肖媛媛（德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)，德國多特蒙德市 44227）

溫室農(nóng)業(yè)在可持續(xù)作物生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，其通過加強(qiáng)對栽培作物生長環(huán)境的控制來提高生產(chǎn)力，并且根據(jù)市場需求和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)來提高生產(chǎn)過程的質(zhì)量和安全。然而，溫室工業(yè)是一個(gè)能源密集型行業(yè)，嚴(yán)重依賴化石燃料，造成了大量的溫室氣體排放。為了解決這個(gè)問題，最可行的解決方案之一就是采用以可再生能源取代傳統(tǒng)能源的節(jié)能策略[1]。在過去幾年的溫室行業(yè)發(fā)展中，太陽能與農(nóng)業(yè)溫室結(jié)合的技術(shù)模式能夠提高溫室性能的可持續(xù)性，并且已經(jīng)顯示出巨大的商業(yè)潛力。

國外光伏溫室研究現(xiàn)狀

在一些歐洲國家，如意大利和法國，現(xiàn)行法規(guī)禁止在農(nóng)業(yè)區(qū)安裝地面光伏系統(tǒng)，原因除了可能產(chǎn)生的環(huán)境問題，比如土壤硬化、景觀和生物多樣性退化等，還包括利益相關(guān)方要求最大限度地提高光伏發(fā)電量，從高額補(bǔ)貼中獲益，而不考慮作物的光照要求。在這種情況下，光伏溫室被認(rèn)為是繞過現(xiàn)行法規(guī)的解決方案，通過在溫室屋頂或墻面安裝光伏系統(tǒng)，使得在同一土地上實(shí)現(xiàn)糧食和能源生產(chǎn)的雙重效益。光伏發(fā)電能夠?yàn)闇厥疫\(yùn)行提供所需能源，并且能夠提高農(nóng)民收入，為農(nóng)村地區(qū)帶來多產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外，光伏溫室在生態(tài)環(huán)境脆弱和偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極高的競爭力。

然而，阻礙光伏溫室大規(guī)模發(fā)展的主要因素在于光伏板形成的遮擋對溫室內(nèi)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量的潛在影響，因此，光伏系統(tǒng)的安裝需要考慮溫室農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的作物培植規(guī)劃和生產(chǎn)管理。光伏溫室可以根據(jù)光伏覆蓋率（PVR）進(jìn)行分類，即光伏板對地面的投影面積與溫室總面積的比率。Cossu 等[2]討論了在南歐四種商業(yè)光伏溫室類型中14 種溫室園藝和花卉作物的產(chǎn)量，光伏覆蓋率范圍為25%～100%。根據(jù)光伏溫室內(nèi)每日光照累積量（DLI）來設(shè)定光照情況和作物的光照需求，并估計(jì)潛在產(chǎn)量，結(jié)果顯示如下。

（1）光伏覆蓋率為25% 的結(jié)構(gòu)與所有試驗(yàn)作物的種植都是兼容的，包括高光照需求的作物（番茄、黃瓜、甜椒），估計(jì)產(chǎn)量減少可以忽略不計(jì)或有限（低于25%）。

（2）每日光照累積量低于17 mol/m2/天的中等光照需求作物（如蘆筍）和低光照需求作物可以在光伏溫室內(nèi)栽培，光伏覆蓋率最高可達(dá)60%。

（3）每日光照累積量低于10 mol/m2/ 天低光照要求的花卉種類，如一品紅、卡蘭喬和龍葵，可以在光伏覆蓋率高達(dá)100%的光伏溫室內(nèi)種植。

這項(xiàng)研究有助于確定適于不同的光伏溫室類型栽培的作物品種，以及在作物移栽期和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)方面的作物管理，旨在提高光伏溫室農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的作物生產(chǎn)力和適應(yīng)性。

荷蘭是世界溫室種植強(qiáng)國之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前荷蘭玻璃溫室建筑面積約1 萬hm2，占世界溫室建筑總面積的1/4。荷蘭溫室設(shè)備全部都是自動(dòng)化裝置，而且應(yīng)用技術(shù)的起步較早，溫室骨架技術(shù)也較成熟。在智能管理上荷蘭溫室已經(jīng)完成全系統(tǒng)配套化，擁有溫室建筑公司、電子設(shè)備和機(jī)械收割公司、種子和化肥公司，形成了一個(gè)機(jī)械化程度非常高的溫室產(chǎn)業(yè)。荷蘭溫室園藝協(xié)會(huì)和農(nóng)業(yè)、自然和食品質(zhì)量部（LNV）正在合作進(jìn)行“溫室作為一種能源”（Kas als Energiebron）的創(chuàng)新方案，以促進(jìn)荷蘭溫室園藝能源轉(zhuǎn)型。該方案主要開發(fā)園藝知識(shí)和栽培技術(shù)，以節(jié)省溫室的能源消耗，并使用更多的可再生能源，如生物能源、太陽能與地?zé)崮茉础?/p>

