劉璋晶瑩，張 龍，吳宜文，吳翠南，鮑恩財(cái)**，鄒志榮.4

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣性、能源利用的多樣化以及農(nóng)業(yè)分工的差異化，使設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成為一種新產(chǎn)業(yè)。光伏溫室是高效、集約、智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集中體現(xiàn)[1]，具有較好的操作性和較高的可靠性，能有效防止病蟲草害和氣候?yàn)?zāi)害，積極調(diào)整農(nóng)作物的生產(chǎn)時(shí)間[2]，在一定程度上減少生產(chǎn)成本和能源消耗[3]。發(fā)展新的溫室技術(shù)，促進(jìn)雙碳、模式結(jié)合、高度集約化是光伏溫室行業(yè)今后發(fā)展的重要方向。

光伏溫室發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外研究現(xiàn)狀

能源和食品供應(yīng)的可持續(xù)性已成為當(dāng)今世界的關(guān)注點(diǎn)之一。溫室種植是糧食集約化生產(chǎn)體系，為世界糧食供應(yīng)新鮮的蔬菜和水果。溫室作物的產(chǎn)量和質(zhì)量可以通過基于燃料和電網(wǎng)輸入驅(qū)動(dòng)的小氣候控制來提高[4]。光伏溫室作為一種典型的光伏農(nóng)業(yè)模式，近年來受到了研究者的關(guān)注。如Ezzaeri K 等[5]研究了以棋盤格的方式安裝在溫室屋頂區(qū)域的柔性光伏板在夏季和冬季對(duì)小氣候和番茄產(chǎn)量的遮陽效應(yīng)，結(jié)果表明，覆蓋40% 溫室的太陽能組件對(duì)氣候參數(shù)沒有顯著影響，光伏板的存在對(duì)番茄的總產(chǎn)量沒有顯著影響。Yano A 等[6]通過在東西走向的溫室前坡面安裝30 塊規(guī)格相同的光伏板，來研究光伏組件直線型和棋盤型排布方式的室內(nèi)小氣候環(huán)境，研究表明光伏組件的發(fā)電量基本相同，但是對(duì)于溫室內(nèi)的光線遮擋程度卻不盡相同，棋盤型排布方式的光均勻性相比直線型排布方式更好。Kadowaki M 等[7]研究具有相同鋪設(shè)面積的光伏電池的不同排布方式對(duì)洋蔥生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的光伏組件直線排布相比，棋盤型鋪設(shè)方式更適合洋蔥的生長(zhǎng)。為了改善光伏組件對(duì)溫室內(nèi)部的遮光影響，Yano A 等[8]將光伏組件的集成面積調(diào)整到0.2%，并將光伏組件的發(fā)電用于控制溫室側(cè)通風(fēng)系統(tǒng)的打開和關(guān)閉，溫度設(shè)定在20～25 ℃。研究發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電與溫室支配系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。作為可再生能源應(yīng)用的代表，太陽能發(fā)電在多個(gè)領(lǐng)域都有不同程度的應(yīng)用。

由于光伏發(fā)電的特性，光伏電池通常作為覆蓋物安裝在溫室的屋頂上，因此它對(duì)陽光的遮擋一定程度上會(huì)影響作物的正常生長(zhǎng)。光伏電池板作為溫室覆蓋材料，其應(yīng)用都集中在平坦的屋頂結(jié)構(gòu)上，而圓拱形溫室由于其彎曲的形狀，無法方便地安裝光伏板。于是Marucci A 等[9]用光伏電池以棋盤形狀排列在溫室上分析對(duì)溫室內(nèi)部的遮陽影響，采用Autodesk AutoCAD 仿真軟件分析了光伏板遮陽百分率的變化對(duì)溫室內(nèi)部光線分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明，由于溫室剖面不同的曲線形狀才會(huì)在遮陽百分率上有一定的規(guī)律性，從3 月中旬～9 月中旬，白天的陰影幾乎總是在溫室里，而在其他幾個(gè)月里白天的陰影是部分在溫室內(nèi)部分在溫室外。在光伏電池板呈棋盤形排布的情況下，全年遮陽的比例均處于40% 以下。

