收稿日期：2023-02-06

基金項目：寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃（2023BCF01022）；深圳能源集團股份有限公司科技項目（0309-NKRC-技開-2023-003）；農(nóng)業(yè)與

能源互補互促技術(shù)與應(yīng)用研究（37-2023-QQ-49-Q0001）；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能建造重點實驗室開放課題（202103）

通信作者：鮑恩財（1990—），男，博士、副研究員，主要從事太陽能熱利用、農(nóng)業(yè)設(shè)施建筑熱工等方面的研究。baoencai1990@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0116 文章編號：0254-0096（2024）05-0468-07

摘 要：基于太陽照度和環(huán)境溫度逐時變化，以長三角地區(qū)的集中式露地農(nóng)業(yè)光伏方陣為研究對象，在跨度為6.8 m的單跨方陣中沿從南到北的跨度方向取0.65、3.40、6.15 m處的3個和長度方向共面的測試斷面，即南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)?；诖?，進行夏季方陣內(nèi)外的光熱環(huán)境測試，分析并明確光伏組件下方區(qū)域的光熱環(huán)境變化規(guī)律，為其太陽能資源合理利用、結(jié)構(gòu)改進和夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供參考。結(jié)果表明，該地區(qū)光伏方陣夏季內(nèi)部3個區(qū)域光熱環(huán)境呈現(xiàn)規(guī)律性差異，整體表現(xiàn)為北區(qū)略優(yōu)于南區(qū)，中區(qū)優(yōu)于南、北兩區(qū)。綜合考慮作物生長的光熱環(huán)境需求，一方面可通過結(jié)構(gòu)改進、種植方式優(yōu)化等方式改善或利用好內(nèi)部光環(huán)境；另一方面基于熱環(huán)境規(guī)律，分類做好內(nèi)部3個區(qū)的夏季灌溉等田間管理，從而推動光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展升級。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏方陣；環(huán)境測試；農(nóng)業(yè)光伏；溫度；光照度

中圖分類號：TK519 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

集中式露地農(nóng)業(yè)光伏是將光伏發(fā)電和大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合的一種新型業(yè)態(tài)，其對光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展［1］和鄉(xiāng)村振興［2］具有重要意義。集中式露地農(nóng)業(yè)光伏方陣是集中式露地農(nóng)業(yè)光伏項目進行生產(chǎn)的主要依托［3］，其通過充分利用太陽能資源，實現(xiàn)“一地多用”的功能，因其具有提高土地利用率［4］、促進產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展［5］、增加綜合效益［6］等優(yōu)點，目前得到大規(guī)模應(yīng)用推廣。截至2022年年底，長三角地區(qū)集中式光伏電站累計并網(wǎng)容量高達0.74億千瓦，約占全國的20%［7］，其中集中式露地農(nóng)業(yè)光伏是其主要應(yīng)用模式之一，現(xiàn)已成為長三角地區(qū)乃至全國實現(xiàn)太陽能高效利用的重要方式，也是打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸的重要途徑［8］。

近年來，長三角地區(qū)集中式露地農(nóng)業(yè)光伏項目快速發(fā)展的同時，光農(nóng)矛盾日益突出，主要集中在未綜合考慮光伏組件下方作物對溫度、光照的需求［9］，而光伏組件下方光熱環(huán)境不明確，無法為當(dāng)?shù)靥柲苜Y源合理利用及夏季農(nóng)業(yè)合理生產(chǎn)管理提供參考。本文以長三角地區(qū)的集中式露地光伏方陣為研究對象，進行夏季光伏方陣內(nèi)外的光熱環(huán)境測試。一方面明確該地區(qū)集中式露地農(nóng)業(yè)光伏方陣夏季內(nèi)部光熱環(huán)境變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)叵募竟夥r(nóng)業(yè)合理生產(chǎn)及管理提供依據(jù)；另一方面為該地區(qū)的太陽能資源合理利用及集中式太陽能光伏方陣設(shè)計建造提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試露地農(nóng)業(yè)光伏方陣

供試露地農(nóng)業(yè)光伏方陣（后文簡稱光伏方陣）位于江蘇省溧水區(qū)深能南京能源控股有限公司農(nóng)光互補基地（北緯31.62°，東經(jīng)119.18°），溧水地區(qū)屬于北亞熱帶向中亞熱帶的過渡區(qū)，年平均氣溫15.5 ℃，年平均日照時數(shù)2145.8 h，年平均降雨量1036.9 mm。光伏方陣坐北朝南，東西走向；其所在片區(qū)長度150 m，跨度6.8 m，共47跨；光伏組件材料為265 W多晶硅，呈直線形式布置，沿光伏方陣長度方向連續(xù)鋪設(shè)；光伏組件下沿距地面3.2 m，傾角為24°，由Φ300管預(yù)制樁及斜支撐架等支撐；光伏方陣內(nèi)部沿長度方向種植單行矮化無花果（植株高約1.0 m，根系長約0.3 m），其空間結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)計

