國外光伏溫室研究現(xiàn)狀

光伏溫室可以根據(jù)光伏覆蓋率（PVR）進行分類，即光伏板對地面的投影面積與溫室總面積的比率。Cossu等討論了在南歐四種商業(yè)光伏溫室類型中14種溫室園藝和花卉作物的產(chǎn)量，光伏覆蓋率范圍為25%~100%。根據(jù)光伏溫室內(nèi)每日光照累積量（DLI）來設(shè)定光照情況和作物的光照需求，并估計潛在產(chǎn)量。

結(jié)果顯示如下

（1）光伏覆蓋率為25%的結(jié)構(gòu)與所有試驗作物的種植都是兼容的，包括高光照需求的作物（番茄、黃瓜、甜椒），估計產(chǎn)量減少可以忽略不計或有限（低于25%）。

（2）每日光照累積量低于17 mol/m2/天的中等光照需求作物（如蘆筍）和低光照需求作物可以在光伏溫室內(nèi)栽培，光伏覆蓋率最高可達60%。

（3）每日光照累積量低于10 mol/m2/天低光照要求的花卉種類，如一品紅、卡蘭喬和龍葵，可以在光伏覆蓋率高達100%的光伏溫室內(nèi)種植。

這項研究有助于確定適于不同的光伏溫室類型栽培的作物品種，以及在作物移栽期和精準農(nóng)業(yè)技術(shù)方面的作物管理，旨在提高光伏溫室農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的作物生產(chǎn)力和適應(yīng)性。

荷蘭是世界溫室種植強國之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前荷蘭玻璃溫室建筑面積約1萬hm2，占世界溫室建筑總面積的1/4。荷蘭溫室設(shè)備全部都是自動化裝置，而且應(yīng)用技術(shù)的起步較早，溫室骨架技術(shù)也較成熟。在智能管理上荷蘭溫室已經(jīng)完成全系統(tǒng)配套化，擁有溫室建筑公司、電子設(shè)備和機械收割公司、種子和化肥公司，形成了一個機械化程度非常高的溫室產(chǎn)業(yè)。荷蘭溫室園藝協(xié)會和農(nóng)業(yè)、自然和食品質(zhì)量部正在合作進行“溫室作為一種能源”的創(chuàng)新方案，以促進荷蘭溫室園藝能源轉(zhuǎn)型。該方案主要開發(fā)園藝知識和栽培技術(shù)，以節(jié)省溫室的能源消耗，并使用更多的可再生能源，如生物能源、太陽能與地熱能源。

荷蘭瓦赫寧根大學(xué)溫室園藝部Feije de Zwart等在2011發(fā)表的一篇研究報告中，探討了溫室園藝中太陽能的應(yīng)用。除了固定在溫室屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)，一些公司還提供可以安裝在屋頂?shù)目梢苿庸夥到y(tǒng)，并且每平方米的光伏板具有更高的發(fā)電量。與固定式相比，跟蹤式光伏系統(tǒng)的發(fā)電量將增加約20%~30%。

在荷蘭，所測試的光伏板都不能在蔬菜和切花作物上使用（如黃瓜和玫瑰）并從中獲利。在喜陰作物上，高光伏覆蓋率是不可取的，而半透明光伏（Semi-transparent PV）可以有選擇地吸收一部分太陽光，而讓另一部分陽光通過。迄今為止，這些技術(shù)大多只在實驗室中得到了證明，但有時也被作為商業(yè)產(chǎn)品出售。太陽能熱能作為熱源也在溫室園藝中應(yīng)用，例如太陽能集熱器的應(yīng)用更適于夏季對熱量有需求的集約化農(nóng)業(yè)耕作。

光伏溫室類型

國外學(xué)者對光伏溫室的發(fā)展進行了大量的研究，目前主流的光伏溫室分類為兩大類，一是光伏技術(shù)在溫室中的應(yīng)用；二是溫室的半透明光伏技術(shù)。

