一种采光面覆盖光伏板的光伏日光温室及其性能（上）
周博士考察拾零（八十六）
一种采光面覆盖光伏板的光伏日光温室及其性能
导读
提到光伏温室，曾经也是行业中的热点。由于光伏温室在推广应用过程中的一些政策、技术和经济问题没有得到很好解决，目前社会上对光伏温室的追捧已经大大降温，政府也减少了，有的地方甚至取消了对大规模建设光伏温室的经济补贴和土地配套，使得光伏温室的未来发展更趋于理性化和科学化。
光伏温室可以是连栋温室，也可以是日光温室。利用日光温室的结构安装光伏板，实现光伏发电和温室生产的温室称为光伏日光温室。光伏日光温室按照光伏板布置的位置不同主要分为2种形式：一种是光伏板与日光温室结构完全脱离，光伏板布置在日光温室的后屋面之上（图1a），称为分离式光伏温室；另一种是光伏板与日光温室结构紧密结合，利用日光温室前屋面的骨架直接铺设光伏板（图1b），称为结合型光伏温室。其中后者由于光伏板在温室屋面上的布置形式不同，又有很多不同的组合布置方式。
分离式光伏温室，在保证前后相邻两栋日光温室采光间距的条件下，光伏组件支架与日光温室结构完全独立，光伏发电和温室生产可以同时兼顾，完全能够实现光伏温室农光互补的设计理念，但由于光伏板的架设高度较高，相应地增大了相邻日光温室之间的间距，从土地的有效利用来讲，与传统日光温室相比，这种设计实际上也是降低了农业生产对土地的有效利用率。
结合型光伏温室，采用了光伏板与日光温室前屋面骨架结合的设计，虽然充分利用了温室结构，减少了结构用材，而且由于温室屋面面积大也相应增大了光伏板的面积，总体上增大了光伏发电量，降低了造价，但由于光伏板在发电的同时也阻挡了温室内作物的采光，除了温室中种植不需光或需弱光性作物（如食用菌等）外，光成为了光伏发电和农业生产同时需要的竞争性资源。从光伏发电的角度来讲，希望增大光伏板铺设面积，增加发电量，但从农业生产的角度考虑，由于增大光伏板面积会大量遮挡室内作物的采光，而且造成温室内光照严重不均匀，不仅会影响作物的产量，也会影响作物的品质，为此，希望尽量减少铺设光伏板的面积。由于两者之间的矛盾没有得到很好协调，实际建设过程中，这种温室也是农业生产部门争议最大的一种温室形式。如何协调光伏发电与农业生产之间的矛盾（主要表现为如何布设光伏板和选择什么种植特性的作物品种的工程和农艺的问题），使光伏温室在保证农业生产效益（也就是要满足农用地性质不改变、农业生产效益不降低）的前提下尽可能实现光伏发电的利益最大化，是这种类型光伏温室未来发展中急迫需要破解的问题。
带着对这一问题的思考，受青海大学汤青川教授的邀请，2018年6月30日，笔者来到了位于青海省互助县的青海凯峰农业科技股份有限公司互助塘川蔬菜生产基地。在这里笔者看到了大片光伏组件铺设在日光温室前屋面的结合型光伏日光温室。下面就让我们随着青海凯峰农业科技股份有限公司董事长杨雪峰先生和汤青川教授的指引，来探究一下这个基地中光伏温室的建设和生产情况吧。
基地与温室概况
