光伏板在温室大棚上的多样化布置形式
从山东省新泰市农光互补设施农业产业园谈起
新泰市坐落在鲁中腹地，泰山东麓，地处北纬35º37'~36º07'、东经117º16'~118º，是全国60个采煤重点县之一。全市探明煤炭资源可开采储量6.6亿t，建国以来，已累计开采了约4.7亿t，为国家经济建设作出了巨大贡献。但由于长期煤炭开采，引发大面积地表斑裂和塌陷，形成了129km2的采煤沉陷区，并主要集中在翟镇、泉沟镇、西张庄镇、果都镇、楼德镇等地（图1）。尤其以翟镇为重，全镇2/3的耕地出现了大面积沉降，农民房屋受损严重，对生态环境造成了巨大破坏。2011年，新泰市被国务院批准确定为“资源枯竭型城市”。
图 1 新泰市煤炭开采集中塌陷区
被确定为“资源枯竭型城市”后，新泰市把压煤搬迁作为推进新型城镇化的重要举措，以每年搬迁3~5个村的速度推进，对民房斑裂较重的压煤村实施整体搬迁。在此基础上，又着眼于塌陷地治理，围绕泰安市“一圈一带”战略，在柴汶河沿岸的采煤沉陷区规划打造12万亩（8000hm2）的高标准设施蔬菜产业带，以期将采煤沉陷区由“包袱”变为“财富”，主导产业布局由“地下”转到“地上”，发展方式由“黑色”变为“绿色”，实现资源城市的根本转型。
按照规划，蔬菜产业带将借助国家光伏发电“领跑者”计划中的2000MW农光互补项目，投入200亿元，建设3万栋日光温室、2万栋塑料大棚、100栋连栋温室和30个光伏电站，将传统农业种植与光伏发电相结合，设施外安装太阳能电池板发电，设施内种植绿色优质农产品，在不改变土地属性的条件下，将土地、空间和阳光立体高效利用，以期获得农业和发电双收益。
截至2017年9月底，项目一期工程500MW光伏发电板结合5134栋日光温室和6489栋塑料大棚在规划区翟镇、泉沟镇、西张庄镇3个乡镇的49个村中陆续建成并投入生产，实现并网发电。二期工程已经开始研究实施。应该说该基地是国内目前光伏设施规划规模最大的集中生产区。除了规模大、集聚度高之外，光伏板和设施的结合形式与国内其他光伏温室相比也有很多突破。以下就结合国内光伏温室的形式对本园区光伏板与日光温室、塑料大棚和连栋温室的结合形式分别做一介绍。
光伏板与日光温室的结合方式，笔者曾有过多次报道，主要包括光伏板直接铺设在日光温室采光面上的布置形式和光伏板固定布置在日光温室后屋面外两种类型。其中光伏板直接铺设在日光温室采光面上的布置形式又分为分散布置形式和连续布置形式等（图2）；
图2 光伏板在日光温室采光面上的布置形式
光伏板固定布置在日光温室后屋面外的布置形式也分为1块板、2块板和3块板等形式（图3），当然铺设光伏板的数量越多，温室之间的间距也将会越大。
图3 光伏板在日光温室后屋面外的布置形式
前者在冬季室外光照比较弱的季节，光伏板发电必然会与室内作物的生长产生争光的矛盾（如何解决二者的矛盾是种植者重点的研究工作，目前的研究方向主要包括选择适宜的耐阴品种作物，如种植茶树、韭菜、苗木、食用菌等，以及冬季休闲而进行越夏生产的反季节生产模式都取得了不错的效益），但后者在保证温室栋与栋之间足够采光间距的条件下能够从根本上协调解决两者周年生产相互争光的矛盾。因此，该园区内光伏板与日光温室的结合方式统一都采用了后者的布置形式。
为了增加光伏板的布置数量，尽可能争取在有限的土地上获得更多的发电量，该园区内光伏板的布置采用了多种布置形式。一种是增加每组光伏组块上光伏板的数量，将上述最多3块板的组合模式增加到了6块板（图4a、4b），
图4 新泰园区内光伏板在日光温室后屋面外的布置形式
