光伏农业大棚的基础研究及应用

光伏农业大棚的基础研究及应用1 、项目简介（概述本课题的目的意义、主要研究开发内容和预期目标。 ）1.1 目的意义目前石油价格节节攀升、 能源危机频现， 全球天气变暖、 节能减排也已成为时代的主旋律。 在此背景下， 加快 光伏发电 等新能源产业的进展与使用非常迫切。随着农业科技的不断进步， 温室大棚的使用也越来越普遍， 但大棚的 “ 升温、保温 ” 一向是困扰农户的重点问题。所以把非晶硅薄膜组件与传统农业大棚相联合的形式发明的 “ 光伏农业大棚 ” ，不但处理了这一问题，更为国度提倡的绿能农业、节能减排供给了一种优良的处理计划。1.2 研究内容本项目把光伏发电和农业大棚有机结合起来， 棚顶安装有柔性光伏电池发电单元，几个大棚就相当于一座小型发电站。 “ 光伏农业大棚 ” 能提供农业大棚内照明等所需电力， 多余的电还能并网以供其它需要。 在 “ 光伏农业大棚 ” 离网系统中，可与ＬＥＤ系统相匹配， 白天发电的同时， 保证植物的生长； 夜晚ＬＥＤ系统可利用白天发的电，给植物提供光照，延长日照时间，缩短植物生产周期。1.3 预期目标建设以太阳能电站为基础， 积极响再生能源发展的政策， 达到节能减排、 环保低碳的经济和社会效益。 达到生态、 经济和社会三大效益的有机统一。 发展生态农业， 加大科技支农力度， 调整和优化农村经济结构， 创建农业生产示范基地，坚持走持续发展的道路， 实现农业生产和农民收入持续稳定增长， 使之成为集 太阳能发电 、农业综合开发、生产经营等功能于一体的光伏电站生态农业示范园。2. 项目实施的背景和意义概述项目所面向的该地经济、社会和科技发展等有效需求，项目的先进性、重要性、 必要性、 可行性以及在行业发展中的地位和作用； 预期实现的经济和社会效益。2.1 项目背景国家制定的新能源产业振兴规划正全力推进我国新能源和可再生能源的发展，减少二氧化碳排放，减缓全球气候变化。依据《新能源和可再生能源十二五规划》 、 《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》 、 《全国农业农村经济发展第十二个五年规划》 、 《中华人名共和国能源法》 、 《国务院办公厅转发发展改革市委等部门关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展意见的通知》和农业部发布的《 “ 生态家园富民工程计划 ” 示范建设项目技术指南》 。在推动市场经济条件下，这将进一步加快我国光伏发电产业和应用项目的建设。拓展光伏发电产业到 “ 三农 ” 工作和新农村建设。光伏发电是推动三农工作和新农村建设的重要技术基础。 将光伏发电产业与农业开发及节约资源结合起来，可以实现节约土地、能源、资源，用最少的投入获得最大的效益， 致力于经济与资源、 环境的协调发展。 在大力发展 光伏产业 的同时坚持节约和集约用地的原则、 坚持多元使用的原则。 农业开发坚持使用太阳能等清洁能源原则。将光伏产业链延伸至农业科技发展。2.2 项目意义该项目在可再生能源利用、 推动新能源产业发展、 节能减排保护环境、 提高空气质量、 节省土地资源， 提高土地利用率的同时， 推动农业经济向着现代化农业方向发展。解决大幅增加农民收入，快速提升农业产值，加快新农村建设，促进社会和谐发展。光伏农业大棚 （光伏温室） 是利用光伏发电技术， 光伏组件结构设计实现的温室农作物生产系统， 是根据植物生长技术为农作物， 特别是蔬菜， 在其正常的生长发育过程中，提供必需的光照、温度、水分、空气、养分的环境空间。由于这些作物生长条件并非单独与其发生关系， 而是诸因素相互联系， 相互影响， 其中有任一条件不符合其生长需求， 作物不能正常生长， 甚至死亡。 广东省属于热带和亚热带季风气候， 在早春和冬季气温低， 不利反季节蔬菜等作物生长， 在早春和冬季有不少蔬菜市场供应存在淡季。 在广东省大规模实施光伏大棚项目具有重要意义。项目的经济效益、 社会效益明显， 财务评价指标均高于一般农业项目， 项目是可行的。3. 技术发展趋势及国内外发展现状概述项目相关技术的发展趋势、 国内外研究开发、 产业化状况、 该地相关行业与国内外先进水平的差距、以及知识产权、市场需求情况等。3.1 技术发展趋势虽然基于温室的 太阳能发电 与利用技术的创新、 应用与问题并存， 但在能源趋紧、 温室种植竞争加剧的前提下， 适宜于温室的太阳能发电系统集成研究与设备研究将持续加强。 未来， 将有越来越多的集成系统与设备产品供温室生产者选择， 技术的进步与发展将是必然趋势。 