肖媛媛（德國多特蒙德工業(yè)大學，德國多特蒙德市 44227）

溫室農業(yè)在可持續(xù)作物生產中發(fā)揮著重要作用，其通過加強對栽培作物生長環(huán)境的控制來提高生產力，并且根據市場需求和現有標準來提高生產過程的質量和安全。然而，溫室工業(yè)是一個能源密集型行業(yè)，嚴重依賴化石燃料，造成了大量的溫室氣體排放。為了解決這個問題，最可行的解決方案之一就是采用以可再生能源取代傳統(tǒng)能源的節(jié)能策略[1]。在過去幾年的溫室行業(yè)發(fā)展中，太陽能與農業(yè)溫室結合的技術模式能夠提高溫室性能的可持續(xù)性，并且已經顯示出巨大的商業(yè)潛力。

國外光伏溫室研究現狀

在一些歐洲國家，如意大利和法國，現行法規(guī)禁止在農業(yè)區(qū)安裝地面光伏系統(tǒng)，原因除了可能產生的環(huán)境問題，比如土壤硬化、景觀和生物多樣性退化等，還包括利益相關方要求最大限度地提高光伏發(fā)電量，從高額補貼中獲益，而不考慮作物的光照要求。在這種情況下，光伏溫室被認為是繞過現行法規(guī)的解決方案，通過在溫室屋頂或墻面安裝光伏系統(tǒng)，使得在同一土地上實現糧食和能源生產的雙重效益。光伏發(fā)電能夠為溫室運行提供所需能源，并且能夠提高農民收入，為農村地區(qū)帶來多產業(yè)發(fā)展。此外，光伏溫室在生態(tài)環(huán)境脆弱和偏遠地區(qū)進行農業(yè)生產具有極高的競爭力。

然而，阻礙光伏溫室大規(guī)模發(fā)展的主要因素在于光伏板形成的遮擋對溫室內作物的品質和產量的潛在影響，因此，光伏系統(tǒng)的安裝需要考慮溫室農業(yè)系統(tǒng)的作物培植規(guī)劃和生產管理。光伏溫室可以根據光伏覆蓋率（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[2]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量，光伏覆蓋率范圍為25%～100%。根據光伏溫室內每日光照累積量（DLI）來設定光照情況和作物的光照需求，并估計潛在產量，結果顯示如下。

（1）光伏覆蓋率為25% 的結構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業(yè)技術方面的作物管理，旨在提高光伏溫室農業(yè)系統(tǒng)內的作物生產力和適應性。

荷蘭是世界溫室種植強國之一，據不完全統(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。荷蘭溫室設備全部都是自動化裝置，而且應用技術的起步較早，溫室骨架技術也較成熟。在智能管理上荷蘭溫室已經完成全系統(tǒng)配套化，擁有溫室建筑公司、電子設備和機械收割公司、種子和化肥公司，形成了一個機械化程度非常高的溫室產業(yè)。荷蘭溫室園藝協(xié)會和農業(yè)、自然和食品質量部（LNV）正在合作進行“溫室作為一種能源”（Kas als Energiebron）的創(chuàng)新方案，以促進荷蘭溫室園藝能源轉型。該方案主要開發(fā)園藝知識和栽培技術，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。

荷蘭瓦赫寧根大學溫室園藝部Feije de Zwart 等[3]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用。除了固定在溫室屋頂的光伏系統(tǒng)，一些公司還提供可以安裝在屋頂的可移動光伏系統(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（Semitransparent 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，這些技術大多只在實驗室中得到了證明，但有時也被作為商業(yè)產品出售[4]。太陽能熱能作為熱源也在溫室園藝中應用，例如太陽能集熱器的應用更適于夏季對熱量有需求的集約化農業(yè)耕作[5]。

光伏溫室類型

國外學者對光伏溫室的發(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，一是光伏技術在溫室中的應用；二是溫室的半透明光伏技術。

在第一類中，Gorjian 等[1]將光伏溫室技術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。在光熱溫室技術中，太陽輻射的能量通過集熱器轉化為熱能，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合，將光能轉化為電能為整個溫室各種設施提供電力。Kumar 等[6]將光伏技術在溫室屋頂上的應用分為傳統(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置（圖1），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)境數據和實現的產量。與沒有光伏板的情況相比，安裝光伏板使溫室內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，其特點是側壁的數值較高，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%，這導致植物行之間的總產量變化很大。意大利托斯卡納大學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效率和農業(yè)生產（圖2）[7]。與靜態(tài)光伏溫室系統(tǒng)不同，動態(tài)控制系統(tǒng)用于旋轉光伏板，以實現溫室作物內部的光照管理，以適應作物的光照需求。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[8]。

圖1 意大利撒丁島東西向光伏溫室大棚

圖2 托斯卡納大學可轉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，在溫室應用中考慮采用半透明的光伏技術，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。對于溫室應用，提出了兩種類型的半透明技術，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用，如農業(yè)溫室。與傳統(tǒng)的光伏組件相比，有機光伏對溫室作物產生的遮蔽效應較小。日本的研究團隊設計了一款雙面半透明光伏組件作為溫室遮陽應用的百葉窗葉片。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外部太陽輻照度自動運行。當太陽輻照度高于預定的閾值水平時，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（圖3）。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[9]。西班牙一項試驗設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面（圖4）[10]。結果顯示，半透明光伏玻璃的存在略微降低了植物品質，并加速了喜光植物的頂端生長機制。然而從統(tǒng)計學的角度來看，這種影響可以忽略不計，因此得出結論，集成半透明的非晶硅光伏玻璃（a-Si）對于園藝生產是可行的[11]。美國亞利桑那州圖森市實驗室一項研究設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量的太陽輻射模型。據估計，約49% 的覆蓋率足以滿足模擬的離網溫室的能源需求[12]。在美國西南部干旱地區(qū)的一個春夏生產季節(jié)，將半透明的有機光伏陣列作為一個溫室水培番茄生產系統(tǒng)的屋頂遮陽（圖5）。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的季節(jié)性遮陽是有效的。希臘塞薩里大學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可用光合有效輻射的影響。這項工作的結果可進一步用于光伏溫室的優(yōu)化設計，以使作物層面的光合有效輻射最大化[13]。

圖3 安裝在溫室玻璃屋頂下的半透明光伏組件面向東方天空

圖4 位于西班牙Duques de Soria 大學校園的光伏溫室

圖5 有機光伏（OPV）安裝在溫室屋頂的北部

染料敏化太陽能電池（DSSC）是半透明技術的最新發(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)化的溫室應用。

總結

綜上所述，溫室是用于農業(yè)生產的集約化生產栽培系統(tǒng)，需要足夠的照明、加熱、冷卻和通風，光伏溫室與太陽能技術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，從而對溫室內栽培的作物的生長趨勢產生不利影響。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。

盡管光伏技術與農業(yè)溫室的結合優(yōu)勢明顯，但其對環(huán)境產生的影響不可忽視，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業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。