光伏溫室屋頂組件排布對太陽光利用率的影響

李天宇，孫耀杰，吳佳露，孫玉卿，張 宇，楊 彪,

(1.哈爾濱工業大學(深圳)建筑學院智能照明實驗室(iLLab)，廣東 深圳 518055；2.復旦大學信息科學與工程學院光源與照明工程系，上海 200433；3.哈爾濱工業大學建筑學院寒地建筑科學與工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150006)

引言

隨著技術發展，到2050年左右，太陽能光伏發電的成本會有可能接近現在的風電成本[1]。在建筑科學領域，學者正在將注意力轉向 “農業建筑+光伏發電”的光伏溫室上，即將光伏組件安裝于建筑屋頂上，充分接收太陽輻射，這種做法不但節約了成本，單位面積上的太陽能轉換設施的價格也可以大大降低，有效地利用了屋面的復合功能[2]。例如，Pérez-Alonso等[3]對光伏溫室進行了文獻調研后，并使用24個薄膜光伏組件在西班牙東南部搭建了1 024 m2的光伏溫室實物模型(光伏組件覆蓋率為9.8%)。為期9個月的持續測量結果表明，該溫室單位面積發電量為8.25 kWhm-2。王彪等[4]使用Ecotect?軟件模擬分析了光伏溫室在夏日的10:00、12:00、14:00和16:00四個時間點溫室內的太陽輻射分布，仿真結果驗證了光伏溫室可以提供適宜作物生長的輻射范圍。光伏溫室一方面可以利用充足的農業占地面積解決光伏電站的用地問題，另一方面可以結合新能源和現代設施農業手段，為不同農作物提供適宜的生長條件。

與傳統居住建筑所關注的可見光采光和人類視覺需求不同，農業光伏溫室建筑光學應該主要關注不同類型溫室的采光率和不同農作物的光照需求，所涉及的理論基礎、科學依據和設計標準完全不同。首先要解決的是太陽光在農作物和合理分配的問題，并且滿足農業和光伏產業的綜合效益最大化。盡管光伏農業溫室的土地資源互補和規模效應使其具有較好的推廣前景，但農業和光伏如何更高效地共用和共享太陽能(爭光問題)以便同時保證農作物產量和光伏發電量，是探索農業光伏模式要解決的核心問題。

光伏農業溫室的組件覆蓋率要低于某個閾值，以保證陰影遮擋不影響農作物的正常生長和基本產量。歐盟建議此閾值的經驗值為25%～50%，但與此相關的系統性研究尚處于起步階段，實證依據不足。趙雪等[5]在西安地區對比了光伏組件覆蓋率為50%的光伏溫室和普通溫室的太陽輻射及有效光合透光率，晴天的光損失率分別為30.3%和17.6%；陰天基本減半，為15.8%和9.4%，但對番茄的產量沒有明顯影響。Cossu等[6]同樣驗證了光伏組件對溫室接受太陽輻射所產生的損失，實驗光伏溫室的面積為960 m2、覆蓋率為50%，結果發現光伏溫室內的太陽輻射減少了64%，距離光伏覆蓋面最遠的出光損失最低；用部分光伏所發電力對光伏溫室內種植的番茄進行LED補光，并不能完全彌補產量的損失，所得結論與趙雪有明顯不同，可能是由于溫室結構、地理位置或氣候條件引起的。

Castellano[7]利用Autodesk Ecotect?軟件對一個長寬高為32 m×10 m×4 m的虛擬光伏溫室進行建模和分析，討論覆蓋率為0%、20%、30%和50%時的采光情況，并對比了3種覆蓋率為20%的3種不同直線式排布。仿真結果表明，從年平均值來看，除了覆蓋率為50%(采光面全覆蓋)的情況不能滿足高能農作物的光照要求(3 000 lx)之外，其他情況都可以滿足。但不同位置的光伏組件對不同種植區域的影響程度也不同，張勇[8]提出了一種光伏組件與內部植栽交錯式的布局，光伏板主要集中于溫室頂部，這樣可以使正午時段光伏組件對種植區域遮陽率低于20%的前提下，將覆蓋率提高到58%。在之前研究的基礎上，張勇等[9]繼續探討了不同覆蓋率及光伏組件排布方式對溫室內陽光透過率的影響，在寧夏地區對比了81%覆蓋率(橫向間隔)、58%覆蓋率(橫向間隔)、58%覆蓋率(縱向間隔)以及無光伏組件覆蓋的四種光伏溫室透光率。結果表明：光伏組件縱向間隔布置(58%覆蓋率)>光伏組件橫向間隔布置(58%覆蓋率)>光伏組件橫向間隔布置(81%覆蓋率)。而且，58%的縱向間隔布置對種植區域的影響與無組件覆蓋基本相當。對于具體項目而言，即使有參考最佳覆蓋率，仍然需要決定采用何種光伏組件布局方式，以實現能源產量和農業產量最大化。