時(shí)至今日，對(duì)光伏溫室研究的區(qū)域主要集中在歐洲和亞洲地區(qū)，由于地域性的差異，研究側(cè)重也不盡相同。歐洲地區(qū)研究的光伏溫室主要以連棟玻璃溫室為主，采用晶體硅電池組件。而日本地區(qū)則主要以面積較大的單棟鋼架塑料大棚為主，采用非晶硅薄膜電池組件。盡管國(guó)外已較早開始對(duì)光伏溫室的研究（圖1～2），也取得了一定的成果，但是仍舊處在研究學(xué)習(xí)階段，目前的光伏溫室主要用于示范和試驗(yàn)，面積規(guī)模普遍不大。

圖1 意大利光伏溫室

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國(guó)是最早發(fā)展光伏溫室的國(guó)家之一，2015 年7 月，山東省章丘市現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)建造了20 MW 光伏農(nóng)業(yè)科技溫室電站，總面積11.33 hm2。到2019 年底，中國(guó)發(fā)電光伏溫室項(xiàng)目已達(dá)到3984 MW[10]。2016 年4 月，大秦光伏農(nóng)業(yè)科技示范園在貴州省安龍縣興隆鎮(zhèn)全面竣工。2017 年3 月山東省鄆城鑫華40 MW 光伏溫室扶貧電站并網(wǎng)發(fā)電并且成為山東省首批國(guó)家重點(diǎn)扶貧項(xiàng)目。受國(guó)家促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的影響以及光伏企業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展多元化的需求，國(guó)內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)新技術(shù)、新模式一直處于較快發(fā)展中。比如菌光互補(bǔ)模式有效改善了光伏溫室不適應(yīng)綠葉作物生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)產(chǎn)業(yè)土地面積優(yōu)勢(shì)的疊加。因此，選擇適宜的品種，對(duì)光伏溫室大棚內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，立足有機(jī)安全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，打響品牌營(yíng)銷攻堅(jiān)戰(zhàn)，可以有效提升綜合效益[11]。

光伏溫室電站模式已被納入國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼光伏電站建設(shè)一體化示范項(xiàng)目，2017 年華盛綠能等企業(yè)建設(shè)的光伏溫室據(jù)測(cè)算可以在6～8 年左右收回成本，隨著太陽能電池價(jià)格的不斷下降，所用時(shí)間會(huì)更短。吳楠等[12]通過分析國(guó)家政策和光伏農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，指出了農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型應(yīng)朝著新能源與新農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。祁娟霞等[13]對(duì)比了光伏溫室和普通溫室，發(fā)現(xiàn)光伏溫室室內(nèi)環(huán)境優(yōu)于普通溫室，更加適合冬季水果蔬菜生產(chǎn)。王玲俊等[14]介紹了國(guó)內(nèi)光伏溫室和太陽能產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，提出了光伏溫室與太陽能發(fā)電相結(jié)合的方案，最后指出先進(jìn)光伏技術(shù)的發(fā)展能夠更好地蓄熱，使得光伏發(fā)電與光能利用達(dá)到平衡，從而推動(dòng)光伏現(xiàn)代化溫室系統(tǒng)向縱深發(fā)展。