蔬菜生产基地位于青海省海东市互助县塘川镇，占地面积4760亩（317.33hm2），拟规划建设日光温室1258栋。基地于2012年开始建设并同步开始生产各类果蔬产品。截至目前，已建寿光五代机打土墙结构日光温室788栋。2016年基地作为青海省光伏扶贫示范基地，将140栋寿光五代机打土墙结构温室改造为结合型光伏日光温室，建成装机容量20MW的光伏电站，于2016年6月开始实现并网发电。结合型光伏温室的建设也促进了温室建设的标准化。为了实现光伏组件模数的统一，对温室结构进行了统一的改造，温室的总体尺寸全部统一为跨度10.5m、脊高4.5m、后墙高度3.3m、长度113.54m。据汤青川教授介绍，除了光伏扶贫示范外，该基地还是国家级现代设施数字农业示范基地、区域生态循环农业示范基地、农业农村部蔬菜生产标准园以及青海省重点的永久性“菜蓝子”工程生产基地、青海省果蔬产业园、青海现代农业发展先导区等，是青海省具有示范、引领作用的现代农业生产基地。
光伏组件在温室屋面上的布置
为了最大限度增加光伏组件布置的面积，提高单栋温室的装机容量和发电量，该温室的光伏板不仅铺设在温室前屋面的采光面上，而且还延伸铺设到了温室后屋面（图2b）。为了尽量减少温室内固定阴影对作物生长的影响，设计将光伏组件沿东西方向呈条带式布置，在两个光伏组件条带之间留出一条采光带，采光带采用了高透光率的散射光玻璃，期望能尽可能增加室内的光照强度和光照均匀度。
为了便于光伏组件的铺设，日光温室的采光面采用了平坡屋面。通过计算机模拟分析当地太阳高度角周年变化所带来的温室内阴影的动态变化，在兼顾光伏发电和作物采光的条件下，确定温室的最大屋面坡度为31°。光伏组件采用单晶硅光伏板，单块光伏板的尺寸为1650mm×991mm，单块光伏板的额定发电量分别为275W、290W（不同企业的产品发电量有所差异）。光伏温室沿温室跨度方向的屋面上布置了7排单晶硅光伏板，其中前部3排光伏板与透光玻璃间隔布置，后部4排光伏板连续排列；在两端靠近山墙温室屋面的最外侧2列光伏板除了布置了3块散射光玻璃外其他部位也都布置了光伏板（图2a）。沿温室长度方向每排布置了68块光伏板，每栋温室每个屋面共布置光伏板486块，总装机容量为140.94kW。140栋温室共布置68040块光伏板，合计装机容量达到19.57MW。
温室结构
该光伏日光温室由于前屋面为平坡面，而且覆盖光伏板对结构的变形要求严格，光伏板的自身重量也不轻，室内无柱，所以在结构设计中采用了一种加强型桁架结构（图3）。桁架的上下弦杆均采用方管，腹杆采用钢板，在温室的屋脊下方还增加了一道附加加强拉杆（图3c）。整个桁架焊接后表面热浸镀锌，结构强度大，表面防腐性能好。桁架设计寿命为25年，与光伏板的使用寿命同步。在温室后墙顶面和前墙基础上都设计了钢筋混凝土圈梁，桁架的两端分别坐落在圈梁上，形成与土建工程的牢固连接。从外表看结构比较结实，用材量也较大；从运行2年来的效果看，结构没有出现明显的变形，初步判断结构应该是可靠的。但由于笔者没有看到结构设计计算书，也没有深入调查温室建设地区的设计风雪荷载，对结构的截面尺寸是否得到优化，不敢冒昧地下结论，但直观判断，温室结构应该还有优化的余地。
温室通风系统
日光温室的通风系统一般由前屋面通风口和屋脊通风口组成。该温室为了解决前屋面通风口的问题，没有将温室整个采光面满铺玻璃或光伏板，而是将温室前屋面设计为二折式结构，后部折线段铺设玻璃板和光伏板，用于温室的采光和光伏发电；前部折线段则安装了防虫网和塑料薄膜，用卷膜器卷放塑料薄膜形成温室的前屋面通风口（图4a）。这种设计和传统日光温室的前屋面通风完全相同。