具有相同覆蓋率的光伏溫室，需要根據不同地區日照和氣候類型選取最合理的光伏陣列的排布方式，并對光伏農業溫室中采光時間和空間分布進行分析。Yano等[10]使用兩個裝有30個相同規格光伏組件的真實光伏溫室，對比了直線式和棋盤式2種排布方式的太陽輻射接收量、光伏發電量和太陽光空間分布。實驗結果表明，盡管棋盤式能量利用效率略低于直線式，但光的空間均勻度卻比直線式高；直線式光伏溫室有部分地面被長期遮擋，但棋盤式光伏溫室只存在當天間歇式遮擋，更有利于農作物的生長。Kadowaki等[11]探索了溫室屋頂安裝光伏組件及其排布對大蔥的產量影響。在兩個相同尺度和朝向的實驗光伏溫室的屋頂上，分別按照直線式和棋盤式排布相同數量的光伏組件，覆蓋率均為12.9%。同時有設置了一個尺度和朝向相同的傳統溫室，作為對照組，種有相同數量的大蔥。一年后的稱重結果表明，直線式光伏溫室的洋蔥產量明顯低于對照組溫室，而棋盤式光伏溫室相對對照組溫室來說，大蔥的減產程度要低，造成減產可能因為直線式排布的光伏組件對部分區域有長期遮擋，有待進一步驗證。

目前關于農業光伏建筑光學的研究基礎比較有限，尚未形成系統性的研究成果，亟需足夠支撐標準制定的科學依據。以往關于光伏溫室的研究，主要以計算機模擬仿真和實地測量為主，難以平衡和兼顧環境和溫室的精確性和可重復性?，F有的光伏農業項目中，光伏板影響植物生長的問題越來越突出[12]。本研究利用人工天穹實驗系統將軟件仿真和物理實驗有機結合，研究光伏溫室屋頂的幾何結構和光伏組件排布對溫室內自然光分布的影響，通過對比4種典型排列方式在4個典型緯度地區春夏秋冬四季的太陽光利用率，得出可為光伏溫室建筑采光設計標準提供參考的實證科學數據。

1 光伏溫室采光的人工天穹模擬

1.1 天空光環境模擬

實驗采用可以使用計算機軟件控制的人工天穹系統來模擬太陽光，由一個用來模擬太陽直射光的氙燈和2 100個用來模擬天空擴散光的LED平面光源共同組成，如圖1所示(天穹直徑=15 m；氙燈直徑=50 cm；氙燈色溫：6 000 K；LED平面光源：2 100個，亮度和色溫均可調節，色溫調節范圍為2 700～6 500 K；具備一鍵復現全球地理位置任意時刻的自然采光情景的功能，并預設了15種CIE標準天空的亮度分布)。氙燈光源為平行光，被安裝于垂直軌道上，可以根據所模擬地區和對應季節的太陽高度角沿著運行軌道進行全天動態模擬，如圖2所示。垂直軌道的一端安裝在落地安裝的水平軌道上，另一端吊裝于天穹頂部中心點。

圖1 人工天穹實驗系統Fig.1 Artificial sky system

圖2 太陽模擬光源氙燈Fig.2 Xenon lamp for sun simulation

太陽光由太陽直射光和天空擴散光兩部分組成，本研究主要探討光伏溫室頂部的光伏組件對溫室內部的遮光問題，因此應盡量排除天空擴散光的影響，主要探究太陽光中的太陽直射光。故本研究中將LED平面光源全部關閉，只保留模擬太陽直射光的氙燈來進行實驗，以便探究光伏溫室屋頂組件排布對太陽光利用率的影響。

1.2 光伏溫室建筑模型

為了在人工天穹內研究光伏溫室內部光照分布影響，本實驗采用了1∶16縮尺模型模擬光伏溫室，模型由模擬光伏組件的鋁塑板和不銹鋼的支架組成，光伏組件由不透光深藍色鋁塑板模擬。單個光伏溫室模型長2 m、寬0.5 m，放置于人工天穹內部中央位置的4 m×4 m實驗臺中，如圖3所示。此系統可以快速復現不同時間季節的自然光環境，并模擬光伏溫室內部全年光照變化。