在相同温室间距的条件下，园区光伏板的数量增加了1倍（这样做的后果肯定是牺牲了日光温室冬季的采光）。第二种做法是采用太阳能跟踪装置，即在光伏板支撑架上增设传动装置，使光伏板像向日葵一样永远跟踪太阳运动的方向转动，从而使照射到光伏板上的太阳光永远处在直射光最小反射的入射角范围内，光伏板接受的太阳辐射能最大，从而光伏板获得的光伏发电量也将最大。根据太阳能跟踪装置的动力大小不同，每组光伏板的数量和组合方式也有差异（图4c、4d）。
附加了太阳能跟踪装置后，相同光伏板面积上产生的光伏电量虽有增加，但太阳能跟踪装置运行也消耗一定的能量，而且增加跟踪装置也增加了设备的建设成本。
一定功率的跟踪装置配置多大面积的光伏板才能够达到经济上的可行性，尚需要进行仔细的计算分析和运行实证，不同地区由于太阳能资源不同，这种匹配估计也应该有差别。具体设计应用中是否采用太阳能跟踪系统，以及每套跟踪系统配置多大面积的光伏板应通过技术经济性能比较后确定。除了跟踪系统的动力匹配外，这种系统还应对不同方向的风荷载进行验算，以确保结构运行的安全性。
除了上述光伏板在日光温室上的布置形式外，笔者在走访调研中还看到过其他一些光伏板在日光温室上的布置方式，在此也一并做一介绍。
图5 光伏板在日光温室后屋面上的其他布置方式
一种是在阴阳型日光温室屋面上的布置（图5a）。这种布置形式和上述日光温室后屋面上的固定太阳能光伏板的形式相同。所不同的是在传统日光温室的北侧附加了一个阴棚，光伏板正好位于阴棚的屋面上部。由于阴棚冬季原本就没有阳光直射，所以这种光伏板布置形式也不会影响阴棚的采光（阴棚采光主要为来自北侧的散射光），而且也不会影响后一栋日光温室阳棚的采光。从节约用地和有效利用光能的角度看，这种光伏温室的建设模式还是具有良好的经济和生态效益的。
第二种是在日光温室的后屋面架设透光的玻璃板或PC板，将光伏发电板镶嵌在透光板上，如图5b。这种布置方式，由于镶嵌光伏板的背板是透光板，而且光伏板布置的数量不多、布置也很分散，所以，对相邻后部日光温室的采光影响不大。光伏板还可有效阻挡从温室后部的来风，从而避免了温室保温被和屋面塑料薄膜被风吹起的风险。但布置光伏板数量少、光伏发电量不多，以及光伏板可能会阻挡后屋面的排水等问题可能是这种布置方式的最大缺点。
还有一种是完全发电自用的小面积光伏板布置形式（图5c）。这种形式的光伏板也布置在日光温室的后屋面之上（也有安置在其他位置的），所不同的是光伏板的面积较小，主要用于温室电动卷膜器、卷帘机、灌溉水泵、室内照明等用电设备的供电。
根据用电量的不同，所配套的光伏板的面积也不同。此外，由于光伏发电与用电器的用电在时间和用电功率上不能同步，所以，这种系统一般都应配套蓄电池，将白天光伏板发出的电能储存在蓄电池中，各类用电器根据需要随时从蓄电池中获取电能。
由于蓄电池造价高、使用寿命短，而且从光伏发电到蓄电池储电，再到用电器用电都需要变压或交直流转换，整个系统的能量转化效率很低。在真正的生产温室中应用的经济性并不看好，具体应用中应仔细测算，慎重选择使用，除了在一些电力供应比较困难的偏远地区外，一般生产温室建议不使用这种形式。
新泰园区中大量光伏板与塑料大棚的结合是这个园区的主要特点之一。园区中光伏板与塑料大棚的结合方式大体上可以分为两类：一类是光伏板架设在相邻两栋塑料大棚之间，塑料大棚东西走向布置（图6a）；另一类是光伏板架设在塑料大棚屋面，塑料大棚南北走向布置，其中光伏板在塑料大棚屋面上的布置又分为固定倾斜布置（图6b）和固定水平布置（图6c）两种形式。