本文主要考察夏季光伏方陣內(nèi)外光熱環(huán)境變化規(guī)律，試驗測試時間為2022年8月11—25日，環(huán)境因子包括光伏方陣內(nèi)外光照度、空氣溫度及土壤溫度。依據(jù)光伏方陣空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，將單跨光伏方陣內(nèi)部分成3個區(qū)（即南區(qū)、中區(qū)與北區(qū)），跨度方向長度分別為2.0、2.8、2.0 m，3個

區(qū)測點布置遵循以下原則：1）在滿足信息采集需求的情況下，降低傳感器配置冗余；2）充分考慮光伏組件遮陰、植株高度、植株根系長度等因素，預(yù)期的測試結(jié)果能充分反映客觀規(guī)律［10］?；诖耍庹斩燃翱諝鉁囟葴y點的高度設(shè)置在無花果冠層高度1.0 m位置處，土溫測點設(shè)置在根系深度方向的中間位置，即地下0.15 m深度；南北兩側(cè)儀器布置在距離管預(yù)制樁軸線0.65 m處，避免距離過長或過短，無法充分反映光伏方陣的光熱性能。

3個區(qū)測點布置情況如圖2所示。1）光伏方陣內(nèi)部光照度、空氣溫度：在單跨光伏方陣中，沿從南到北的跨度方向取0.65、3.40、6.15 m處的3個和長度方向共面的測試斷面，即南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)的3個測試斷面，其中在3個測試斷面布置一個距地面1.0 m高的光照度及空氣溫度測點；2）光伏方陣內(nèi)部土壤溫度：在光照度及空氣溫度測點正下方各布置一個0.15 m深度的土壤溫度測點；3）光伏方陣內(nèi)部所有光照度、空氣溫度及土壤溫度測點均布置在和跨度方向共面的同一平面，且不受側(cè)光影響；4）光伏方陣外部環(huán)境測點：在遠離光伏方陣且足夠開闊地點設(shè)置一個環(huán)境測點，測試的環(huán)境因子主要包括距地面1.0 m高度處的光照度、空氣溫度及0.15 m深度的土壤溫度。

光伏方陣內(nèi)外所用的測試儀器如圖3所示。光照度采用HOBO MX2202光照度傳感器（美國Onset Computer Crop公司，精度為±10%）；空氣溫度采用HOBO UX100-011A溫濕度傳感器（美國Onset Computer Crop公司，溫度精度為±0.2 ℃）；土壤溫度采用HOBO UX120-006M四通道溫度記錄儀（美國Onset Computer Crop公司，精度為±0.2 ℃）。所有傳感器進行全天測試，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為30 min。為避免太陽輻射和露天復(fù)雜環(huán)境對儀器測量的影響，HOBO UX100-011A溫濕度傳感器均配套安裝氣象專用防輻射罩。

張運林等［11］將日總云量[N≤3]和[N≥8]視為夏季典型晴天日和陰天日；樂章燕等［12］將逐日日照時數(shù)≥8 h視為典型晴天，≤3 h視為典型陰天?；诖?，本文規(guī)定日總云量

[N≤3]且逐日日照時數(shù)≥8 h為典型晴天條件的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)；日總云量[N≥8]且逐日日照時數(shù)≤3 h為典型陰天條件的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合氣象測試記錄數(shù)據(jù)及氣象學(xué)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對試驗測試期間的天氣類型進行分類，包括晴天、云天及陰天（旱年，測試期間無雨天）［13］。同時，本文規(guī)定夏季晝間時間段為06：00—18：00，夜間時間段為18：00—次日06：00。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文應(yīng)用Microsot Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，應(yīng)用Origin 2021軟件制作二維圖表。

2 結(jié)果分析

2.1 光伏方陣內(nèi)外光照度變化

太陽輻射能是光伏方陣內(nèi)部農(nóng)作物生長的主要能量來源，其強度會直接影響到光伏方陣進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果。孫周平等［14］以單一時刻或單天溫室內(nèi)部所有測點光照度平均值與室外測點光照度平均值的比值作為平均采光率來評價溫室采光性能?；诖?，本文規(guī)定以光伏方陣內(nèi)部單一測點（日）光照度平均值與室外光照測點（日）光照度平均值的比值作為該測點的（日）采光率，以單一測點（日）采光率的平均值作為平均采光率，將采光率及平均采光率作為本文光伏方陣內(nèi)部光環(huán)境的評價指標(biāo)。

