光伏温室产业发展动态及技术进展

魏晓明（北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097）

在当前“树立大食物观”“向设施农业要食物”的发展指引下，中国温室园艺产业将迎来一个新的发展热潮。由于需要给作物提供最适宜的生长环境，温室园艺一直是现代农业中的用能大户。据统计，荷兰温室加温所用天然气占全国总用量的12%[1]，中国连栋玻璃温室北方越冬加温所需天然气约25 m3/m2，南方夏季降温所需电能约30 (kW·h)/m2。在能源成本不断攀升、碳减排压力逐年加大的背景下，温室园艺产业亟需走出一条资源节约和环境友好并重的低碳节能发展道路。由于同样需要利用太阳能，将光伏发电与温室生产有机的结合起来，即利用光伏电池组件作为温室采光面覆盖材料，部分或全部替代传统的玻璃、农膜、PC板等透光覆盖材料，所产电能供温室生产使用或直接并网,减少化石能源使用的新型温室类型—光伏温室[2]，近十多年来在全球范围内引起了越来越多的重视。在国内也由光伏企业驱动，进行了一定规模的建设运行，既有经验也有教训。因此，有必要对当前光伏温室的政策和技术动态进行一个系统梳理。

产业政策梳理

2016年以前，在国家“金太阳工程”“光伏扶贫”等政策的支持下，中国光伏温室产业发展迅速，但同时“重光伏，轻农业”“重发电，轻种植”的情况屡有发生。为规范光伏农业项目用地政策，确保农业生产种植活动的正常运行，2016年以后，原国土资源部牵头，连续出台《关于光伏发电用地有关事项的函》（国土资厅函[2016]1638号）、《关于支持光伏扶贫和规范光伏发电产业用地的意见》（国土资规[2017]8号）等政策，要求“对于使用农用地新建光伏发电项目的，应按建设用地管理”，针对光伏扶贫项目，要求“光伏方阵使用永久基本农田以外的农用地的，在不破坏农业生产条件的前提下，可不改变原用地性质”。2022年，海南省平价菜保供惠民行动专班办公室，发布《关于加快光伏蔬菜大棚设计方案审查的函》，要求对海南省14个入库光伏温室项目进行方案审查，必须确保种菜和发电同等考虑。上述政策的出台，对规范光伏温室项目用地、确保满足农业生产需求，发挥了重要作用。在当前强化耕地用途管控的大背景下，如何真正开发不影响或少影响农用种植的光伏温室技术，是行业亟待解决的问题。

技术研究动态

当前关于光伏温室技术的研究，主要集中在光伏组件对温室环境的影响、对作物生产的影响以及对温室用光伏组件的创新3个方面。

光伏组件对温室环境的影响研究

光伏组件虽然可以代替传统的覆盖材料，实现温室作物生产与光伏发电的有机结合，但是光伏组件的遮蔽会造成温室内太阳辐射的降低，改变温室小气候环境[3]。刘建等[4]选取了更适合种植的两种不同透光规格的“双玻光伏组件”在海南搭建温室模型，分别在多云、阵雨、大雨、晴朗4种天气条件下测得温室模型内的光照强度。其结果表明光伏组件以9行、4列排布，其透光面积比例达到47.2%，在海南的光照条件下,温室内的环境条件能基本满足作物生长需求。祁娟霞等[5]以宁夏二代日光温室为对照，系统研究光伏日光温室、光伏双膜双网大棚、光伏阴阳型日光温室冬季温室内环境变化，系统比较宁夏不同光伏温室冬季各月以及典型天气内部环境差异，明确各光伏温室内环境的越冬特性。其结果表明，光伏日光温室冬季各月最高温度、光强均显著高于对照与其他光伏温室，二代日光温室最低温度最高、平均湿度最低。光伏双膜双网大棚在典型晴天、阴天、雪天的温度和光照均最低、湿度最高，光伏日光温室雪天温度低于CK，其他典型天气温度最高，湿度最低。可见光伏组件对温室内环境有较大的影响。

