基于可變傾角農光大棚的光照調節設計

張毅強，馬 磊，陶晟宇，孫 潔，林燕丹，孫耀杰

(1.復旦大學光源與照明工程系，上海 200433; 2.復旦大學六次產業研究院，上海 200433; 3.上海綜合能源系統人工智能工程技術研究中心，上海 200433)

引言

光伏農業大棚是光伏與農業大棚相結合的農光互補模式，其機理是將光伏組件架設在傳統農業大棚上方或利用光伏組件替換棚頂實現棚頂發電、棚下種植[1]。農光大棚模式下，光伏組件對日照的遮擋導致農業大棚內部陰影遮擋進較為嚴重，導致喜陽類農業作物長勢不好(如番茄、西瓜、青椒等)，只適宜種植對光照需求極低的喜陰植物，如菌菇、西芹、黃花菜等，嚴重影響設施種植的適用范圍。光伏與農作物光需求的矛盾限制了光伏農業的推廣與應用[2]。

目前，國內外對棚內陰影遮擋對農作物產量相關性的研究主要集中在遮陰比或透光率領域[3-5]。文獻[6]中將薄膜電池鋪設于溫室屋頂，測量時間內(9:00—17:00)光伏溫室的透光率為32.64%～80.96%，平均透光率為66.27%；文獻[7]中采用雙玻晶硅電池，考慮了接線盒面積、街線條等因素后的溫室透光率約40%；文獻[8]中將薄膜電池與陽光板1∶1排列布置，晴天時透光率為34.7%～41.7%，陰天則降至19.9%～27.8%。

遮陰比例僅是衡量作物整體產量的間接因素，其決定性指標在于被遮陰程度是否影響作物的正常生長發育，基于遮陰度等參數對植物長勢的測量方法并不契合植物自身生長規律。為進一步分析遮陰比例和遮陰程度對農業生產影響，本文提出一種利用單軸跟蹤系統對光伏農業大棚進行分光、調光的方法，該方式以需光植物的光合特征為理論基礎，以單軸跟蹤支架為實現手段。

目前光伏農業領域中，單軸與大棚的結合形式主要有“交錯”和“不交錯”兩種形式，這兩種形式對于平單軸或斜單軸均可。

當光伏組件與大棚交錯(一般為垂直)時，在一個大棚內產生多個隨時間發生變化的遮陰區域，通過對光伏組件角度的調整可改變陰影區域的分布從而優化遮陰區域下農作物的光照條件。此時，春秋拱棚一般沿東西走向，平單軸與斜單軸均南北走向，如圖1所示。

圖1 交錯結合形式Fig.1 Vertical combination form

不交錯結合形式分為兩種，平單軸光伏組件位于春秋拱棚的東側或西側，大棚前后存在露地被光伏組件遮陰的區域，如圖2所示；斜單軸位于冬暖溫室后墻，為避免光伏組件對大棚北側大棚的遮陰，通常需要增大棚間距，如圖3所示。

圖2 不交錯結合形式一Fig.2 Parallel combination form 1

圖3 不交錯結合形式二Fig.3 Parallel combination form 2

1 需光作物的光合特性

現代農作物多是白堊紀喜光被子植物的后代，對光照的要求很高，如番茄、黃瓜等[9]。但是這些喜光植物也存在“光抑制現象”，過高的光照強度會出現強光脅迫，導致光合作用能力降低[10]。

1.1 農作物光合生產過程

植物的光合生產過程大致可分為三個階段：一是光能和原料的吸收、運輸階段，植物吸收光與二氧化碳，并運送至葉綠素內的“光合反應中心”；二是能量的轉換階段，植物將無機物轉化為有機物、 光能轉化為生物化學能；三是生物化學階段，植物將葉片中初步合成的碳水化合物運輸到各個器官用于生長發育，或轉化為還原度更高的化合物[11]。整個光合過程有條不紊地進行新物質的生產、運輸和積累，保證了植物的正常生長。

其中，第一階段必須充分滿足植物需求的光與二氧化碳。圖4是植物的光需求示意圖，在光補償(light compensation point, LCP)點處，植物的光合作用同化量與新陳代謝呼吸量相當，是滿足植物需光量的下限值；隨著光照繼續增強，植物的光合作用強度也呈增長趨勢；當光照強度達到光飽和點(light saturation point, LSP)時，光合作用強度不再增加，這時過多的光照會造成光資源的損耗和浪費。

圖4 農作物光需求示意圖Fig.4 Light demand of crops

1.2 農作物光合“午休”現象

植物的光合作用曲線主要分為單峰型和雙峰型。單峰型植物，在中午光照最強時出現光合作用強度峰值；雙峰型植物則分別在上、下午出現峰值，午間反而會出現低谷的“午休”現象[12]。

作物“午休”現象較為普遍，部分作物存在嚴重午睡現象，如番茄、黃瓜等[13, 14]，該類作物的光合作用在上午達到峰值，中午開始下降并在下午一直保持在較低的水平。隨著中午陽光輻射強度增大，棚內環溫升高、濕度降低，植物會關閉部分氣孔、暗呼吸作用加強，從而減少植物體內的水分流失，減輕強光造成的損害，這是植物長期以來形成的自我保護機制。