圖2 荷蘭光伏溫室

國(guó)內(nèi)學(xué)者也研究了農(nóng)業(yè)種植與光伏溫室結(jié)合的模式，魏來等[15]提出了農(nóng)光耦合系統(tǒng)是充分利用太陽能光伏板下的空間來種植作物的一種模式。陳鳳等[16]在江蘇省連云港生態(tài)光伏區(qū)對(duì)不同品種的小麥開展了光伏板遮光對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，‘連麥7 號(hào)’‘連麥8 號(hào)’和‘徐麥33 號(hào)’的產(chǎn)量均高于其他品種，且在低光照條件下表現(xiàn)較好。單成鋼等[17]分析了丹參在光伏板發(fā)電條件下的生長(zhǎng)情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，日照時(shí)間大于720 h（70% 無遮光）時(shí)，丹參的生長(zhǎng)狀況沒有發(fā)生改變。王加真等[18]通過將濾光膜技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，結(jié)果表明，濾光膜能有效分離從茶園入射的日光，不僅能阻擋紫外光和紅外光，而且還能傳送茶樹生長(zhǎng)所需的紅光和藍(lán)光。魏來等[19]分析了農(nóng)業(yè)光伏耦合系統(tǒng)中甘薯生長(zhǎng)發(fā)育的狀況，光伏板的安裝對(duì)甘薯生長(zhǎng)有一定的影響，而農(nóng)業(yè)技術(shù)可以改善其負(fù)面影響。張加強(qiáng)等[20]通過對(duì)農(nóng)業(yè)光合作用系統(tǒng)中油菜牡丹產(chǎn)量性狀的影響因素分析，發(fā)現(xiàn)冠幅、結(jié)實(shí)率和單株種子對(duì)牡丹產(chǎn)量有顯著正向影響。綜上所述，植物生長(zhǎng)依賴于農(nóng)業(yè)光合作用系統(tǒng)，但可以通過植物育種和技術(shù)改進(jìn)來優(yōu)化。

目前，中國(guó)光伏溫室類型分為單棟型和連棟型，但以單棟光伏溫室為主。同時(shí)，光伏溫室的類型可以分為單晶硅、多晶硅和非晶硅三種（圖3）。此外，中國(guó)對(duì)光伏溫室的研究仍處于初始階段，而且大部分的研究?jī)H限于非實(shí)驗(yàn)的分析陳述，但即便如此，中國(guó)的農(nóng)業(yè)溫室在數(shù)量和面積上仍處于世界第一。塑料溫室和日光溫室除小型單拱溫室外，占地總面積大于250 萬hm2[21]，為光伏溫室的開發(fā)和推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 光伏溫室的類型

光伏溫室類型

從結(jié)合形式來說，光伏溫室主要有結(jié)合式和分離式兩種類型。依據(jù)設(shè)施類型分類，光伏溫室包括光伏+連棟玻璃溫室、光伏+連棟薄膜溫室、光伏+塑料大棚、光伏+日光溫室。依據(jù)園藝作物分類，光伏溫室可以分成蔬菜、果樹、花卉、食用菌、經(jīng)濟(jì)作物等。

“光伏塑料大棚”將太陽能組件安裝在棚頂上，節(jié)約了土地資源，并且不會(huì)占用土地空間?！肮夥芰洗笈铩敝饕羞B棟農(nóng)光結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)、雙膜雙網(wǎng)棚與光伏結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)、中小拱棚與光伏結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)等組合方式。關(guān)于溫室的自然通風(fēng)能力，鋸齒形溫室的屋頂通風(fēng)口相比圓頂溫室的屋頂通風(fēng)口在同一屋頂高度較高，因此熱壓下的自然通風(fēng)能力較高。因此，鋸齒形溫室在南方自然通風(fēng)溫室中被廣泛應(yīng)用[22]。

“光伏玻璃溫室”較為常見的應(yīng)用方式是玻璃溫室與無邊框晶體組件和薄膜組件相結(jié)合進(jìn)行光伏發(fā)電。光伏板的透光率有一定的要求，光伏組件向南平鋪在玻璃溫室頂部，沒有使用外部遮陽機(jī)制。智能玻璃溫室可實(shí)現(xiàn)一體化自動(dòng)控制，熊征等[23]在光伏溫室中使用荷蘭豪根道生長(zhǎng)管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素、病蟲害等，形成了光伏連棟玻璃溫室的智能化無公害栽培模式（圖4）。

