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(dòng)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)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(bǔ)等不同形式農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站成為光伏行業(yè)投資、建設(shè)的熱點(diǎn)。

在光伏農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展中，令光伏從業(yè)者、設(shè)計(jì)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(duì)光資源的需求，進(jìn)行分析研究。

一、光伏電站與農(nóng)業(yè)的簡單結(jié)合

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(bǔ)模式。上期文章，在光伏陣列模型中，分析了各個(gè)分區(qū)不同高度的年輻射量，以及各個(gè)分區(qū)的地面月輻射量。本期將給出更多的模擬數(shù)據(jù)，以及分析光伏陣列對(duì)下方空間的遮擋情況。

表5各個(gè)分區(qū)的0.5m高度月輻射量

表6各個(gè)分區(qū)的1m高度月輻射量

表7各個(gè)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(shí)間和空間兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)分區(qū)的1m高度月輻射量”作圖如下：

圖6各個(gè)分區(qū)的1m高度月輻射量

從以上各個(gè)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?yàn)?，光伏陣列之間的任何一處空間區(qū)域，都會(huì)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月份只有早上或者晚上存在光資源損失，同時(shí)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軟件中進(jìn)一步模擬分析，如圖所示，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(shí)的陰影遮擋

（a）春秋分無陰影

（b）夏至日陰影遮擋情況

（c）冬至日陰影遮擋情況

圖8測試模塊在E區(qū)1米高度時(shí)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(shí)間內(nèi)會(huì)有遮擋，遮擋時(shí)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(shí)間內(nèi)，遮擋造成的光照損失很小。而從各個(gè)分區(qū)的不同高度月輻射量與水平面月輻射量對(duì)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?yàn)镻Vsyst內(nèi)部建模，模擬的過程中考慮了IAM（incidenceanglemodifier）factoronglobar球面入射角修正系數(shù)這一項(xiàng)高于4%的損失。

如果不考慮這一項(xiàng)損失，通過模擬我們可以看到，E區(qū)、F區(qū)、G區(qū)，從春分日到秋分日，半年的時(shí)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(shí)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(shí)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，由于光伏電站無遮擋規(guī)定的時(shí)間為當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)冬至日9：00—15：00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(jì)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(jì)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以架設(shè)多高？位置怎么確定？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(jì)算公式得到本項(xiàng)目所在地安徽宿州3月21日真太陽時(shí)9：00的南北向陰影系數(shù)R為0.665（可以計(jì)算，春分時(shí)，物體的南北向陰影系數(shù)幾乎是不變化的），在下列示意圖中，距離與高度差的關(guān)系

即可，滿足這一關(guān)系且植物的枝葉在新的虛連線下方，在春分至秋分時(shí)間段內(nèi)，匍匐支架和農(nóng)作物就不會(huì)遮擋太陽光照射匍匐支架北面的后排光伏組件。同時(shí)，匍匐支架也不能高于光伏組件的上端，否則會(huì)在夏季早晚時(shí)間段遮擋南面的前排光伏組件。

圖9春分至秋分農(nóng)作物與后排光伏組件相對(duì)位置示意圖

有了以上分析，我們可以得到結(jié)論，合理的種植，可以更高效的利用光伏電站中的土地和陣列之間的空間，這可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收益。

由于常規(guī)光伏電站中光資源分布分析是其他各種農(nóng)光互補(bǔ)光伏電站中光資源分析的基礎(chǔ)，因此本文給出了較為詳細(xì)的模擬過程和分析結(jié)果。雖然我們可以得到不同時(shí)間不同區(qū)域的時(shí)間空間光照輻射量，但是由于宏觀上光線只能直線傳播的物理特性，不能具備水、空氣一樣的流動(dòng)性，因此，光伏陣列中任何一處的種植物都會(huì)影響除上方空間以外附近其他空間的光照情況。

光伏陣列間的光照分布，又符合了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的套種技術(shù)，套種的農(nóng)作物中，較高大的喜陽農(nóng)作物影響較低矮喜陰或?qū)赓Y源需求少的農(nóng)作物，比如玉米和芭蕉芋、玉米和大豆、棉花和花生等之間的套種。因此，本文光資源分析的數(shù)據(jù)，對(duì)種植農(nóng)作物的品種選擇、其他植物（如花卉）的品種選擇、光資源量對(duì)農(nóng)光物產(chǎn)量的預(yù)測性等有非常重要的參考價(jià)值；另外，在光伏養(yǎng)殖大棚中，或常規(guī)電站中養(yǎng)殖的家禽或其他經(jīng)濟(jì)性動(dòng)物，由于動(dòng)物具有活動(dòng)性，對(duì)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(dòng)物對(duì)生活、生長環(huán)境需求的光資源是否可以得到滿足。