夏季光伏方陣內(nèi)外光照度及采光率的變化數(shù)據(jù)如表1所示。南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天平均光照度分別為7.8、29.5、8.7、43.2 klx，露天平均光照度比南區(qū)高8.6～50.2 klx，比中區(qū)高5.4～22.5 klx，比北區(qū)高7.9～49.2 klx。結(jié)合試驗期間天氣類型，晴天光伏方陣內(nèi)部中區(qū)的光照度和采光率在所有天氣類型中最大，南北兩區(qū)光照度略大，但采光率相對中區(qū)及陰天南北兩區(qū)較小；陰（云）天光伏方陣內(nèi)部中區(qū)光照度和采光率較晴天小，南北兩區(qū)光照度較晴天小，但采光率相比晴天較大。光伏方陣內(nèi)外平均光照度均值和平均采光率從大到小依次為露天＞中區(qū)＞北區(qū)＞南區(qū)，說明光伏方陣內(nèi)部的采光情況受光伏組件影響較大，其中南中北3個區(qū)在試驗期間平均采光率分別為20.5%、66.6%及22.7%。

選擇8月19日（典型晴天）、8月24日（典型陰天）觀測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖4所示。圖4顯示了光伏方陣在夏季典型天氣條件下不同測點光照度的變化情況。數(shù)據(jù)顯示，兩種典型天氣下，光伏方陣內(nèi)外光照曲線總體趨勢基本一致。典型晴天條件下，露天的光照度明顯高于光伏方陣內(nèi)部3個測點。（日）平均光照度均值按從大到小依次為：露天（50.9 klx）、中區(qū)（36.1 klx）、北區(qū)（9.9 klx）、南區(qū)（9.2 klx）。如圖4a所示，所有測點的光照度在06：00—12：00之間基本保持逐漸上升趨勢，12：00—14：00之間有所波動達到最大值，14：00—18：00之間逐漸下降，18：00—次日06：00基本為0。各測點曲線一致性較好，均呈先上升后下降最后為0的變化趨勢，且各曲線峰值對應(yīng)的時間基本一致。典型陰天條件下，露天的光照度仍明顯高于光伏方陣內(nèi)部3個測點，各曲線變化趨勢基本一致，但整體波動較大。隨著時間的推移，所有測點曲線變化趨勢基本保持先上升后穩(wěn)定波動最后逐漸為0的趨勢，局部時間波動較大（可能是云層遮蓋厚度不斷變化，導(dǎo)致太陽直射光照度不斷變化）。如圖4b所示，陰天時所有測點的光照度大小關(guān)系和典型晴天一致，依次為露天（13.3 klx）、中區(qū)（7.9 klx）、北區(qū)（5.4 klx）、南區(qū)（4.7 klx）。

2.2 光伏方陣內(nèi)外空氣溫度變化

光伏方陣下方種植的無花果在夏季適宜生長的平均溫度及空氣溫度范圍分別為30 ℃及25～35 ℃，且氣溫達38 ℃以上時果實發(fā)育及品質(zhì)會受到嚴(yán)重影響［15］?；诖?，對夏季光伏方陣內(nèi)外空氣溫度進行分析，結(jié)果如表2所示。與露天環(huán)境相比，光伏方陣平均日最高氣溫分別比南區(qū)、中區(qū)及北區(qū)高4.8、1.2、3.0 ℃；日平均氣溫分別比南區(qū)、中區(qū)及北區(qū)高1.9、0.9、1.4 ℃；晝平均溫度分別比南區(qū)、中區(qū)及北區(qū)高3.0、1.0、2.1 ℃。因此，光伏方陣內(nèi)外日（晝間）平均氣溫和平均最高氣溫從大到?。郝短欤局袇^(qū)＞北區(qū)＞南區(qū)，其中北區(qū)略高于南區(qū)，兩者均低于中區(qū)，說明光伏組件在夏季白天對內(nèi)部空氣起到降溫的作用。此外，在8月11—25日共15 d內(nèi)，光伏方陣內(nèi)部3個區(qū)日最高氣溫均不低于35 ℃的時間為14 d，均不低于38 ℃的時間為12 d；日平均氣溫均不低于30 ℃的時間為11 d。