圖4 光伏連棟玻璃溫室

“光伏日光溫室”（圖5）主要有支架式和平鋪式兩種類型。“支架式光伏日光溫室”通常在太陽能溫室以北6 m 處安裝太陽能電池板。這樣可以減少太陽能電池板對(duì)溫室內(nèi)作物的“遮陽”效應(yīng)，并通過增加太陽能溫室的南北面積進(jìn)一步減少有害影響?！捌戒伿焦夥展鉁厥摇笔菍⒐夥b置安裝在太陽能溫室頂部，為滿足溫室植物光合作用的需要，最大限度地?cái)U(kuò)大太陽能電池板的安裝面積。日光溫室是一種北方地區(qū)應(yīng)用十分廣泛的設(shè)施農(nóng)業(yè)形式。

圖5 光伏日光溫室

光伏溫室優(yōu)勢(shì)

土地利用優(yōu)勢(shì)

太陽能發(fā)電會(huì)占用土地空間，在土地資源有限的情況下，太陽能發(fā)電就成了挑戰(zhàn)。光伏溫室不僅可以產(chǎn)生太陽能，而且可以有效地利用土地資源，在建設(shè)光伏溫室時(shí)，用戶不必注意陽面或陰面地區(qū)的利用，當(dāng)光伏溫室置于陰面時(shí)，在光伏溫室的發(fā)電系統(tǒng)中，農(nóng)民可以使用LED 燈進(jìn)行調(diào)節(jié)，白天發(fā)電以確保植物生長(zhǎng)，晚上使用LED 照明系統(tǒng)向作物供電以滿足作物生長(zhǎng)所需的光照，光伏溫室與傳統(tǒng)太陽能發(fā)電站相比，能最大程度的使用電力。

農(nóng)作物生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)

季節(jié)變化對(duì)傳統(tǒng)溫室影響較大，據(jù)試驗(yàn)觀察，一般溫室夏季溫度在50℃以上，嚴(yán)重影響了作物的正常生長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，光伏溫室的溫度白天低于室外溫度，夜間高于室外溫度。夏天太陽能電池板可以阻擋多余的熱量，防止過高的室內(nèi)溫度。冬天光伏板可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使室內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)，起到保溫作用，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。

經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)

光伏產(chǎn)業(yè)在2020 年光伏擴(kuò)產(chǎn)匯總?cè)a(chǎn)業(yè)鏈投資超2155 億，組件超220 GW-光伏板塊（數(shù)據(jù)來源于http://www.baidajob.com），拉動(dòng)所在地區(qū)的GDP 增長(zhǎng)，其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)也可通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)系來帶動(dòng)。同時(shí)可以滿足農(nóng)業(yè)用電需求，產(chǎn)生發(fā)電效益，利用光伏發(fā)電可以滿足農(nóng)業(yè)大棚的電力需求，可以將電并網(wǎng)銷售給電網(wǎng)公司，實(shí)現(xiàn)收益，為投資企業(yè)產(chǎn)生效益?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐漸走向農(nóng)業(yè)科技化和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瑥亩_(dá)到實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)?；?。此外，光伏溫室的發(fā)展能夠帶動(dòng)地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民就業(yè)，各地區(qū)光伏溫室的建設(shè)，為當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)市場(chǎng)提供了機(jī)會(huì)[24]。

光伏溫室發(fā)展困境

缺乏成熟行業(yè)規(guī)范

光伏溫室目前正處于初級(jí)的發(fā)展階段，不僅缺乏明確的國(guó)家、行業(yè)和組織所建立的建造標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，還缺少有力的監(jiān)管，造成了許多不規(guī)范的現(xiàn)象[25]。審批程序困難和財(cái)政困難也是阻礙審批程序進(jìn)一步發(fā)展的重要因素[26]。因此，只有制定清晰、完備的行業(yè)規(guī)范，設(shè)立嚴(yán)格的準(zhǔn)入及技術(shù)規(guī)范，才能真正使光伏溫室實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、規(guī)范化發(fā)展。