笔者认为将集中于四个方面： 一是适宜于温室的太阳能 光伏 电板或膜的研究与开发， 二是基于温室太阳能系统集成结构与配件的研究与开发， 三是以太阳能系统综合应用为目标的专用控制设备与控制软件的研究与开发， 四是基于太阳能系统的光环境评价理论研究及设计软件的开发。总之， 太阳能发电技术在温室中的应用正日益扩大， 在保证种植生产效果的同时，充分利用到太阳能这一取之不尽的可再生能源，无论是对温室园艺产业，还是对全人类的生存环境，都具有重要的意义，值得大力研究和推广。3.2 国内外发展现状3.2.1 国外荷兰 Wageningen 大学开发了一种采用可以反射近红外辐射 (NIR)并透过光合有效辐射（ PAR）的材料附着于温室玻璃上的 光伏发电 温室，并将采光面设计成圆弧状， 从而使太阳光中的近红外辐射反射汇聚于焦点中， 并在焦点处安装光伏组件用于发电，经过监测，该类型温室年可发电 20kW· h· m-2，并且预计通过进一步的优化设计，可以将发电量提到 31kW· h· m-2，从而可基本满足温室生产用能。日本学者 Yano[24]在管架大棚（ 4m× 8m× 2.4m）山墙附近安装 0.078m2 的太阳能薄膜电池（光伏组件面积仅为温室占地面积的 0.2%） ，所产生的电量用于驱动温室的侧开窗系统， 温室运行效果良好。 在光伏组件空间布置方面， 其研究了在管架大棚（ 16m× 5.4m× 3.3m）上组装相同数量的光伏组件（ 30 块，约占温室顶部面积的 12.9%） ，比较直线布置和上下间隔布置对温室室内阴影及发电量的影响。 结果表明， 两布置方案的发电量差异不大， 但光伏组件上下间隔布置时，室内光照的均匀情况要明显好于直线布置。 意大利企业在 Venlo 型温室的基础上，组合安装太阳能光伏组件，其建设的温室可组装 17000 块光伏组件，发电规模达到 4MWp，目前该温室正试验用于盆花生产。目前， 国外光伏发电温室研究多集中在欧洲和日本， 其中欧洲的研究者主要运用晶硅电池，温室多选择玻璃温室。而日本则主要研究运用非晶硅薄膜电池，以单栋管架塑料大棚为主。虽然国外在光伏发电温室研究方面取得了一定成果，但目前仍然处于研发阶段，光伏发电温室多为试验和示范用，面积普遍较小。3.2.2 国内受国家设施园艺和 “ 金太阳工程 ” 等促进政策及电力企业的农业产业化需求的驱动， 近一两年我国山东寿光、 江苏南京、 江西上饶等地已开展了光伏发电温室的探索性建设运行， 据不完全统计， 目前已有近 30 个光伏发电温室 “ 示范点 ” ，设计方大多为光伏设备厂家。我国光伏发电温室的类型既有单栋温室也有连栋温室， 总体来说以单栋居多，包括传统的日光温室改造以及单栋的不对称屋面温室。 光伏组件大多使用具有一定透光特性的太阳能薄膜电池（非晶硅） ，采用直接嵌入的形式与温室采光屋面相结合。 经调研， 每 667m2 单栋型光伏发电温室可安装光伏组件约 190～ 250 块，发电功率约 15～ 20kWp，理论日可发电 130～ 170kW· h。4. 项目主要研究内容概述项目涉及的技术领域、 工艺范畴， 拟解决的关键技术问题， 拟采用的技术原理、技术方法、技术路线以及工艺流程，项目的主要技术创新点，涉及的相关知识产权等。4.1 技术领域、工艺范畴建设光伏电站生态农业示范园是新能源与农业生产的有机结合， 在追求经济效益、 社会效益与生态效益并举的基础上达到农业经济可持续发展的目的， 走农业产业化道路；向高产、优质、高效的现代农业方向发展，增加农民收入，为市场提供无公害农副产品，是符合当前国家和该地农业产业政策的。太阳能电站，采用 BAPV模式，在温室顶部、大棚顶部、园区配套设施建筑上铺设太阳能电池板， 本光伏电站农业生态园融入低碳环保理念， 结合最新的光伏发电技术，将太阳能光伏电站与生态园完美结合。4.2 拟解决的关键技术问题本项目拟解决的关键技术问题包括以下 3 个方面：（ 1）依据日光温室的日常负载和适宜的采光屋面倾角，设计出适用于日光温室的独立光伏发电系统；（ 2） 通过对一个实际配置光伏发电系统的日光温室进行冬季发电运行试验，获取在整个冬季内光伏日光温室的发电量数据， 对系统的工作性能和发电量进行分析。对比分析光伏日光温室和普通日光温室在冬季连续数日的室内、外的光、热环境变化和发电效果。 将光伏发电系统与传统燃煤发电进行对比， 分析光伏发电系统的生态环境效应；（ 3）通过对一个配置非晶硅电池组件的光伏日光温室开展夏季试验研究，对比分析光伏日光温室和普通日光温室在夏季典型天气条件下室内、 外的光环境变化， 并将两个温室内作物的生长状况进行比较分析， 同时对光伏发电系统的发电量和生态环境效益进行分析和探讨。