国内外温室现状及发展趋势「中外太阳能光伏发展的现状与趋势」

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在过去几年的温室行业发展中，太阳能与农业温室结合的技术模式能够提高温室性能的可持续性，并且已经显示出巨大的商业潜力。

国外光伏温室研究现状

光伏温室可以根据光伏覆盖率（PVR）进行分类，即光伏板对地面的投影面积与温室总面积的比率。Cossu等讨论了在南欧四种商业光伏温室类型中14种温室园艺和花卉作物的产量，光伏覆盖率范围为25%~100%。根据光伏温室内每日光照累积量（DLI）来设定光照情况和作物的光照需求，并估计潜在产量。

结果显示如下

（1）光伏覆盖率为25%的结构与所有试验作物的种植都是兼容的，包括高光照需求的作物（番茄、黄瓜、甜椒），估计产量减少可以忽略不计或有限（低于25%）。

（2）每日光照累积量低于17 mol/m2/天的中等光照需求作物（如芦笋）和低光照需求作物可以在光伏温室内栽培，光伏覆盖率最高可达60%。

（3）每日光照累积量低于10 mol/m2/天低光照要求的花卉种类，如一品红、卡兰乔和龙葵，可以在光伏覆盖率高达100%的光伏温室内种植。

这项研究有助于确定适于不同的光伏温室类型栽培的作物品种，以及在作物移栽期和精准农业技术方面的作物管理，旨在提高光伏温室农业系统内的作物生产力和适应性。

荷兰是世界温室种植强国之一，据不完全统计，目前荷兰玻璃温室建筑面积约1万hm2，占世界温室建筑总面积的1/4。荷兰温室设备全部都是自动化装置，而且应用技术的起步较早，温室骨架技术也较成熟。在智能管理上荷兰温室已经完成全系统配套化，拥有温室建筑公司、电子设备和机械收割公司、种子和化肥公司，形成了一个机械化程度非常高的温室产业。荷兰温室园艺协会和农业、自然和食品质量部正在合作进行“温室作为一种能源”的创新方案，以促进荷兰温室园艺能源转型。该方案主要开发园艺知识和栽培技术，以节省温室的能源消耗，并使用更多的可再生能源，如生物能源、太阳能与地热能源。

荷兰瓦赫宁根大学温室园艺部Feije de Zwart等在2011发表的一篇研究报告中，探讨了温室园艺中太阳能的应用。除了固定在温室屋顶的光伏系统，一些公司还提供可以安装在屋顶的可移动光伏系统，并且每平方米的光伏板具有更高的发电量。与固定式相比，跟踪式光伏系统的发电量将增加约20%~30%。

在荷兰，所测试的光伏板都不能在蔬菜和切花作物上使用（如黄瓜和玫瑰）并从中获利。在喜阴作物上，高光伏覆盖率是不可取的，而半透明光伏（Semi-transparent PV）可以有选择地吸收一部分太阳光，而让另一部分阳光通过。迄今为止，这些技术大多只在实验室中得到了证明，但有时也被作为商业产品出售。太阳能热能作为热源也在温室园艺中应用，例如太阳能集热器的应用更适于夏季对热量有需求的集约化农业耕作。

光伏温室类型

国外学者对光伏温室的发展进行了大量的研究，目前主流的光伏温室分类为两大类，一是光伏技术在温室中的应用；二是温室的半透明光伏技术。

在第一类中，Gorjian等将光伏温室技术分类分为被动式和主动式太阳能温室。被动式太阳能温室（PSG）的设计方式是尽可能多地收集太阳能，例如日光温室。而主动式太阳能温室与太阳能系统集成，如光伏（PV）、光热（PVT）或太阳能集热器，以加强对太阳能的捕获。在这两种设计中，采用热能储存（TES）可以提高温室的整体热性能。在光热温室技术中，太阳辐射的能量通过集热器转化为热能，将积累的热量储存起来用于温室。光伏温室（PVG）属于主动式太阳能温室，光伏板常见与温室屋顶结合，将光能转化为电能为整个温室各种设施提供电力。

Kumar等将光伏技术在温室屋顶上的应用分为传统固定式光伏和动态控制的光伏系统。在意大利撒丁岛，一个光伏温室以东西向设置，配备50%的屋顶光伏覆盖，朝南的屋顶完全由多晶硅光伏板覆盖，额定功率为68 kW。该光伏温室系统选择了一种高光照要求的作物（樱桃番茄）来比较环境数据和实现的产量。与没有光伏板的情况相比，安装光伏板使温室内每年的日照量减少了64%，而温度平均比外面高2.8℃。温室区域内的温度保持均匀，而太阳辐射的分布呈南北梯度，其特点是侧壁的数值较高，而向跨度的中心递减。传统塑料屋顶下的太阳辐射比光伏屋顶下高305%，这导致植物行之间的总产量变化很大。

