b農(nóng)光互補電站中光資源分布研究二

1、農(nóng)光互補電站中光資源分布研究（二）光伏農(nóng)業(yè)是一種新形式的土地綜合利用方式，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與清潔能源緊密結(jié)合的產(chǎn)物，可以推動綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)科技高效的循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)。近幾年來，光伏農(nóng)業(yè)大棚、光伏養(yǎng)殖、漁光互補等不同形式農(nóng)光互補光伏電站成為光伏行業(yè)投資、建設(shè)的熱點。在光伏農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展中，令光伏從業(yè)者、設(shè)計院等比較困惑的事情是，普通的光伏電站下、農(nóng)業(yè)大棚下種植什么最合適，效益最大？因此，光伏電站如何與農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合，迫切需要解決種植問題，亟待深入研究。而解決此問題，又需要從光伏電站和農(nóng)業(yè)種植或養(yǎng)殖等結(jié)合的特性方面對光資源的需求，進(jìn)行分析研究。在本刊上期雜志總第 87 期文章農(nóng)光互補電站中光資源分布研究

2、（一）中，以光伏電站中、農(nóng)光大棚中光資源的分布為進(jìn)行了探討。由于文章篇幅有限，本期（二）繼續(xù)對此展開和分析。3.1 模式 1 光伏電站與農(nóng)業(yè)的簡單結(jié)合（續(xù)）光伏電站與農(nóng)業(yè)的簡單結(jié)合，是在常規(guī)光伏電站中光伏陣列下種植農(nóng)作物的模式，是最簡單的農(nóng)光互補模式。上期文章，在光伏陣列模型中，分析了各個分區(qū)不同高度的年輻射量，以及各個分區(qū)的地面月輻射量。本期將給出的模擬數(shù)據(jù)，以及分析光伏陣列對下方空間的遮擋情況。表 5 各個分區(qū)的 0.5m 高度月輻射量各個分區(qū)的 0.5m 高度月輻射量（kWH/m2)水平面A 區(qū)B 區(qū)C 區(qū)D 區(qū)E 區(qū)F 區(qū)G 區(qū)一月65.824.327.1714.2923.730.53

3、9.950.6二月81.726.388.6317.1728.539.264.969.5三月101.720.9913.2526.4344.271.287.285.8四月13317.915.7932.2161.1110117.1114.2五月153.818.117.5139.4795.7129.6136.6133.3六月147.519.2318.3341.55101.5122.5129.8126.4七月152.618.9418.241.73104127.7134.9131.6八月133.717.1916.2834.5570.6110.9117.6114.6九月120.520.7512.6825.1

4、843.991.9106.5104.6十月98.126.2211.6323.2238.65780.883十一月68.724.97.5314.9924.93244.154表 6 各個分區(qū)的 1m 高度月輻射量表 7各個分區(qū)的 1.5m/2m 高度月輻射量當(dāng)分析光伏陣列中的光資源時間和空間兩個維度的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)量是較多和復(fù)雜的。為了直觀的展示數(shù)據(jù)的差異，選取“表 6 各個分區(qū)的 1m 高度月輻射量”各個分區(qū)的 1.5m/2m 高度月輻射量（kWH/m2)水平面B 區(qū)C 區(qū)D 區(qū)E 區(qū)F 區(qū)C 區(qū)D 區(qū)一月65.85.3917.8828.347.559.216.8636.6二月81.76.4721.

5、4734.271.975.320.2555三月101.79.9633.0558.191.393.931.2681.8四月13311.8140.2193.7121.1123.939.71115.4五月153.813.1251.85122.314114453.5135.5六月147.513.8757.34117.2134.5137.757.24128.8七月152.613.7456.99122.3139.6142.757.72134八月133.712.1443.35100.3121.7124.543.59116.4九月120.59.4731.3668.8110.1112.430.17101十月98

6、.18.7629.0647.887.290.427.4272.3十一月68.75.6518.7529.652.36217.6839.7十二月63.85.2517.4127.542.356.616.4233.8全年1321115.62418.72850.11160.51222.5411.821050.4各個分區(qū)的 1m 高度月輻射量（kWH/m2)水平面B 區(qū)C 區(qū)D 區(qū)E 區(qū)F 區(qū)G 區(qū)一月65.85.3913.0325.333.551.157.8二月81.76.4715.6630.453.373.173.9三月101.79.9624.1147.98491.791.7四月13311.8129.