圖10光伏電站中植物套種設(shè)想

二、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(dú)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。這種大棚模式類似于光伏建筑中的BAPV。

圖11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(gè)支架單元安裝66塊光伏組件，1MW共64個(gè)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)上考慮塑料薄膜衰減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(gè)分區(qū)，經(jīng)過模擬，地面上各個(gè)分區(qū)的月輻射量如下圖所示（由于數(shù)據(jù)較多，不再提供詳細(xì)數(shù)據(jù)表）：

圖12附加式大棚各個(gè)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，我們會(huì)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(shí)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(duì)于水平面輻射量也僅是50-70%左右。這一類型的光伏大棚，因?yàn)楣夥嚵袑?duì)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?cè)诖笈飪?nèi)勞作，但是相對(duì)于組件離地面高0.5—1m的光伏電站，并不利于喜陽農(nóng)作物的生長。因此，光伏組件設(shè)計(jì)高度3米時(shí)，組件支架基礎(chǔ)造價(jià)大幅上升，光伏陣列間的光資源建少，對(duì)喜陽的農(nóng)作物種植，從光資源對(duì)農(nóng)作物影響方面分析考慮，模式2的性能比沒有得到提升而是降低，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(duì)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(duì)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(jì)為3米左右，國外一些農(nóng)光互補(bǔ)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(duì)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(bǔ)電站設(shè)計(jì)除植物需求外，也考慮了滿足機(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，組件安裝在向陽坡面，結(jié)構(gòu)上結(jié)合為一體，可做聯(lián)棟或單棟。這種結(jié)合模式，有類同于光伏建筑中的BIPV。

模式2中，光資源分析得出，對(duì)喜陽農(nóng)作物的生長會(huì)有不利影響。普通多晶硅光伏組件和塑料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%。由于光資源分析模型與以上分析雷同，下文不再提供詳細(xì)分析，將舉一個(gè)案例對(duì)比光資源對(duì)農(nóng)作物的實(shí)際影響。

圖13大棚上光伏組件間隔排列

無錫明申農(nóng)業(yè)科技有限公司建設(shè)了普通組件和雙玻組件不同類型光伏農(nóng)業(yè)大棚，大棚內(nèi)種植西紅柿和黃瓜等農(nóng)作物，對(duì)比研究光資源最瓜果類農(nóng)作物的影響。下圖為同一地點(diǎn)、同一時(shí)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14不同組件下的西紅柿生長情形

通過兩張照片對(duì)比，圖13（a）中，由于普通多晶硅組件遮光，西紅柿對(duì)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(shí)小、少，難以生長；圖13（b）中，雙玻組件下的西紅柿莖桿粗，果實(shí)多、大。同樣對(duì)比的黃瓜，普通多晶硅組件下方的黃瓜果實(shí)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(duì)比。

相對(duì)于大棚下喜陽的植物需要更多光照，人工補(bǔ)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(duì)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(jì)、建造時(shí)，光伏組件對(duì)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(bǔ)光或者遮光措施都會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，特別是采用燈具補(bǔ)光需要投入非常多的電氣設(shè)備。因此，農(nóng)光互補(bǔ)電站的合理化設(shè)計(jì)及建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中植物種植品種選擇、植物對(duì)光照的需求及采取措施，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌考慮，提前規(guī)劃、節(jié)約造價(jià)和生產(chǎn)運(yùn)維費(fèi)用。

小結(jié)

農(nóng)光互補(bǔ)的光伏電站存在多種分類，以結(jié)構(gòu)劃分，以用途劃分，以遮光程度劃分等多種分類。本文論述的農(nóng)光互補(bǔ)模式主要是以光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合形式分類，以便于光資源模擬。通過光資源分析，可以得出光資源在光伏電站中的時(shí)間、空間分布，有利于在不同的時(shí)間段內(nèi)選擇不同的農(nóng)作物品種。為了滿足植物對(duì)光照的需求，和獲得不同的光資源，可以選擇不同的組件排列方式或者選用不同類型的光伏組件、以及在生產(chǎn)運(yùn)維中采取燈具補(bǔ)光、遮陽等措施。