魏曉明（北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097）

在當(dāng)前“樹立大食物觀”“向設(shè)施農(nóng)業(yè)要食物”的發(fā)展指引下，中國溫室園藝產(chǎn)業(yè)將迎來一個(gè)新的發(fā)展熱潮。由于需要給作物提供最適宜的生長環(huán)境，溫室園藝一直是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的用能大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，荷蘭溫室加溫所用天然氣占全國總用量的12%[1]，中國連棟玻璃溫室北方越冬加溫所需天然氣約25 m3/m2，南方夏季降溫所需電能約30 (kW·h)/m2。在能源成本不斷攀升、碳減排壓力逐年加大的背景下，溫室園藝產(chǎn)業(yè)亟需走出一條資源節(jié)約和環(huán)境友好并重的低碳節(jié)能發(fā)展道路。由于同樣需要利用太陽能，將光伏發(fā)電與溫室生產(chǎn)有機(jī)的結(jié)合起來，即利用光伏電池組件作為溫室采光面覆蓋材料，部分或全部替代傳統(tǒng)的玻璃、農(nóng)膜、PC板等透光覆蓋材料，所產(chǎn)電能供溫室生產(chǎn)使用或直接并網(wǎng),減少化石能源使用的新型溫室類型—光伏溫室[2]，近十多年來在全球范圍內(nèi)引起了越來越多的重視。在國內(nèi)也由光伏企業(yè)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行了一定規(guī)模的建設(shè)運(yùn)行，既有經(jīng)驗(yàn)也有教訓(xùn)。因此，有必要對當(dāng)前光伏溫室的政策和技術(shù)動(dòng)態(tài)進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)梳理。

產(chǎn)業(yè)政策梳理

2016年以前，在國家“金太陽工程”“光伏扶貧”等政策的支持下，中國光伏溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但同時(shí)“重光伏，輕農(nóng)業(yè)”“重發(fā)電，輕種植”的情況屢有發(fā)生。為規(guī)范光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目用地政策，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植活動(dòng)的正常運(yùn)行，2016年以后，原國土資源部牽頭，連續(xù)出臺(tái)《關(guān)于光伏發(fā)電用地有關(guān)事項(xiàng)的函》（國土資廳函[2016]1638號(hào)）、《關(guān)于支持光伏扶貧和規(guī)范光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)用地的意見》（國土資規(guī)[2017]8號(hào)）等政策，要求“對于使用農(nóng)用地新建光伏發(fā)電項(xiàng)目的，應(yīng)按建設(shè)用地管理”，針對光伏扶貧項(xiàng)目，要求“光伏方陣使用永久基本農(nóng)田以外的農(nóng)用地的，在不破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的前提下，可不改變原用地性質(zhì)”。2022年，海南省平價(jià)菜保供惠民行動(dòng)專班辦公室，發(fā)布《關(guān)于加快光伏蔬菜大棚設(shè)計(jì)方案審查的函》，要求對海南省14個(gè)入庫光伏溫室項(xiàng)目進(jìn)行方案審查，必須確保種菜和發(fā)電同等考慮。上述政策的出臺(tái)，對規(guī)范光伏溫室項(xiàng)目用地、確保滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，發(fā)揮了重要作用。在當(dāng)前強(qiáng)化耕地用途管控的大背景下，如何真正開發(fā)不影響或少影響農(nóng)用種植的光伏溫室技術(shù)，是行業(yè)亟待解決的問題。

技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

當(dāng)前關(guān)于光伏溫室技術(shù)的研究，主要集中在光伏組件對溫室環(huán)境的影響、對作物生產(chǎn)的影響以及對溫室用光伏組件的創(chuàng)新3個(gè)方面。

光伏組件對溫室環(huán)境的影響研究

光伏組件雖然可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的覆蓋材料，實(shí)現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)與光伏發(fā)電的有機(jī)結(jié)合，但是光伏組件的遮蔽會(huì)造成溫室內(nèi)太陽輻射的降低，改變溫室小氣候環(huán)境[3]。劉建等[4]選取了更適合種植的兩種不同透光規(guī)格的“雙玻光伏組件”在海南搭建溫室模型，分別在多云、陣雨、大雨、晴朗4種天氣條件下測得溫室模型內(nèi)的光照強(qiáng)度。其結(jié)果表明光伏組件以9行、4列排布，其透光面積比例達(dá)到47.2%，在海南的光照條件下,溫室內(nèi)的環(huán)境條件能基本滿足作物生長需求。祁娟霞等[5]以寧夏二代日光溫室為對照，系統(tǒng)研究光伏日光溫室、光伏雙膜雙網(wǎng)大棚、光伏陰陽型日光溫室冬季溫室內(nèi)環(huán)境變化，系統(tǒng)比較寧夏不同光伏溫室冬季各月以及典型天氣內(nèi)部環(huán)境差異，明確各光伏溫室內(nèi)環(huán)境的越冬特性。其結(jié)果表明，光伏日光溫室冬季各月最高溫度、光強(qiáng)均顯著高于對照與其他光伏溫室，二代日光溫室最低溫度最高、平均濕度最低。光伏雙膜雙網(wǎng)大棚在典型晴天、陰天、雪天的溫度和光照均最低、濕度最高，光伏日光溫室雪天溫度低于CK，其他典型天氣溫度最高，濕度最低?？梢姽夥M件對溫室內(nèi)環(huán)境有較大的影響。