图6 新泰园区光伏板与塑料大棚的结合布置方式
从光伏发电与大棚采光的相互协调性来看，将光伏板布置在两栋塑料大棚之间，只要保持两栋塑料大棚之间有足够的采光间距，和光伏板布置在日光温室后屋面一样，大棚农业生产和光伏板发电也应该能达到协调共赢。
但塑料大棚东西走向布置会使大棚内光照分布不均匀，在一定程度上会影响棚内种植作物的产量、品质以及商品性，而且由于每组光伏组件布置光伏板的数量多（图6a为6块，和园区内日光温室上固定布置的光伏板数量相同），光伏组件形成的阴影带面积大，使塑料大棚之间的间距自然拉大，造成农业生产的土地利用率低。因此，总体而言，这种布置方式还是优先考虑了光伏发电，而削弱了塑料大棚的农业生产效益。
将光伏板布置在塑料大棚的屋面上，无论光伏板是固定倾斜布置还是固定水平布置，都将严重影响塑料大棚内生产作物的光照。虽然光伏板没有连续布设（实际上固定倾斜布置时也不能连续布设），在相邻两组光伏组件之间会有太阳光照射进入塑料大棚，但大棚内的光照会严重分布不均，只有弱光作物或者对光照不敏感的作物才有可能获得良好的生产条件。
据介绍，这种塑料大棚主要用于夏季的遮阳栽培，光伏板对塑料大棚既遮阳，又降温，在炎热的夏季能够在大棚内形成相对凉爽的气候条件。或许这是这种光伏大棚最好的利用方式，但大棚种植选择什么样的作物种植，以及种植的经济效益如何都有待实践的考证。
光伏板与塑料大棚的结合，由于塑料大棚在北方地区本来就不越冬生产，所以冬季没有农业生产用光的需求，相比光伏板与日光温室的结合，这种结合模式光伏发电与农业生产争光的矛盾并不十分强烈，但塑料大棚不能进行越冬生产，所以，单位面积土地的周年利用率和农业产出量也会显著减少。从经济高效利用土地的角度看，光伏板与日光温室的结合相比光伏板与塑料大棚的结合其经济和生态效益更高。
图7 塑料中棚结合地面光伏板的布置形式
事实上，在生产中还有一种地面光伏板与中小拱棚结合的模式（图7）。这种方式是在地面光伏板的背部设计适宜高度的中小拱棚，用于夏季作物的保护地生产。中小拱棚的跨度限制在不影响地面光伏板采光的最小距离之内，高度不超过光伏组件的顶高，中小拱棚的存在完全不影响地面光伏板的正常采光间距。
这种布置形式是在充分保障光伏板采光的条件下，为了充分利用土地面积而设计的一种光伏农业结合方式。实际上，中小拱棚内的农业生产完全是从地面光伏发电站的土地上挤出来的农业生产用地，应该说是一种有效提高土地利用率的光伏农业理想结合方式，在地面光伏电站中值得推广应用。
光伏板与连栋温室的结合一直是国内外光伏农业研究的一个热点。连栋温室屋面面积大，能够布置光伏板的数量也多，而且光伏板布置可完全借用温室屋面承力结构，无需专门的光伏支架，节省投资，选择合适的温室种植品种完全能够获得光伏发电和农业生产双赢的效果。
传统的连栋温室光伏农业设施大都采用不等屋面的连栋温室（南侧屋面长，北侧屋面短），温室屋脊东西走向，光伏板布置在温室南侧屋面，可以是连续布置，也可以是棋盘式布置（图8）。最好的不影响或少影响温室内作物生产的光伏板是采用具有一定透光率的非晶硅材料光伏板，尽管这种板的造价较高，而且单位面积的发电量相比硅晶板的光伏板要小。
图8 非对称屋面连栋温室上光伏板的布置
新泰园区内光伏板与连栋温室的结合中，连栋温室采用了标准的文洛型对称小屋面结构，温室屋脊东西走向，屋面上光伏板间隔布置（图9），而且光伏板采用晶硅板。这种设计，温室结构为标准化构件，造价最低，但光伏板不透光，在温室中会形成大量的阴影带。此外，由于光伏板是间隔布置，文洛型温室的屋面小，沿屋面跨度方向每个南向屋面只能布置一块光伏板，所以，整体上看温室屋面上布置的光伏板数量少，而且文洛型温室屋面的坡度较不等坡屋面温室小，相应单位地面积的发电量也将会减少。