前期投入成本高

由于疫情等因素影響，近年來光伏組件的各類材料價(jià)格一直居高不下，甚至光伏組件集采開標(biāo)最高組件報(bào)價(jià)再度攀上2.0 元/W 以上，而終端可接受的組件價(jià)格報(bào)價(jià)為1.6 元/W 左右。由此可見發(fā)展光伏溫室需要投入成本較高[27]。這也證實(shí)了為什么中國(guó)目前有很大一部分光伏溫室項(xiàng)目是由政府出資，由社會(huì)招標(biāo)公司共同建設(shè)的。

應(yīng)用效果不理想

根據(jù)全國(guó)光伏溫室項(xiàng)目建設(shè)的角度來看，部分項(xiàng)目建設(shè)十分成功，能夠給當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[28]。不過從全國(guó)諸多項(xiàng)目來看，存在一些問題，如光伏溫室種植的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與普通蔬菜溫室基本一樣，缺乏后續(xù)運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)，建成光伏溫室效果不顯著等。更為嚴(yán)重的是一些公司大規(guī)模占用農(nóng)業(yè)用地，但不關(guān)心農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，僅在光伏設(shè)施下面象征性的種些作物充充樣子，其目的僅僅是利用農(nóng)業(yè)用地以農(nóng)業(yè)的名義建設(shè)光伏發(fā)電廠，這不僅嚴(yán)重破壞了農(nóng)業(yè)用地，而且影響了農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)[29]。

光伏溫室研究方向

近年來光伏溫室已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力，在各項(xiàng)技術(shù)上也已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但在光伏溫室未來的發(fā)展上，需要在技術(shù)和行業(yè)發(fā)展方面著重關(guān)注以下幾個(gè)研究?jī)?nèi)容。

太陽能光伏技術(shù)與溫室建筑一體化研究

在最大限度保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下，輔之光伏發(fā)電的光伏溫室模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)不同材質(zhì)光伏板、不同覆蓋率光伏板在連棟溫室、日光溫室上的安裝位置，為光伏溫室的合理施工和光伏溫室園區(qū)的規(guī)劃提供參考。

太陽能光伏發(fā)電與溫室建筑內(nèi)植物生長(zhǎng)的耦合效應(yīng)研究

重點(diǎn)研究太陽能光伏板的遮陽率對(duì)溫室內(nèi)主栽品種的定量影響關(guān)系，進(jìn)而確定溫室光伏設(shè)備安裝的最佳位置和提出技術(shù)方案[30]。確定光伏發(fā)電與作物栽培的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

與光伏生產(chǎn)相匹配的溫室建筑儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)研究

重點(diǎn)研究太陽能為溫室建筑節(jié)能設(shè)備的生產(chǎn)提供能源[31]，有效地將能源儲(chǔ)存在建筑溫室內(nèi)，平衡溫室供熱，提高溫室整體性能。

制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)及高校等可以通過相互合作，共建光伏溫室示范園區(qū)，進(jìn)行光伏溫室與普通溫室的環(huán)境參數(shù)、實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)試與對(duì)比分析，聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)探索并制定光伏溫室的設(shè)計(jì)與建造標(biāo)準(zhǔn)。目前，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所正在研究制定《光伏農(nóng)業(yè)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)指南》江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

隨著光伏溫室技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的提升與發(fā)展，以光伏溫室為代表的農(nóng)業(yè)發(fā)展已成為共識(shí)。光伏溫室可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村地區(qū)的減排和固碳以及有機(jī)農(nóng)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，促進(jìn)清潔能源的使用，在鄉(xiāng)村振興、農(nóng)業(yè)發(fā)展上的前景十分廣闊。