4.3 拟采用的技术4.3.1 技术原理（ 1） 光合作用光合作用（ Photosynthesis）是植物用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化 为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。太阳光入射到地球表面包括：紫外线、可见光及红外线。紫外线占 7% （改变植物物质结构，具有破坏性）可见光占 71% （提供照明、供植物光合作用）红外线占 22% （产生热能）植物能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。 通过食用可以吸收到植物及细菌所贮存的能量。 对于生物界的几乎所有生物来说， 这个过程是赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。植物利用阳光的能量， 将二氧化碳转换成淀粉， 以供植物及动物作为食物的来源。 叶绿体由于是植物进行光合作用的地方， 因此叶绿体是阳光传递生命的媒介。 对于绿色植物来说， 在阳光充足的白天， 它们将利用阳光的能量来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。 这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下， 把经有气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉， 同时释放氧气。 叶绿体膜上的两套光合作用系统： 光合作用系统1 和光合作用系统 2，在光照的情况下，分别吸收 680nm 和 700nm 波长的光子（以蓝紫光为主，伴有少量红色光），作为能量，将从水分子光解过程中得到电子不断传递， 最后传递给辅酶 NADP+。 而水光解所得的氢离子则因为顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体内向外移动到基质， 势能降低， 其间的势能用于合成 ATP 供暗反应所用。大棚是以玻璃或塑料薄膜等材料作为屋面， 全部以透光材料做为屋面和围墙的房屋，具有充分采光、防寒保温能力。室内可设置一 些加热、 降温、补光、遮光设备， 使其具有较灵活的调节控制室内光照、 空气和土壤的温湿度、 二氧 化碳浓度等蔬菜作物生长所一种需环境条件的能力。光伏农业大棚是使用太阳能电池组件作为大棚屋面的主要材料 （半透明非晶硅薄膜太阳能电池板）。光伏发电系统为实现加热、降温、调光、遮光设备的能源，使其具有较灵活的调节控制温室内光照、空气和土壤的温湿度、二氧 化碳浓度的温室，即使在寒冷的季节， 只依靠太阳光来维持室内一定的温度水平， 以满足蔬菜作物生长的需要。（ 2）光伏农业大棚组成大棚结构主体：采用热浸镀锌钢制骨架。大棚顶部覆盖材料采用为1245x635x6mm 非晶硅薄膜光伏组件，其余采用聚碳酸酯板（ PC 板）。聚碳酸酯中空板是以高性能的工程塑料及聚碳酸酯 （ PC） 树脂加工而成， 具有透明度高、质轻、 抗冲击、 隔音、 隔热、 难燃、 抗老化等特点， 是一种节能环保型塑料板材，是目前国际上普遍采用的塑料建筑材料。建筑规格： 南北 45m ，东西 150m，前屋面高 1.5m，后屋面高 5.0m，跨度： 7.5m， 开间 3.3m， 天沟高： 3.0m， 抗雪载： 35KG/㎡， 抗风载： 60KG/㎡。光伏温室系统可选择配置：开窗系统（以达到通风降温的效果）湿帘 -风机降温系统 （利用水的蒸发降温原理实现降温目的， 特制的湿帘能确保水均匀地淋湿整个降温湿帘墙， 空气穿透湿帘介质时， 与湿润介质表面进行的水气交换空气的显热转化为汽化潜热，实现对空气的加湿与降温）喷雾系统（对于温室不仅起灌溉作用，还可以起到降温，调节湿度，叶面施肥等作用） LED 植物生长灯（ 400 ~ 520nm--蓝色的光线以及 610 ~ 720nm--红色光线，对于光合作用最大。 520 ~ 610nm--绿色的光线，被植物色素吸收的比率很低）选择蓝红 LED 灯，两种波长的光线，覆盖光合作用所需的波长范围。蓝色(470nm)和红色 (627nm)的 LED 灯，可以提供植物所需的光线。非晶硅薄膜太阳能组件发电需要的主要光谱为 600nm。有效阻挡紫外线对植物的生长影响， 发电的同时确保植物光合作用有效进行。 并起到有效的保温作用。薄膜透光光伏组件构成的农业大棚光伏系统，具有保温、长寿、抗老化、抗紫外线、 防尘、暴雨、冰雪等优点，有利于植物形态生成、花果着色及维生素合成， 促进农作物提早收获、提高品质、增加产量，从而增加农业生产效益。