圖3 人工天穹內的光伏溫室建筑模型(1∶16縮尺)Fig.3 The architectural model of the photovoltaic greenhouse in the artificial sky (1∶16 scale)

實驗分別模擬了哈爾濱(北緯45°)、北京(北緯40°)、上海(北緯31°)、深圳(北緯22°)4個緯度地區在冬至(12月22日)、夏至(6月22日)、春分(3月21日)和秋分(9月23日)4個季節的天氣情況下全天的太陽高度角?？紤]到光伏板之間的互相遮擋問題，四組光伏溫室建筑模型的擺放方式與光照測量位置如圖4所示。通過計算分析光伏板在各種傾角條件下全年太陽輻射總量和光伏電池發電量，確定太陽能板放置的最佳傾角[13]。模型支架傾斜角度可在22°、30°、40°、45°四種模式之間切換，分別對應深圳、上海、北京、哈爾濱4個緯度地區的最佳傾角，如圖5所示。

圖4 光伏溫室模型布局俯視圖Fig.4 Top view of photovoltaic greenhouse model layout

圖5 光伏溫室建筑模型4種傾角側視圖Fig.5 Side views of four inclination angles of the photovoltaic greenhouse model

光伏溫室屋頂的光伏組件，按照材料類型，可以分為晶硅組件、薄膜組件、雙玻組件。對于單個組件透光率幾乎為零的晶硅組件來說，典型光伏陣列的排布方式可以分為橫向排布和縱向排布兩種。按照遮擋程度，可以分為全遮擋和部分遮擋兩種。本實驗設置光伏組件的覆蓋率固定為50%，排布方式按水平和豎直兩個方向的間隔式和棋盤式排布，4種光伏組件的排布方式如圖6所示。

圖6 4種光伏組件排布方式Fig.6 4 ways of arrangement of photovoltaic panels

1.3 數據采集

實驗采取了全比例微縮實物模型光分布點網測量方法，分別以4種不同的光伏組件排布方式來模擬4種不同太陽光遮擋情況下的光伏溫室建筑模型。在模型內均勻地布置20個測點(圖4)。并使用照度傳感器來測量溫室內的光照條件和空間分布情況，利用測得照度值間接反應光譜響應變化。如圖7所示，測得照度值(E)。對每一種光伏溫室建筑模型進行不同緯度地區下的冬/夏至和春/秋分4個季節全天太陽高度角的動態模擬，每一次模擬都從日出到日落每隔0.5 h測量一次數據，并將這些數據做歸一化處理。春分和秋分太陽軌跡完全等同，因此春秋兩季合并處理，即4個季節的實際測量分三次即可完成，總共得到64組的照度值(E)。

圖7 光伏溫室模型內照度傳感器Fig.7 Illuminance sensor inside the photovoltaic greenhouse model

測試完畢后，撤掉光伏溫室建筑模型，在完全無遮擋的情況下，在相同位置的20個測點測量4個緯度地區的3種不同季節太陽直射光的全天照射情況，測得總共16組照度值E0作為基準值。至此，實驗室模擬數據采集完畢。

經過歸一化處理和分析計算得到不同的光伏組件排布方式下光伏溫室內部的不同采光系數。對每組溫室內照度值(E)都根據其相應太陽直射光照射情況下測得的基準值(E0)計算其每個測點在每個時間點的采光系數值(E/E0)。對比分析按照4種光伏組件排布方式測量和計算得到的采光系數，并驗證出能夠將太陽能最大化利用的光伏組件排布方式。

2 實驗結果

2.1 數據處理

為排除不同測點間室外照度值的不同導致的室內照度值差別，以采光系數(DF: daylight factor)E/E0來衡量光伏溫室對太陽能的相對利用率更為合理[14]。其中，E為有光伏組件遮擋情況下，布置在溫室模型內部的20個傳感器所測量到的照度值，E0為無遮擋情況下的基準值。

由于測量基值的實驗過程在測量4種光伏溫室照度值之后進行。兩次實驗之間人工天穹系統進行了檢修，并更換了氙燈，新舊氙燈的亮度有差距。為保證采光系數有意義，對比兩燈照在實驗臺上的最大照度值，將其比值作為校準系數(n)校準原始采光系數(E/E0)。校準采光系數為E/nE0，其中n=11.4。