荷蘭瓦赫寧根大學(xué)溫室園藝部Feije de Zwart 等[3]在2011 發(fā)表的一篇研究報(bào)告中，探討了溫室園藝中太陽能的應(yīng)用。除了固定在溫室屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)，一些公司還提供可以安裝在屋頂?shù)目梢苿?dòng)光伏系統(tǒng)，并且每平方米的光伏板具有更高的發(fā)電量。與固定式相比，跟蹤式光伏系統(tǒng)的發(fā)電量將增加約20%～30%。在荷蘭，所測試的光伏板都不能在蔬菜和切花作物上使用（如黃瓜和玫瑰）并從中獲利。在喜陰作物上，高光伏覆蓋率是不可取的，而半透明光伏（Semitransparent PV）可以有選擇地吸收一部分太陽光，而讓另一部分陽光通過。迄今為止，這些技術(shù)大多只在實(shí)驗(yàn)室中得到了證明，但有時(shí)也被作為商業(yè)產(chǎn)品出售[4]。太陽能熱能作為熱源也在溫室園藝中應(yīng)用，例如太陽能集熱器的應(yīng)用更適于夏季對熱量有需求的集約化農(nóng)業(yè)耕作[5]。

光伏溫室類型

國外學(xué)者對光伏溫室的發(fā)展進(jìn)行了大量的研究，目前主流的光伏溫室分類為兩大類，一是光伏技術(shù)在溫室中的應(yīng)用；二是溫室的半透明光伏技術(shù)。

在第一類中，Gorjian 等[1]將光伏溫室技術(shù)分類分為被動(dòng)式和主動(dòng)式太陽能溫室。被動(dòng)式太陽能溫室（PSG）的設(shè)計(jì)方式是盡可能多地收集太陽能，例如日光溫室。而主動(dòng)式太陽能溫室與太陽能系統(tǒng)集成，如光伏（PV）、光熱（PVT）或太陽能集熱器，以加強(qiáng)對太陽能的捕獲。在這兩種設(shè)計(jì)中，采用熱能儲(chǔ)存（TES）可以提高溫室的整體熱性能。在光熱溫室技術(shù)中，太陽輻射的能量通過集熱器轉(zhuǎn)化為熱能，將積累的熱量儲(chǔ)存起來用于溫室。光伏溫室（PVG）屬于主動(dòng)式太陽能溫室，光伏板常見與溫室屋頂結(jié)合，將光能轉(zhuǎn)化為電能為整個(gè)溫室各種設(shè)施提供電力。Kumar 等[6]將光伏技術(shù)在溫室屋頂上的應(yīng)用分為傳統(tǒng)固定式光伏和動(dòng)態(tài)控制的光伏系統(tǒng)。在意大利撒丁島，一個(gè)光伏溫室以東西向設(shè)置（圖1），配備50% 的屋頂光伏覆蓋，朝南的屋頂完全由多晶硅光伏板覆蓋，額定功率為68 kW。該光伏溫室系統(tǒng)選擇了一種高光照要求的作物（櫻桃番茄）來比較環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量。與沒有光伏板的情況相比，安裝光伏板使溫室內(nèi)每年的日照量減少了64%，而溫度平均比外面高2.8℃。溫室區(qū)域內(nèi)的溫度保持均勻，而太陽輻射的分布呈南北梯度，其特點(diǎn)是側(cè)壁的數(shù)值較高，而向跨度的中心遞減。傳統(tǒng)塑料屋頂下的太陽輻射比光伏屋頂下高305%，這導(dǎo)致植物行之間的總產(chǎn)量變化很大。意大利托斯卡納大學(xué)一項(xiàng)研究介紹了一個(gè)具有可變遮陽的創(chuàng)新光伏溫室原型，以優(yōu)化光伏板的能源生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（圖2）[7]。與靜態(tài)光伏溫室系統(tǒng)不同，動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)光伏板，以實(shí)現(xiàn)溫室作物內(nèi)部的光照管理，以適應(yīng)作物的光照需求。此外，通過改變光伏板葉片的位置，動(dòng)態(tài)遮陽可以在溫暖的天氣為作物提供被動(dòng)冷卻，增加的覆蓋率可以產(chǎn)生更多的電力。當(dāng)植物在寒冷的天氣里需要更多的陽光生長時(shí)，光伏板的覆蓋率就會(huì)接近0[8]。

圖1 意大利撒丁島東西向光伏溫室大棚

圖2 托斯卡納大學(xué)可轉(zhuǎn)動(dòng)光伏溫室試驗(yàn)原型

考慮到在光合作用過程中，植物只需要光合有效輻射（PAR），范圍為400～700 nm。因此，在溫室應(yīng)用中考慮采用半透明的光伏技術(shù)，讓光合有效輻射通過半透明光伏板，并利用其他光譜進(jìn)行發(fā)電。對于溫室應(yīng)用，提出了兩種類型的半透明技術(shù)，分別為有機(jī)光伏（OPV）和染料敏化太陽能電池（DSSC）。