7、3873.1115.2121.3121.3五月153.813.1235.05108.3134.7141.2141.1六月147.513.8736.46108.6128134.7134.5七月152.613.7436.7112.7133.1139.7139.5八月133.712.1431.3183.1115.7121.9121.8九月120.59.4722.9950.1104.1110.3110.3十月98.18.7621.1841.37388.188.4十一月68.75.6513.6726.53655.360.7十二月63.85.2512.6924.63246.555.1全年1321115.6

8、2292.25731.81042.61174.81195.9十二月63.823.316.9913.9223.129.735.446.9全年1321258.25153.98324.69659.9952.31094.91114.6作圖如下：圖 6 各個分區(qū)的 1m 高度月輻射量從以上各個數(shù)據(jù)可以看出，光伏陣列的正下方，以及前排光伏組件上端到后排光伏組件下端連線之間的陣列間距區(qū)域，任何一處空間的光資源輻射量均沒有達(dá)到無遮擋水平面的光資源輻射量。這是因為，光伏陣列之間的任何一處空間區(qū)域，都會存在光照損失，這些光照損失，又分為不同的情況：有的區(qū)域如 E 區(qū)、F 區(qū)、G 區(qū) 1 米高度以上區(qū)域，在 5-7

9、 月份只有早上或者晚上存在光資源損失，同時存在散射光損失以及地面反射光損失；有的區(qū)域如 E 區(qū)、F 區(qū)、G 區(qū) 1 米高度以上區(qū)域，在 3-4 月份幾乎沒有被光伏組件遮擋，但是存在散射光損失以及地面反射光損失；有的區(qū)域如 E 區(qū)地面，在冬至日始終被遮擋，但是仍然有光資源，這部分光照主要來自天空散射光和環(huán)境物體的漫反射光。在 PVsyst中進(jìn)一步模擬分析，在 E 區(qū)地面和 1 米高度不同位置的測試組件模擬陰影遮擋情況：(a)春秋分無陰影遮擋(b)夏至日陰影遮擋情況(c)冬至日陰影遮擋情況圖 7 測試模塊在 E 區(qū)地面高度時的陰影遮擋(a)春秋分無陰影(b)夏至日陰影遮擋情況(c)冬至日陰影遮擋情

10、況圖 8 測試模塊在 E 區(qū) 1 米高度時的陰影遮擋經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，前后排光伏陣列之間區(qū)域，在春秋季內(nèi)幾乎是沒有被光伏組件遮擋的，在夏季早晚時間內(nèi)會有遮擋，遮擋時間出現(xiàn)在早上剛?cè)粘龊蠛桶硖柤磳⒙淙氲仄骄€下之前的這兩段時間內(nèi)，遮擋造成的光照損失很小。而從各個分區(qū)的不同高度月輻射量與水平面月輻射量對比，當(dāng) 4 月份8 月份，幾乎沒有遮擋情況出現(xiàn)的月份，也總是存在最低 5%的差距，這是因為 PVsyst建模，模擬的過程中考慮了 IAM（incidence angle modifier）factoronglobar球面入射角修正系數(shù)這一項高于 4%的損失。如果不考慮這一項損失，通過模擬可以看到，E