可以看到，“午休”的發生不僅降低了棚內作物的生產力，也造成了大量光資源的浪費。因此，在該時段充分利用太陽能電池發電，其他時段滿足作物正常的光需求，便能在光伏發電的同時將對農作物生產的影響降到最低，滿足喜光型農作物在光伏大棚內的種植。

1.3 農業光伏互補策略

本文提出一種用于農業光伏互補的策略，在優化后的單軸農光系統中，當光照強度超過植物的光飽和點時光伏系統開始發電，光照強度低于植物光飽和點時使光伏面板平行于入射光線，保證棚內正常采光，維持農作物正常生長。該方法分析了農作物的產量、光合作用速率、光飽和點和光補償點之間的關系，驗證了在一定范圍內作物產量與最大光合速率呈正相關。結合植物特性保證在新的農光模式下，部分喜陽作物也能正常生長。

2 光伏支架系統的選擇

目前常見的光伏支架類型有固定式、平單軸、斜單軸、雙軸支架等。固定式支架安裝簡單，維護成本低，但是光能利用率和發電量相對較低，并且一旦安裝，運行方式和空間位置無法改變；單軸跟蹤系統相比固定軸發電量可提升20%～27%，相比雙軸跟蹤支架，其結構更簡單，運維成本更低且發電量的差異不大；雙軸跟蹤方式可以跟蹤太陽方位角和高度角，發電量比固定式高30%左右，但其維護周期較短，且農光支架較高，維護困難、成本高，應用性價比不佳。

光伏農業既要考慮光伏發電效率，也要兼顧光伏組件下農作物的生長態勢。在固定式支架的光伏農業模式下，光分布不均勻，會形成大面積的遮陰，喜陽作物在遮陰區域往往無法正常生長。

斜單軸跟蹤系統不僅相對固定式支架具有更高的發電效率，還能根據實際需求調整組件的角度，調節光伏陣列對農業大棚的遮陰影響。因此綜合考慮發電量、生態位因素、運維成本和穩定性等因素，將斜單軸跟蹤系統應用于設施農業大棚，能夠有效地實現設施農業大棚內部的光資源分配，達到光伏農業的調光效果。

3 工作模式分析

假設一天內從早到晚劃分，弱光時間段為T0～T1，與T4～T5，次強光時間段為T1～T2與T3～T4，強光條件為T2～T3，如圖5所示。

圖5 光照強度與時間關系Fig.5 Relationship between light intensity andtime

假設光伏發電系統的發電最優函數J1(t)與發電量成正比，在不同光照情況下存在權重系數，計算方式如下：

(1)

其中，P(t)為光伏發電系統實時輸出功率，權重系數nx(x=1,2,3,4,5)與P(t)相關，需根據光伏發電系統在當地實際的功率情況進行計算，如表1所示，P(t)在系統額定功率在不同范圍內，參數nx的取值不同。

當功率存在波動時，nx計算方式如下：

(2)

表1 光伏發電系統最優函數的權重系數表(x=1,2,3)

表1中權重系數的預設值的解釋：由于在弱光下植物對光需求較大，此時進行光伏發電影響較大，因此設為負值；在其他時刻設定為恒定值，也可根據實際情況，進行適宜修正。

T0、T1、T2、T3、T4、T5的確定受太陽照度與農業植物光補償點E1、光飽和點E2的影響：

T0、T5為太陽升起時刻；

T1、T4為E(t)=E1(農業植物光補償點)時刻；

T2、T3為E(t)=E2(光飽和點)時刻；

其中T0～T2太陽照度E(t)上升，T3～T5太陽照度E(t)下降。

農業植物的生長最優函數J2(t)與太陽照度、光照時間及光照波長存在一定關系，計算公式如下：

(3)

其中，E(t)為太陽照度隨時間的函數；S(w)為光伏組件下農業植物的吸收光譜，是波長的函數，其中w0為波長下限，w1為波長上限。

以水稻葉片吸收光譜為例，水稻葉片對光的吸收波段主要集中在420～490 nm的藍紫光區域以及630～670 nm的紅光區域，對520～590 nm波段的綠光吸收很少，因此w0可以取400 nm，w1取700 nm(針對不同植物w0和w1略有不同)。

圖6為農業相關權重系數m(E(t))示意圖：由于植物在弱光時間段，光照低于補償點，不足以供給植物所需要的最低光照強度，還會消耗有機物，因此m(t)為負，且照度越低，m(t)越小，最低系數與植物夜間消耗的有機物有關；在次強光時間段，即光補償點與飽和點之間，m(t)隨照度增加而增加；在強光時間段，光照大于飽和點，此時農業權重系數在一定范圍內為最大值，最大值與植物對陽光的需求有關；當照度E(t)過大引起的溫度超過植物生長最佳范圍時，m(t)下降，在達到植物生長所能承受的最高溫度時，m(t)降為0；照度繼續增加將對植物造成傷害，m(t)將變為負，并迅速降低。

m(E(t))的最大值受植物品種及光飽和度影響，根據與J1(t)的交點位置計算得到，在光補償點與光飽和點的中間階段隨照度變化呈線性變化。因為在w0～w1區間及光譜曲線確定時，S(w)為一常數，因此J2(t)的曲線與m(E(t))相似。