意大利撒丁岛东西向光伏温室

意大利托斯卡纳大学一项研究介绍了一个具有可变遮阳的创新光伏温室原型，以优化光伏板的能源生产效率和农业生产。与静态光伏温室系统不同，动态控制系统用于旋转光伏板，以实现温室作物内部的光照管理，以适应作物的光照需求。此外，通过改变光伏板叶片的位置，动态遮阳可以在温暖的天气为作物提供被动冷却，增加的覆盖率可以产生更多的电力。当植物在寒冷的天气里需要更多的阳光生长时，光伏板的覆盖率就会接近0。

托斯卡纳大学可转动光伏温室试验原型

考虑到在光合作用过程中，植物只需要光合有效辐射（PAR），范围为400~700 nm。因此，在温室应用中考虑采用半透明的光伏技术，让光合有效辐射通过半透明光伏板，并利用其他光谱进行发电。对于温室应用，提出了两种类型的半透明技术，分别为有机光伏（OPV）和染料敏化太阳能电池（DSSC）。

由于有机光伏（OPV）组件独特的透明度、重量轻和灵活的特性，有机光伏通常用于建筑应用，如农业温室。与传统的光伏组件相比，有机光伏对温室作物产生的遮蔽效应较小。日本的研究团队设计了一款双面半透明光伏组件作为温室遮阳应用的百叶窗叶片。该系统由半透明的双面光伏组件组成，同时具有温室遮阳控制和发电的功能。安装在试验温室中的光伏窗帘根据外部太阳辐照度自动运行。当太阳辐照度高于预定的阈值水平时，光伏组件的方向与屋顶平行，阳光遮蔽度为42%。当辐照度较低时，光伏组件被定向为与屋顶垂直，优先将阳光摄入温室内。该系统可能适用于高度隔离地区的温室，作为一个能量独立的动态遮阳系统，为作物提供更好的光照环境。

安装在温室玻璃屋顶下的半透明光伏组件面向东方天空

西班牙一项试验设计了一款集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）温室原型，覆盖整个屋顶表面和温室的主要侧面。结果显示，半透明光伏玻璃的存在略微降低了植物品质，并加速了喜光植物的顶端生长机制。然而从统计学的角度来看，这种影响可以忽略不计，因此得出结论，集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）对于园艺生产是可行的。

位于西班牙 Duques de Soria 大学校园的光伏温室

美国亚利桑那州图森市实验室一项研究设计了温室在各种有机光伏薄膜（OPV）覆盖率和角度下的电能产量的太阳辐射模型。据估计，约49%的覆盖率足以满足模拟的离网温室的能源需求。在美国西南部干旱地区的一个春夏生产季节，将半透明的有机光伏阵列作为一个温室水培番茄生产系统的屋顶遮阳。这项研究表明，在高光照地区，使用半透明的有机光伏作为温室生产的季节性遮阳是有效的。希腊塞萨里大学的研究团队评估了在温室屋顶使用半透明有机光伏对温室内可用光合有效辐射的影响。这项工作的结果可进一步用于光伏温室的优化设计，以使作物层面的光合有效辐射最大化。

有机光伏（OPV）安装在温室屋顶的北部

染料敏化太阳能电池（DSSC）是半透明技术的最新发展，其像有机光伏一样透明，对阳光的吸收通过染料分子产生电流。此外，DSSC的颜色变化特征表明，这些太阳能电池是光伏温室和其他能源建筑的理想候选者。然而，在国外染料敏化太阳能电池仍处于研究阶段，还没有完全商业化的温室应用。

总结

综上所述，温室是用于农业生产的集约化生产栽培系统，需要足够的照明、加热、冷却和通风，光伏温室与太阳能技术的整合包括光伏和光热。温室的温度会影响冠层温度和蒸腾作用，从而影响植物生长。阳光射入以及室外温度对温室内的温度有很大影响，通常需要额外的能源来加热或冷却。地中海国家的条件与中欧和北欧国家的条件不同，在这两个地区，冬季需要供暖和人工照明，而夏季则需要冷却和照明控制。从文献中可以看出，安装在温室屋顶或墙壁上的光伏组件会造成遮阳，从而对温室内栽培的作物的生长趋势产生不利影响。这个问题可以通过使用双面光伏组件、半透明光伏系统或采用太阳跟踪器来创造动态阴影来解决。

尽管光伏技术与农业温室的结合优势明显，但其对环境产生的影响不可忽视，这直接取决于项目的规模和实施光伏温室的地区特性。一些欧洲专家学者强烈建议对光伏温室进行环境影响评估（EIAs），以及生命周期评估（LCAs）。此外，鼓励政策和吸引机制将会促进全球光伏温室农业的可持续发展。

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