對64組數據中20個測點計算全天校準采光系數平均值，代表每一測點在4種光伏組件排布下每個緯度和季節的采光系數。并對每一緯度中的4個季節的校準采光系數求和，得到每一緯度可代表全年自然光照射情況溫室內20個測點的采光系數。

2.2 光伏溫室采光系數

本實驗排除了天空擴散光只考慮太陽直射光的影響而且光伏組件遮光率恒定，因此每種排布方式的光伏系統對太陽能的使用效率相同，溫室內平均采光系數相同。用平均采光系數來衡量光伏組件排布方式的優劣是無意義的，應使用能夠描述采光均勻度的參數衡量光伏組件排布方式的優劣[15]。使用合理的光伏組件排布方式可使溫室內部均勻受光，提高農業對太陽光的利用率。避免個別點位被遮擋時間過長而導致采光系數不足，或采光系數遠高于平均值造成太陽光浪費。

本研究采用20個測點采光系數的離散程度描述光伏溫室內采光均勻度。本實驗采用箱型圖(Box-plot)來表示數據離散程度，并進行組件比較。

2.2.1 緯度和季節的影響

本實驗使用箱型圖來表示不同緯度和季節的天然光照射情況下，每組數據中20個測點采光系數的離散程度，從而驗證出溫室屋頂光伏組件的最好排布方式見表1。

對比分析光伏組件的4種不同排布方式下20個測點采光系數的箱型圖。每組數據中“排布1”均表現出上四分位與下四分位之間的距離較其他3種排布偏大，且中位數較其他3種排布偏低。

表1 不同緯度和季節20個測點采光系數平均值和離散程度

對比分析不同緯度地區的溫室內20個測點采光系數的箱型圖。北京和哈爾濱的上四分位與下四分位之間的距離較深圳和上海偏大，且這種趨勢在春/秋分的日光照射情況下尤為明顯。然而北京和哈爾濱兩地在春/秋分太陽光照射情況下，20個測點采光系數的中位數較深圳和上海偏高。

2.2.2 全年采光系數及其分散程度

為進一步明確不同緯度地區光伏組件排布方式對溫室內的采光均勻度的影響。繪制每一緯度地區全年日照情況下4種光伏組件排布方式20個測點采光系數箱型圖。對每一緯度地區，將每一測點的4個季節日照情況的采光系數值進行相加計算，得到代表每一緯度全年日照情況的4種排布方式對比圖見表2。春/秋分、夏至和冬至4個日期可代表4個季節，從而近似涵蓋了全年天然光照射情況。

對比分析各緯度地區全年的日照情況4種排布方式的箱型圖，同樣顯示：“排布1”的上四分位與下四分位之間的距離較其他3種排布偏大且中位數較其他3種排布偏低的情況。

表2 全年日照情況下20個測點采光系數平均值和離散程度

3 結論

本實驗使用人工天穹實驗系統和光伏溫室縮尺模型模擬研究不同太陽光條件下，光伏組件的不同排布方式對光伏溫室太陽光利用率的影響。對比分析4種光伏組件排布方式測量得到的20個測點采光系數離散程度，并驗證能夠將太陽光最大化利用的光伏組件排布方式，得到以下結論：

由實驗結果可得，無論是綜合考慮每一緯度全年的天然光照射情況，還是考慮每一緯度和每種季節的天然光照射情況，排布1的20個測點采光系數離散程度均表現出比其他3種排布偏大的趨勢。即排布1的光伏溫室對太陽光的利用率最低，而其他3種排布的光伏溫室對太陽光的利用率較高。除此之外，不同緯度和季節測得的采光系數分散程度之間具有差異。北京和哈爾濱這兩個典型中國北方緯度地區測得的采光系數離散程度較深圳和上海大，即相同溫室條件下，中國北方地區的光伏溫室對太陽的利用率較低南方地區偏低，春/秋分季節更加顯著。

總體而言，對比水平方向的間隔式排布、豎直方向的間隔式排布、水平方向的棋盤式排布和豎直方向的棋盤式排布這4種光伏組件排布對光伏溫室太陽光利用率的影響。水平方向的間隔式排布對太陽光利用率最低，其他3種排布無明顯差別。故在實際建造光伏溫室時，盡量減少水平方向的間隔式排布方式，進而減少光伏板對農作物生長的負面影響。

為進一步探索光伏組件排布方式對光伏溫室采光的影響，在后續的研究中可以通過改變光伏組件遮光率，光伏組件的傾斜角度等變量來實現。