由于光伏發電系統的發電最優函數J1(t)，農業植物的生長最優函數J2(t)在光飽和點時存在交點，可計算m(E(t))的最大值。m(E(t))最小值根據實際植物對溫度的敏感性確定。

圖6 農業相關權重函數圖Fig.6 Agriculture related weight function chart

依據前文分析，該文針對具有正常的雙峰光合作用曲線的農作物設計該模型工作模式如圖7所示。

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

假設光伏支架能精確跟蹤入射光角度，通過程序編碼，使跟蹤系統實現以下操作：

1)讀取天氣數據，判定當天天氣為晴天或陰天，如鑒定為晴天，轉入步驟2，反之，跳至步驟3。

2)在弱光條件下(如清晨、傍晚)，因太陽高度角較低，無需從農業角度考慮改變跟蹤角度，跟蹤支架可按照自身算法運行；在次強光條件下，通過調節跟蹤角度，使光伏組件盡量與陽光入射角度平行排布，最大程度減少遮擋光照的面積，光資源主要供農業作物群進行吸收；在強光條件下，即光照強度超過植物光合作用飽和點時(如中午或者夏天早上等光照強烈的時候)，利用光伏陣列形成全部或部分遮擋，減少農業植物群的受照光強，防止植物曬傷。

3)在陰雨天氣下，光照強度極低，嚴重影響了光伏系統發電，因此，設計停止光伏系統工作，根據溫室大棚的需求進行光伏面板的開合。

通過以上調節方法實現農業植物的最佳光合作用，同時光伏組件將過盛的太陽輻射轉化為電能。

4 算例分析

第3節中，直接依據農作物的“午休”時間與光伏系統的最佳發電時間，設定兩者的交集作為軸跟蹤光伏系統的工作時間。事實上，大量農業研究表明，多數農作物一天內(5:00—18:00)所接收的日光輻射達到其LSP的70%及以上時，基本能夠保持正常地生長發育。

通過文獻查閱，該文選擇一種需光型農作物——番茄(中蔬4號)，其LCP為53.1 μmol/m2s，LSP為1985 μmol/m2s。該數值與光照的轉換關系[14]為：

1 lx=0.0185 μmol/m2s=0.00402 W/m2

(4)

根據式(4)可以計算得到番茄光飽和點對應的太陽輻照度為393.34 W/m2。因此，只需要保證在正常日照時段棚內的輻照度達到其LSP的70%(即301.94 W/m2)，棚內的番茄便能夠正常生長，保證其產量。

根據以上設定，對光伏大棚進行建模仿真計算，分別對固定式支架和采用光照調節下單軸跟蹤式支架兩種情景在Ladybug軟件中進行仿真實測，仿真結果如表2所示。

表2 優化前后發電量與日照輻射

圖8 優化前后發電量與日照輻射對比圖Fig.8 Comparison of power generation and sunshine radiation after optimization

優化結果如表2及圖8所示，由于中蔬四號番茄對光照強度的需求較高，因此在調節過程中，僅在13：00附近光照強度高于光補償點，因此在該時間段內溫室的光照強度有所降低，其余時間段內組件傾角的改變均加大了溫室內部的光照強度。如藍線表示固定組件光伏溫室內部的光照情況，對于番茄這種作物來說超過其光適宜點的時間僅有在11:30—14:30之間共計約3 h的時長。通常情況下，對于陽生作物而言其達到適宜的光照條件時長至少需要4 h以上，因此原有的光伏溫室并不能較好地滿足番茄生長發育所需要的光環境。而經過單軸系統調節后的溫室內部，其光照強度在番茄適宜生長區間的時間約為5 h。因此對于農業來說，這種調節方法能夠改善陽生作物的光環境，并能夠有效增加適宜光強的日照時長。但調節組件角度的過程中，溫室內部的光照強度和組件的發電量往往是互斥關系，但在本例中，調節后的日總發電量僅下降了12.5%。

基于以上結果可知，通過光照調節來平衡光伏發電與植物生長的措施是可行的；對于陽性作物而言，單軸系統的可以在造成少量電能的損失情況下改善陽性作物的光照條件，提升光伏農業的協同共生發展的可行性。

5 結論

本文利用喜光作物的光合特性，提出將斜單軸跟蹤系統替代固定軸光伏系統，與設施農業相結合，設計了一種具有光照調節能力的新型光伏農業大棚。該模型能很好的適應需光農作物生長，有效解決光伏系統遮陰問題。同時，該文對模型發電量進一步優化，提升了光伏系統可發電時間，實現更高的經濟效益。事實上，該模型不僅適用于光需求大的農作物，針對喜陰植物、半喜陰半喜陽植物，通過相應調整光伏系統工作方式，同樣能夠滿足其正常生長。該文的研究對光伏農業的結合與發展有一定的理論和實踐指導意義。