由于有機(jī)光伏（OPV）組件獨(dú)特的透明度、重量輕和靈活的特性，有機(jī)光伏通常用于建筑應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)溫室。與傳統(tǒng)的光伏組件相比，有機(jī)光伏對溫室作物產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)較小。日本的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款雙面半透明光伏組件作為溫室遮陽應(yīng)用的百葉窗葉片。該系統(tǒng)由半透明的雙面光伏組件組成，同時(shí)具有溫室遮陽控制和發(fā)電的功能。安裝在試驗(yàn)溫室中的光伏窗簾根據(jù)外部太陽輻照度自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)太陽輻照度高于預(yù)定的閾值水平時(shí)，光伏組件的方向與屋頂平行，陽光遮蔽度為42%。當(dāng)輻照度較低時(shí)，光伏組件被定向?yàn)榕c屋頂垂直，優(yōu)先將陽光攝入溫室內(nèi)（圖3）。該系統(tǒng)可能適用于高度隔離地區(qū)的溫室，作為一個(gè)能量獨(dú)立的動(dòng)態(tài)遮陽系統(tǒng)，為作物提供更好的光照環(huán)境[9]。西班牙一項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）溫室原型，覆蓋整個(gè)屋頂表面和溫室的主要側(cè)面（圖4）[10]。結(jié)果顯示，半透明光伏玻璃的存在略微降低了植物品質(zhì)，并加速了喜光植物的頂端生長機(jī)制。然而從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，這種影響可以忽略不計(jì)，因此得出結(jié)論，集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）對于園藝生產(chǎn)是可行的[11]。美國亞利桑那州圖森市實(shí)驗(yàn)室一項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了溫室在各種有機(jī)光伏薄膜（OPV）覆蓋率和角度下的電能產(chǎn)量的太陽輻射模型。據(jù)估計(jì)，約49% 的覆蓋率足以滿足模擬的離網(wǎng)溫室的能源需求[12]。在美國西南部干旱地區(qū)的一個(gè)春夏生產(chǎn)季節(jié)，將半透明的有機(jī)光伏陣列作為一個(gè)溫室水培番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的屋頂遮陽（圖5）。這項(xiàng)研究表明，在高光照地區(qū)，使用半透明的有機(jī)光伏作為溫室生產(chǎn)的季節(jié)性遮陽是有效的。希臘塞薩里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了在溫室屋頂使用半透明有機(jī)光伏對溫室內(nèi)可用光合有效輻射的影響。這項(xiàng)工作的結(jié)果可進(jìn)一步用于光伏溫室的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使作物層面的光合有效輻射最大化[13]。

圖3 安裝在溫室玻璃屋頂下的半透明光伏組件面向東方天空

圖4 位于西班牙Duques de Soria 大學(xué)校園的光伏溫室

圖5 有機(jī)光伏（OPV）安裝在溫室屋頂?shù)谋辈?/p>

染料敏化太陽能電池（DSSC）是半透明技術(shù)的最新發(fā)展，其像有機(jī)光伏一樣透明，對陽光的吸收通過染料分子產(chǎn)生電流。此外，DSSC的顏色變化特征表明，這些太陽能電池是光伏溫室和其他能源建筑的理想候選者。然而，在國外染料敏化太陽能電池仍處于研究階段，還沒有完全商業(yè)化的溫室應(yīng)用。

總結(jié)

綜上所述，溫室是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化生產(chǎn)栽培系統(tǒng)，需要足夠的照明、加熱、冷卻和通風(fēng)，光伏溫室與太陽能技術(shù)的整合包括光伏和光熱。溫室的溫度會(huì)影響冠層溫度和蒸騰作用，從而影響植物生長。陽光射入以及室外溫度對溫室內(nèi)的溫度有很大影響，通常需要額外的能源來加熱或冷卻。地中海國家的條件與中歐和北歐國家的條件不同，在這兩個(gè)地區(qū)，冬季需要供暖和人工照明，而夏季則需要冷卻和照明控制。從文獻(xiàn)中可以看出，安裝在溫室屋頂或墻壁上的光伏組件會(huì)造成遮陽，從而對溫室內(nèi)栽培的作物的生長趨勢產(chǎn)生不利影響。這個(gè)問題可以通過使用雙面光伏組件、半透明光伏系統(tǒng)或采用太陽跟蹤器來創(chuàng)造動(dòng)態(tài)陰影來解決。

盡管光伏技術(shù)與農(nóng)業(yè)溫室的結(jié)合優(yōu)勢明顯，但其對環(huán)境產(chǎn)生的影響不可忽視，這直接取決于項(xiàng)目的規(guī)模和實(shí)施光伏溫室的地區(qū)特性。一些歐洲專家學(xué)者強(qiáng)烈建議對光伏溫室進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估（EIAs），以及生命周期評(píng)估（LCAs）。此外，鼓勵(lì)政策和吸引機(jī)制將會(huì)促進(jìn)全球光伏溫室農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。