图9 新泰园区光伏板在连栋温室屋面上的布置形式
为了能最大限度利用屋面面积布置光伏板，同时又能最大限度减少光伏板对室内作物的遮光，使光伏温室真正能够实现光伏发电与农业生产的双赢效果，国内外最新的研究方向是创新改进光伏板。一种是将晶硅光伏板分隔成小面积分散布置的组件（称为刻痕光伏板），使大量的太阳光能够从硅晶板之间的间隙中透射进温室（图10a）。
图10 连栋温室屋面上的新型光伏板
这种方法可以在温室屋面满铺光伏板，虽然每块光伏板的面积减小了，但由于可铺设的温室屋面面积增加，因此，单位地面积上总的光伏板面积不一定减少，但却使温室内光照强度增加，光照均匀度提高，在充分获得光伏发电的同时使温室内种植作物的光照条件得到大大改善。
另一种改进光伏板的技术路径是采用选择性透光技术，即对太阳能光谱进行选择性透过。对温室内作物光合作用较强的红光透过，对作物光合作用需求不高的绿光等其他波段的光不透过（图10b），这种将太阳光谱分光谱利用的方法很好地解决了温室内作物采光与光伏板发电用光之间的矛盾，应该是光伏温室未来发展的一种新方向。
光伏温室是近年来随着中国绿色能源发展要求不断增大、光伏产能过剩、国家能源补贴政策的实施、金融资本大量介入等多种因素影响而发展起来的一种新型产业模式。从理论上讲，温室外布置光伏板发电，温室内种植农作物，从土地、空间和光能利用上可以获得互补共赢的多重效果，但大量生产实践表明，光伏温室实际上是首先满足了光伏板的发电功能，而削弱甚至完全撂荒了温室内的农业生产。
运行中，往往是电力企业和农业企业分别管理和运行光伏发电和农业生产，光伏板只要安装到位，光伏发电基本是一劳永逸，光伏企业可以坐享其成，而农业生产由于或多或少受到光伏板的遮光在一定程度上影响农业生产的效益，而且农业生产的效益还受到农产品市场波动的影响，所以，事实上也造成了农业生产企业的效益低下，甚至完全亏损。
从另外一个角度讲，光伏发电需要一定的规模，大多在10MW以上，这样势必就需要大面积的土地，常见的规模化光伏基地面积都在成千上万亩。这样大规模的生产基地，从农产品市场化的角度看能够集中生产，规模上市，产品具有较好的市场竞争能力，但具体实践中农业生产确实也存在交通路线长、物流运输量大、生产运营招工困难、管理不方便等诸多问题，大量光伏温室生产基地中农业生产处于无效益、亏损甚至撂荒等现象也就不难理解了。
光伏温室是一种新的设施农业生产方式。虽然从目前大量的光伏生产基地的运营现状看，农业生产的效益大都不甚理想，但在这个领域中也不乏一些执着的农业领域的探索者在研究种植什么样的品种以及什么季节怎样种植能够在光伏温室中使农业生产获得效益。
另外，从光伏板的研究和开发者的角度出发，研究新型的光伏发电板，在保证农业生产采光不受或少受影响的条件下最大限度获得发电，真正实现农业优先，兼顾发电，将光伏农业真正落脚到农业上，也是光伏温室未来发展的一条有效路径。
工程设计者在真正理解光伏发电和农业生产的基础上，合理处理光伏板在温室建筑上的布局，也是保证光伏温室健康良性发展的一条路径。期待在未来的光伏温室发展中，农业生产者、光伏技术的研究者以及工程设计者三者能够共同合作，有机结合，开发出光伏发电和农业生产真正都能共存、共赢的光伏温室技术，使这一行业走出当前“一条瘸腿”的困局，实现光伏发电和农业生产的“比翼双飞”。