隨高度的增加減少；室外光照強(qiáng)度以及高度對d、e點的平均光照度影響明顯，除陰間小雨天氣以及陰間晴天氣條件下20 cm及50 cm高度外，d、e點的平均光照度均能達(dá)到20000 lx以上。

把不同天氣條件下每個測試點不同測試高度測試值的平均值進(jìn)行比較分析（表1）。測試點d、e光照度的平均值大于20000 lx，達(dá)到21677.37 lx與31730.88 lx，與室外平均光照度比較，透過率達(dá)到43.77%與64.08%。

d、e點的光照度能夠滿足大于4000 lx光補(bǔ)償點的6 h累計平均光照度不小于20000 lx的采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[10]，保證日光溫室強(qiáng)光型蔬菜正常生長發(fā)育。而a、b點各高度的光照度均不能達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，僅適宜于部分光飽和點較低的陰性（觀葉類）花卉或藥材等作物生產(chǎn)，c、f適宜于陰性蔬菜（葉菜類） [11]等作物生產(chǎn)。

★ 外界環(huán)境對光伏組件下部光照度的影響

上述分析可以看出：在光伏組件正下方，a點的平均光照度最低，d點的平均光照度最高，且a、b、c、d點平均光照度呈遞增關(guān)系。所以對典型位置a點和d點的20 cm處和110 cm處數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析（圖3、圖4）能夠反映光伏組件正下方光照度在高度和水平方向上的變化趨勢。a點不同高度處的光照度受天氣情況的影響較小，在不同天氣情況下光照度的數(shù)值相差不大，變化趨勢相同。a點20 cm高處在不同天氣的情況下，光照度大于5000 lx的時長為4 h，a點110 cm高處的光照度均小于5000 lx，這種現(xiàn)象與該區(qū)域的光照度均來自于散射光有關(guān)。d點正上方無遮擋，以太陽直射光為主，光照度的變化與天氣情況密切相關(guān)，且在20 cm與110 cm處光照度的變化不大。在測試的天氣情況中，d點各高度光照度大于20000 lx的時長在5 h以上，最高可以達(dá)到65000 lx。