在第一類中，Gorjian等將光伏溫室技術(shù)分類分為被動式和主動式太陽能溫室。被動式太陽能溫室（PSG）的設(shè)計方式是盡可能多地收集太陽能，例如日光溫室。而主動式太陽能溫室與太陽能系統(tǒng)集成，如光伏（PV）、光熱（PVT）或太陽能集熱器，以加強對太陽能的捕獲。在這兩種設(shè)計中，采用熱能儲存（TES）可以提高溫室的整體熱性能。在光熱溫室技術(shù)中，太陽輻射的能量通過集熱器轉(zhuǎn)化為熱能，將積累的熱量儲存起來用于溫室。光伏溫室（PVG）屬于主動式太陽能溫室，光伏板常見與溫室屋頂結(jié)合，將光能轉(zhuǎn)化為電能為整個溫室各種設(shè)施提供電力。

Kumar等將光伏技術(shù)在溫室屋頂上的應(yīng)用分為傳統(tǒng)固定式光伏和動態(tài)控制的光伏系統(tǒng)。在意大利撒丁島，一個光伏溫室以東西向設(shè)置，配備50%的屋頂光伏覆蓋，朝南的屋頂完全由多晶硅光伏板覆蓋，額定功率為68 kW。該光伏溫室系統(tǒng)選擇了一種高光照要求的作物（櫻桃番茄）來比較環(huán)境數(shù)據(jù)和實現(xiàn)的產(chǎn)量。與沒有光伏板的情況相比，安裝光伏板使溫室內(nèi)每年的日照量減少了64%，而溫度平均比外面高2.8℃。溫室區(qū)域內(nèi)的溫度保持均勻，而太陽輻射的分布呈南北梯度，其特點是側(cè)壁的數(shù)值較高，而向跨度的中心遞減。傳統(tǒng)塑料屋頂下的太陽輻射比光伏屋頂下高305%，這導(dǎo)致植物行之間的總產(chǎn)量變化很大。

意大利撒丁島東西向光伏溫室

意大利托斯卡納大學(xué)一項研究介紹了一個具有可變遮陽的創(chuàng)新光伏溫室原型，以優(yōu)化光伏板的能源生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。與靜態(tài)光伏溫室系統(tǒng)不同，動態(tài)控制系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)光伏板，以實現(xiàn)溫室作物內(nèi)部的光照管理，以適應(yīng)作物的光照需求。此外，通過改變光伏板葉片的位置，動態(tài)遮陽可以在溫暖的天氣為作物提供被動冷卻，增加的覆蓋率可以產(chǎn)生更多的電力。當植物在寒冷的天氣里需要更多的陽光生長時，光伏板的覆蓋率就會接近0。

托斯卡納大學(xué)可轉(zhuǎn)動光伏溫室試驗原型

考慮到在光合作用過程中，植物只需要光合有效輻射（PAR），范圍為400~700 nm。因此，在溫室應(yīng)用中考慮采用半透明的光伏技術(shù)，讓光合有效輻射通過半透明光伏板，并利用其他光譜進行發(fā)電。對于溫室應(yīng)用，提出了兩種類型的半透明技術(shù)，分別為有機光伏（OPV）和染料敏化太陽能電池（DSSC）。

由于有機光伏（OPV）組件獨特的透明度、重量輕和靈活的特性，有機光伏通常用于建筑應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)溫室。與傳統(tǒng)的光伏組件相比，有機光伏對溫室作物產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)較小。日本的研究團隊設(shè)計了一款雙面半透明光伏組件作為溫室遮陽應(yīng)用的百葉窗葉片。該系統(tǒng)由半透明的雙面光伏組件組成，同時具有溫室遮陽控制和發(fā)電的功能。安裝在試驗溫室中的光伏窗簾根據(jù)外部太陽輻照度自動運行。當太陽輻照度高于預(yù)定的閾值水平時，光伏組件的方向與屋頂平行，陽光遮蔽度為42%。當輻照度較低時，光伏組件被定向為與屋頂垂直，優(yōu)先將陽光攝入溫室內(nèi)。該系統(tǒng)可能適用于高度隔離地區(qū)的溫室，作為一個能量獨立的動態(tài)遮陽系統(tǒng)，為作物提供更好的光照環(huán)境。