11、區(qū)、F 區(qū)、G 區(qū)，從春分日到秋分日，半年的時間內(nèi)，前后排光伏陣列之間的區(qū)域光照資源損失是非常少的，在這段時間內(nèi)，光伏電站中的農(nóng)作物可以按照一般場地的光資源情況種植也就是說，在半年的時間內(nèi)，農(nóng)業(yè)種植可以像普通田地一樣高效地利用光伏電站中的土地。上一期文章中談到，由伏電站無遮擋規(guī)定的時間為當(dāng)?shù)卣鏁r冬至日9:0015:00 之間，因此冬季農(nóng)作物的高度要低于前排組件上端到后排組件下端兩者之間的連線。這一連線，也就是農(nóng)業(yè)大棚棚頂?shù)脑O(shè)計依據(jù)。本文中的分析均局限在這一連線下方的空間。但是，在常規(guī)光伏電站中，沒有大棚設(shè)計的狀態(tài)下，這一連線并非是限制高度。假設(shè)，光伏電站中，春夏季種植黃瓜，黃瓜的生長匍匐支架可

12、以架設(shè)多置怎么確定？如果匍匐支架在春分那一天建設(shè)，通過太陽的高度角、方位角計算公式得到本項目所在地宿州 3 月 21時9:00 的南北向陰影系數(shù) R 為 0.665，在下列示意圖中，距離與高度差的關(guān)系濟(jì)性動物，由于動物具有活動性，對光照的空間分布改變小，因此本文的光資源分析，可以匹配動物對生活、生長環(huán)境需求的光資源是否可以得到滿足。圖 9 光伏電站中植物套種設(shè)想3.2 模式 2 光伏和農(nóng)業(yè)大棚附加式結(jié)合模式光伏和農(nóng)業(yè)大棚的附加式結(jié)合模式，在常規(guī)光伏電站中，光伏陣列之間建設(shè)光伏大棚，兩者的獨立的，在空間布局上有相互結(jié)合，互不影響。模式 2 中的結(jié)合方式即是在模式 1 中建設(shè)了薄膜大棚。這種大棚模

13、式類似BAPV。伏建筑中的圖 10 附加式光伏農(nóng)業(yè)大棚該類型光伏大棚選用 260Wp 多晶硅光伏組件，組件尺寸 1650X990X40mm，采用豎向 3 排布置，前后排間距為 10m（也可以根據(jù)需要增加間距），每個支架單元安裝 66 塊光伏組件，1MW 共 64 個支架單元，大棚建在光伏陣列之間，光伏組件的下端距離地面的高度一般為 3 米。1MW 光伏陣列占地約 33 畝。光伏農(nóng)業(yè)大棚下的光資源分析如同模式 1 常規(guī)光伏電站一樣建模，在這一基礎(chǔ)上考慮薄膜衰減 15%左右。將前后排光伏陣列間距同樣按照 1 米的檔距劃分為 10 個分區(qū)，經(jīng)過模擬，地面上各個分區(qū)的月輻射量如下圖所示（由于數(shù)據(jù)較多，

14、不再提供詳細(xì)數(shù)據(jù)表）：圖 11 附加式大棚各個分區(qū)地面月輻射量結(jié)合模式 1 的光資源數(shù)據(jù)分析，會看到，模式 2 光伏組件距離地面 3米高，光伏組件越高，地面的輻射量將越少；在冬季的時間內(nèi)，光伏大棚內(nèi)的地面輻射量基本差別不大，光照比較均勻；在夏季，組件下方的輻射量較少，陣列之間的區(qū)域輻射量相對于水平面輻射量也僅是 50-70%左右。這一類型的光伏大棚，因為光伏陣列對地面光資源影響較大，所以進(jìn)一步較大的影響了大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長。通過這一分析可知，雖然組件抬高了，大棚內(nèi)的空間也進(jìn)一步加高，方便了人們在大棚內(nèi)勞作，但是相對于組件離地面高 0.51m 的光伏電站，并不利于喜陽農(nóng)作物的生長。因此，光伏組件