由于温室前屋面后部折线段铺设钢化玻璃和光伏板，传统日光温室在屋脊部位的卷膜或拉膜通风口在这种温室上将难以实现。为此，该温室在通风系统设计中直接摒弃了在温室屋脊处的通风口，而是将传统屋脊通风口移位到了温室后屋面，即在温室后屋面板上间隔开设通风口（图4b）。从自然通风的通风效率来讲，虽然这种通风口没有设置在温室的最高位置，可能不是最佳的通风口设置位置，但后屋面通风口的位置总体来讲基本接近温室屋脊，且完全处于温室作物（包括果菜类吊蔓作物）的冠层之上，此外在温室后屋面开设通风口，还可以直接借用北风的正压（北方地区多以西北风为主导风向），将室外冷风直接吹进温室，可进一步增强温室的通风换气能力，因此，这种通风口的设计位置基本也是合理的。
对于后屋面通风口的控制，该温室设计了一种下悬式外翻窗，即窗扇下部安装合页，上部向外开启。为了实现自动控制通风口窗扇的启闭，采用了齿轮齿条开窗机构控制通风口窗扇，根据通风的不同季节，调节通风口大小（图5a）。采用下悬外翻窗是为了避免冬季冷风直接吹灌到温室内，造成作物局部受冻，而且外翻窗也提高了出风口的高度，有利于增强温室的自然通风能力。由于温室屋面光伏板外伸，也正好形成了对下悬外翻窗出风口的挡雨，避免了在雨雪天气室外雨水进入温室。
到了夏季，当温室需要长时间或永久通风时，只需将后屋面通风口完全打开，即可实现温室的最大自然通风（图5b）。
从现场实际情况看，实现后屋面通风口的完全敞开并不是采用齿轮齿条控制，而是一种对窗扇的失效控制状态。此外，在温室后屋面通风口没有安装防虫网也是这种温室目前存在的问题。后屋面温室通风口设置的间距（影响温室通风的均匀性）以及通风口的面积（影响温室的通风量）是否能够完全满足温室周年的通风需求，也是一个需要进一步考证的问题。虽然，由于温室前屋面大量覆盖光伏板遮挡了大部分的室外光照，但光伏板的背板发热所产生的热量将全部释放到温室内，这部分热量如果不能及时排除，将会造成温室内的高温，再加上室内光照不足，很容易造成室内作物徒长，对果菜类作物还可能直接影响结果，并最终影响作物的产量。因此，针对这种特殊类型的光伏温室，从理论上如何计算光伏板的发热量以及温室夏季的通风量，也需要进行专门的研究和试验分析。
温室保温
高效保温是中国传统日光温室的最大优点。除了墙体和后屋面的保温外，前屋面的保温是日光温室获得高效保温的最重要保证。
该光伏日光温室是在原有寿光五代机打土墙结构日光温室的基础上改造建设，温室的后墙保留了原来的机打土墙结构（为了保护墙体，在墙体外还覆盖了一层防护层，该防护层的外表采用电缆皮，防水又耐老化；内层为无纺布，松软又保温），后屋面采用了保温彩钢板，既防水又保温，应该说温室墙体和后屋面的保温与传统日光温室没有任何差别，具有良好的保温性能。但该温室前屋面没有像传统日光温室一样安装卷帘机和保温被。缺少了对采光面的保温，再好的温室后墙和后屋面保温，实际上也已经失去了对温室整体保温的意义。除了前屋面无保温外，温室的两堵山墙也没有进行有效保温。此外，由于前屋面光伏板从温室屋脊继续后延外挑出温室后屋面，温室结构为支撑外伸的光伏板在屋脊后形成了悬臂梁。悬臂梁在温室屋脊处与后屋面板之间的密封不严（图6a），温室山墙开门的位置没有门斗以及双扇平开门的密封也不严（图6b），这些都是造成该温室冬季保温性能差的重要因素。所以，提高温室的保温性能是当前提高温室整体性能、保障温室冬季运行最急迫需要解决的问题。究竟要如何改进温室的保温性能，请见下期公众号~
（未完待续）
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院）
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