安裝在溫室玻璃屋頂下的半透明光伏組件面向東方天空

西班牙一項試驗設(shè)計了一款集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）溫室原型，覆蓋整個屋頂表面和溫室的主要側(cè)面。結(jié)果顯示，半透明光伏玻璃的存在略微降低了植物品質(zhì)，并加速了喜光植物的頂端生長機制。然而從統(tǒng)計學(xué)的角度來看，這種影響可以忽略不計，因此得出結(jié)論，集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）對于園藝生產(chǎn)是可行的。

美國亞利桑那州圖森市實驗室一項研究設(shè)計了溫室在各種有機光伏薄膜（OPV）覆蓋率和角度下的電能產(chǎn)量的太陽輻射模型。據(jù)估計，約49%的覆蓋率足以滿足模擬的離網(wǎng)溫室的能源需求。在美國西南部干旱地區(qū)的一個春夏生產(chǎn)季節(jié)，將半透明的有機光伏陣列作為一個溫室水培番茄生產(chǎn)系統(tǒng)的屋頂遮陽。這項研究表明，在高光照地區(qū)，使用半透明的有機光伏作為溫室生產(chǎn)的季節(jié)性遮陽是有效的。希臘塞薩里大學(xué)的研究團隊評估了在溫室屋頂使用半透明有機光伏對溫室內(nèi)可用光合有效輻射的影響。這項工作的結(jié)果可進一步用于光伏溫室的優(yōu)化設(shè)計，以使作物層面的光合有效輻射最大化。

有機光伏（OPV）安裝在溫室屋頂?shù)谋辈?/span>

染料敏化太陽能電池（DSSC）是半透明技術(shù)的最新發(fā)展，其像有機光伏一樣透明，對陽光的吸收通過染料分子產(chǎn)生電流。此外，DSSC的顏色變化特征表明，這些太陽能電池是光伏溫室和其他能源建筑的理想候選者。然而，在國外染料敏化太陽能電池仍處于研究階段，還沒有完全商業(yè)化的溫室應(yīng)用。

總結(jié)

綜上所述，溫室是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化生產(chǎn)栽培系統(tǒng)，需要足夠的照明、加熱、冷卻和通風(fēng)，光伏溫室與太陽能技術(shù)的整合包括光伏和光熱。溫室的溫度會影響冠層溫度和蒸騰作用，從而影響植物生長。陽光射入以及室外溫度對溫室內(nèi)的溫度有很大影響，通常需要額外的能源來加熱或冷卻。地中海國家的條件與中歐和北歐國家的條件不同，在這兩個地區(qū)，冬季需要供暖和人工照明，而夏季則需要冷卻和照明控制。從文獻中可以看出，安裝在溫室屋頂或墻壁上的光伏組件會造成遮陽，從而對溫室內(nèi)栽培的作物的生長趨勢產(chǎn)生不利影響。這個問題可以通過使用雙面光伏組件、半透明光伏系統(tǒng)或采用太陽跟蹤器來創(chuàng)造動態(tài)陰影來解決。

盡管光伏技術(shù)與農(nóng)業(yè)溫室的結(jié)合優(yōu)勢明顯，但其對環(huán)境產(chǎn)生的影響不可忽視，這直接取決于項目的規(guī)模和實施光伏溫室的地區(qū)特性。一些歐洲專家學(xué)者強烈建議對光伏溫室進行環(huán)境影響評估（EIAs），以及生命周期評估（LCAs）。此外，鼓勵政策和吸引機制將會促進全球光伏溫室農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。