如何有效的对温室内环境模拟，能够降低盲目布置对温室带来的影响，成珂等[6]基于环境温度和太阳辐照度逐时变化，建立光伏温室大棚的计算流体动力学（CFD）瞬态模型，研究光伏组件布置方式对棚内空气层、土壤层温度以及土壤层表面太阳辐照度的影响。其研究结果表明，光伏组件铺设后，会降低温室大棚内空气层和土壤层的温度，铺设越多，影响越大。综合作物对环境的需求，覆盖率50%为最优选光伏组件布置方式。王彪等[7]对应用基于Ecotect的三维光伏温室模型对光伏温室内光环境进行模拟分析，分别分析10:00、12:00、14:00、16:00等不同时刻和不同太阳高度角下光伏面板对光伏温室内阴影区域及太阳辐射分布的影响。结果表明，在基于杭州夏季太阳辐射较强情况下，10:00、12:00、14:00、16:00光伏温室内的平均太阳辐射分别为300、350、325、200 W/m2，理论上均可以满足喜光作物的生长需求。

光伏温室对室内作物的影响研究

束胜等[8]研究了覆盖不同光伏组件密度的温室对普通白菜生长、光合作用、产量及品质的影响。结果表明，50%光伏板覆盖密度下，普通白菜生长受到显著抑制，产量和品质明显下降，而33%光伏板覆盖密度下，普通白菜生长、产量和品质受到的影响较小。吴龙飞等[9]研究了温室南面屋面安装光伏组件对温室微环境以及草莓叶片净光合速率的影响。其结果表明，昆明地区光伏温室内太阳辐射日均值相比普通温室降低了47.3%，光合有效辐射降低了68%，但光伏温室草莓叶片净光合速率日均值略高于普通温室，在普通温室中，草莓叶片光能利用率（LUE）仅为光伏温室的26.3%，在空气温度为27～32℃时，光伏温室对促进草莓生长更有利。Hassanien等[10]通过在温室屋顶安装覆盖面积为20% 的半透明单晶硅层玻璃光伏板（STPV)来对温室内小气候条件和覆盖条件下莴苣的生长情况进行了研究。结果表明，与仅在晴天使用聚乙烯覆盖物相比，STPV与聚乙烯覆盖物的组合将太阳辐射降低了35%～40%，这在莴苣的光合有效辐射范围内。STPV遮挡使空气温度降低1～3℃，并且对自然通风下的相对湿度没有影响。同时STPV覆盖显著增加了莴苣的鲜重、叶面积和叶绿素含量。

由于光伏组件的覆盖，导致温室内太阳辐射均匀度发生变化，同时不同类型的作物对太阳辐射的需求不同，因此光线分布对作物有较大的的影响。胡永生等[11]针对多晶硅温室不同光线分布带（开间南部为不透光的多晶硅光伏板，北部为PC阳光板）对茄果类作物（番茄、辣椒）生长特性和品质特性进行了研究，其研究结果表明，不同光照分布对番茄，尤其是樱桃番茄植株生长影响较小，对航椒和黄金塔植株生长影响较大，对番茄和辣椒品质均产生显著影响。

温室光伏材料的创新

为了最大程度地降低光伏组件对温室内部的太阳辐射的影响，一些学者在光伏材料透光性能方面开展了研究。其中Cossu M等[12]将一种新型的球形微太阳电池应用于26.5℃的温室屋顶上组成半透明的模型并进行了测试，半透明的模型是由4800块夹在玻璃中间的球形硅微小电池组成的。全部微太阳电池和金属导体的覆盖率为9.7%。结果表明，与传统的多晶硅模块相比，微小太阳能电池半透明模块的产量收益略高。Allardyce等[13]针对传统的不透明光伏板提出了一种半透明光伏板（染料敏化太阳能电池，DSC）作为替代温室玻璃，与传统温室玻璃和目前市场上的温室集成不透明光伏材料相比，具有增强热环境稳定性和提高可食用生物质产量的优势，将其应用至光伏温室系统中可提高作物产量。

国内魏晓明团队研发了具有转光性能的温室专用光伏组件，将转光材料与光伏组件有机结合，实现通过增强透过的光合有效辐射，来弥补由于安装光伏组件带来的遮光影响，保障作物生产，如图1所示。

图1 不同光伏组件安装比例的转光型光伏组件

总结

光伏温室目的是实现光伏发电与作物生产的并行不悖，在当前提高土地单位面积产出率、实现低碳节能的大背景下，是温室新能源利用和节能设计的热点。为确保产业的健康发展，必须坚持光伏发电与种植生产并重。一是加强理论分析，探索光伏温室对作物生产的影响机理，提出基于作物需求的光伏温室精准化设计方法；二是强化产品开发，根据农业温室特性，开发适合温室使用的光伏材料；三是推进新技术的运用，加快包括钙钛矿等新型高效、半透光太阳能电池组件在温室中的应用。从而真正探索出可盈利、可复制的光伏温室技术模式，助推产业持续发展。