15、設(shè)計高度 3 米時，組件支架基礎(chǔ)造價大幅上升，光伏陣列間的光資源建少，對喜陽的農(nóng)作物種植，從光資源對農(nóng)作物影響方面分析考慮，模式 2 的性能比沒有得到而是降低，也就不適合種植喜陽的農(nóng)作物（可參考下文案例中西紅柿的對比）。當(dāng)模式 2 大棚內(nèi)光資源減少的情況下，光伏陣列間的大棚種植對光照需求量少的農(nóng)作物、農(nóng)作物育苗、花卉植物等更有利。國內(nèi)光伏陽光房、類似陽光房的光伏農(nóng)業(yè)大棚肩高常設(shè)計為 3 米左右，國外一些農(nóng)光互補電站中光伏組件高度也在 3 米高左右，兩者相比，國內(nèi)光伏農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)常用于育苗、高大花卉苗木等種植以及對光需求少、需要匍匐支架的經(jīng)濟(jì)作物種植，國外農(nóng)光互補電站設(shè)計除植物需求外，也考慮了滿足

16、機(jī)械化操作需要。3.2 模式 3 光伏組件與農(nóng)業(yè)大棚一體模式光伏陣列作為農(nóng)業(yè)大棚、陽光房的一部分，組件安裝在面，結(jié)構(gòu)上結(jié)合為一體，可做聯(lián)棟或。這種結(jié)合模式，有類同伏建筑中的V。模式 2 中，光資源分析得出，對喜陽農(nóng)作物的生長會有不利影響。普通多晶硅光伏組件和薄膜一起封閉的典型光伏農(nóng)業(yè)大棚，在大棚內(nèi)光資源分布上與模式 2 一樣。為了增加光伏陣列透光率，可將普通多晶硅光伏組件改為雙玻光伏組件或薄膜組件，或者光伏組件間隔性排列，雙玻光伏組件或薄膜組件的透光率可以做到 20%。由資源分析模型與以上分析，下文不再提供詳細(xì)分析，將舉一個案例對比光資源對農(nóng)作物的實際影響。圖 12 大棚上光伏組件間隔排列建設(shè)

17、了普通組件和雙玻組件不同類型光伏農(nóng)業(yè)無錫農(nóng)業(yè)科技大棚，大棚內(nèi)種植西紅柿和黃瓜等農(nóng)作物，對比研究光資源最瓜果類農(nóng)作物的影響。下圖為同一地點、同一時間種植、幾乎同樣的農(nóng)業(yè)生長環(huán)境，不同光伏組件下方的西紅柿生長情形。（a）普通多晶硅組件下方的西紅柿（b）雙玻組件下方的西紅柿圖 13 不同組件下的西紅柿生長情形通過兩張對比，圖 13（a）中，由于普通多晶硅組件遮光，西紅柿對光照的需求得不到滿足，西紅柿莖桿較多較細(xì)，花朵較多，但是花朵常不掛果，結(jié)的果實小、少，難以生長；圖 13（b）中，雙玻組件下的西紅柿莖桿粗，果實多、大。同樣對比的黃瓜，普通多晶硅組件下方的黃瓜果實少而細(xì)，雙玻組件下的黃瓜多而粗。由于雙玻組件有 20%的透光率，大棚內(nèi)光照較多，與普通組件下方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量形成明顯對比。相對于大棚下喜陽的植物需要光照，人工補光等措施增加光照，根據(jù)大棚內(nèi)種植的植物不同，又有一些大棚內(nèi)增加遮光簾、黑絲網(wǎng)等措施人工減少光照，以滿足植物對光照的需求。圖 14某大棚組件間增加遮光網(wǎng)從以上分析及案例看出，農(nóng)光簡單結(jié)合的模式、光伏大棚、陽光房等在設(shè)計、建造時，光伏組件對正下方空間和前后排陣列之間的光資源分布影響就確定下來。如果根據(jù)種植需要，補光或者遮光措施都會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，特別是采用燈具補光需要投入非常多的電氣設(shè)備。因此，農(nóng)光互補電站的合理化