如何有效的對溫室內(nèi)環(huán)境模擬，能夠降低盲目布置對溫室?guī)淼挠绊?，成珂等[6]基于環(huán)境溫度和太陽輻照度逐時(shí)變化，建立光伏溫室大棚的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）瞬態(tài)模型，研究光伏組件布置方式對棚內(nèi)空氣層、土壤層溫度以及土壤層表面太陽輻照度的影響。其研究結(jié)果表明，光伏組件鋪設(shè)后，會(huì)降低溫室大棚內(nèi)空氣層和土壤層的溫度，鋪設(shè)越多，影響越大。綜合作物對環(huán)境的需求，覆蓋率50%為最優(yōu)選光伏組件布置方式。王彪等[7]對應(yīng)用基于Ecotect的三維光伏溫室模型對光伏溫室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬分析，分別分析10:00、12:00、14:00、16:00等不同時(shí)刻和不同太陽高度角下光伏面板對光伏溫室內(nèi)陰影區(qū)域及太陽輻射分布的影響。結(jié)果表明，在基于杭州夏季太陽輻射較強(qiáng)情況下，10:00、12:00、14:00、16:00光伏溫室內(nèi)的平均太陽輻射分別為300、350、325、200 W/m2，理論上均可以滿足喜光作物的生長需求。

光伏溫室對室內(nèi)作物的影響研究

束勝等[8]研究了覆蓋不同光伏組件密度的溫室對普通白菜生長、光合作用、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，50%光伏板覆蓋密度下，普通白菜生長受到顯著抑制，產(chǎn)量和品質(zhì)明顯下降，而33%光伏板覆蓋密度下，普通白菜生長、產(chǎn)量和品質(zhì)受到的影響較小。吳龍飛等[9]研究了溫室南面屋面安裝光伏組件對溫室微環(huán)境以及草莓葉片凈光合速率的影響。其結(jié)果表明，昆明地區(qū)光伏溫室內(nèi)太陽輻射日均值相比普通溫室降低了47.3%，光合有效輻射降低了68%，但光伏溫室草莓葉片凈光合速率日均值略高于普通溫室，在普通溫室中，草莓葉片光能利用率（LUE）僅為光伏溫室的26.3%，在空氣溫度為27～32℃時(shí)，光伏溫室對促進(jìn)草莓生長更有利。Hassanien等[10]通過在溫室屋頂安裝覆蓋面積為20% 的半透明單晶硅層玻璃光伏板（STPV)來對溫室內(nèi)小氣候條件和覆蓋條件下萵苣的生長情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與僅在晴天使用聚乙烯覆蓋物相比，STPV與聚乙烯覆蓋物的組合將太陽輻射降低了35%～40%，這在萵苣的光合有效輻射范圍內(nèi)。STPV遮擋使空氣溫度降低1～3℃，并且對自然通風(fēng)下的相對濕度沒有影響。同時(shí)STPV覆蓋顯著增加了萵苣的鮮重、葉面積和葉綠素含量。

由于光伏組件的覆蓋，導(dǎo)致溫室內(nèi)太陽輻射均勻度發(fā)生變化，同時(shí)不同類型的作物對太陽輻射的需求不同，因此光線分布對作物有較大的的影響。胡永生等[11]針對多晶硅溫室不同光線分布帶（開間南部為不透光的多晶硅光伏板，北部為PC陽光板）對茄果類作物（番茄、辣椒）生長特性和品質(zhì)特性進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果表明，不同光照分布對番茄，尤其是櫻桃番茄植株生長影響較小，對航椒和黃金塔植株生長影響較大，對番茄和辣椒品質(zhì)均產(chǎn)生顯著影響。

溫室光伏材料的創(chuàng)新

為了最大程度地降低光伏組件對溫室內(nèi)部的太陽輻射的影響，一些學(xué)者在光伏材料透光性能方面開展了研究。其中Cossu M等[12]將一種新型的球形微太陽電池應(yīng)用于26.5℃的溫室屋頂上組成半透明的模型并進(jìn)行了測試，半透明的模型是由4800塊夾在玻璃中間的球形硅微小電池組成的。全部微太陽電池和金屬導(dǎo)體的覆蓋率為9.7%。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的多晶硅模塊相比，微小太陽能電池半透明模塊的產(chǎn)量收益略高。Allardyce等[13]針對傳統(tǒng)的不透明光伏板提出了一種半透明光伏板（染料敏化太陽能電池，DSC）作為替代溫室玻璃，與傳統(tǒng)溫室玻璃和目前市場上的溫室集成不透明光伏材料相比，具有增強(qiáng)熱環(huán)境穩(wěn)定性和提高可食用生物質(zhì)產(chǎn)量的優(yōu)勢，將其應(yīng)用至光伏溫室系統(tǒng)中可提高作物產(chǎn)量。

國內(nèi)魏曉明團(tuán)隊(duì)研發(fā)了具有轉(zhuǎn)光性能的溫室專用光伏組件，將轉(zhuǎn)光材料與光伏組件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過增強(qiáng)透過的光合有效輻射，來彌補(bǔ)由于安裝光伏組件帶來的遮光影響，保障作物生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 不同光伏組件安裝比例的轉(zhuǎn)光型光伏組件

總結(jié)

光伏溫室目的是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與作物生產(chǎn)的并行不悖，在當(dāng)前提高土地單位面積產(chǎn)出率、實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能的大背景下，是溫室新能源利用和節(jié)能設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。為確保產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，必須堅(jiān)持光伏發(fā)電與種植生產(chǎn)并重。一是加強(qiáng)理論分析，探索光伏溫室對作物生產(chǎn)的影響機(jī)理，提出基于作物需求的光伏溫室精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法；二是強(qiáng)化產(chǎn)品開發(fā)，根據(jù)農(nóng)業(yè)溫室特性，開發(fā)適合溫室使用的光伏材料；三是推進(jìn)新技術(shù)的運(yùn)用，加快包括鈣鈦礦等新型高效、半透光太陽能電池組件在溫室中的應(yīng)用。從而真正探索出可盈利、可復(fù)制的光伏溫室技術(shù)模式，助推產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。