圖5為典型天氣下光伏方陣內(nèi)外氣溫變化。由圖5可知，光伏方陣內(nèi)外氣溫曲線總體趨勢基本一致。如圖5a所示，典型晴天條件下所有測點氣溫在06：00—14：30之間基本保持逐漸上升趨勢，12：00—14：00之間有所波動達到最大值，14：30—次日06：00之間逐漸下降。各測點曲線一致性較好，均呈先上升后下降的變化趨勢。典型晴天條件下，光伏方陣內(nèi)南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天的晝平均氣溫分別為37.5、39.6、38.1、40.5 ℃，日平均氣溫分別為34.0、35.0、34.3、36.0 ℃，日最高氣溫分別為40.9、43.4、42.0、44.2 ℃，因此光伏方陣內(nèi)外的日（晝間）平均氣溫及日最高氣溫在典型晴天條件下有明顯差異，即北區(qū)略高于南區(qū)，兩者均低于中區(qū)，中區(qū)低于露天。同時，光伏方陣內(nèi)南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天的夜間平均氣溫分別為25.1、25.1、25.1、25.2 ℃，因此光伏方陣內(nèi)部3個區(qū)夜間氣溫基本無差異。如圖5b所示，典型陰天條件下，光伏方陣內(nèi)部南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天的晝間平均氣溫分別為26.4、26.5、26.5、27.1 ℃，夜間平均氣溫分別為25.1、25.1、25.1、25.2 ℃，日平均氣溫分別為25.8、25.8、25.8、26.2 ℃，日最高氣溫分別為28.1、28.2、28.1、29.7 ℃，因此光伏方陣內(nèi)部的各測點氣溫在典型陰天條件下無明顯差異，即南區(qū)、中區(qū)及北區(qū)氣溫大致相同，均低于露天氣溫。

2.3 光伏方陣內(nèi)外土壤溫度變化

夏季露天環(huán)境炎熱，土壤溫度過高易對光伏方陣內(nèi)部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大影響，因此有必要對夏季作物生長的土壤溫度進行比較分析。夏季光伏方陣內(nèi)外土壤溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。光伏方陣內(nèi)日最高土壤溫度為36.0 ℃，明顯低于同日露天最高土壤溫度。南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天晝間平均土壤溫度分別為28.9、32.0、30.6、34.1 ℃，露天晝間土壤溫度均值比南區(qū)高4.2～7.2 ℃，比中區(qū)高0.6～5.1 ℃，比北區(qū)高2.4～6.2 ℃。光伏方陣內(nèi)外日最高土壤溫度和晝間平均土壤溫度從大到?。郝短欤局袇^(qū)＞

北區(qū)＞南區(qū)，說明光伏方陣內(nèi)部的土壤溫度情況受光伏組件影響較大，即光伏組件在夏季晝間對土壤能起到降溫的作用。同時，結(jié)合試驗期間的天氣類型（表1），統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示陰（云）天光伏方陣日最高土壤溫度及晝間平均土壤溫度較上一個晴天低，整體下降趨勢，由此可見，雖然光伏方陣具有遮陰功能，但內(nèi)部3個區(qū)的土壤溫度變化與露天天氣類型及其土壤溫度變化具有一致性。同時，晝間平均土壤溫度的大小具有差異性，即陰天的晝間平均土壤溫度雖然較上一個晴天有所下降，但仍可能高于其他晴天。

如圖7所示，兩種典型天氣下，光伏方陣內(nèi)外土壤溫度曲線總體趨勢基本一致。典型晴天條件下，露天的土壤溫度明顯高于光伏方陣內(nèi)部測點。南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天日最高土壤溫度分別為29.9、33.2、32.4、37.3 ℃；晝間平均土壤溫度分別為29.4、31.8、30.8、34.4 ℃，因此日最高土壤溫度與晝間平均土壤溫度按從大到小依次均為：露天、中區(qū)、北區(qū)、南區(qū)。如圖7a所示，所有測點曲線一致性較好，均呈先下降后上升再下降的變化趨勢，但南北兩區(qū)曲線峰值比露天及中區(qū)曲線峰值略有提早。典型陰天條件下，露天的土壤溫度曲線仍明顯高于光伏方陣內(nèi)部3個測點，曲線變化趨勢基本一致，但整體波動相對平緩。如圖7b所示，陰天時所有測點的晝間平均土壤溫度及日最高土壤溫度大小關(guān)系和晴天一致，依次為露天、中區(qū)、北區(qū)、南區(qū)；所有測點曲線變化趨勢亦與典型晴天一致。

3 結(jié) 論

本文以長三角地區(qū)的集中式露地農(nóng)業(yè)光伏方陣為研究對象，系統(tǒng)研究緊密排列光伏組件對其內(nèi)部光熱環(huán)境的影響，分析光伏組件下方區(qū)域的光熱性能，得出以下主要結(jié)論：

1）連續(xù)15 d的光照數(shù)據(jù)表明，光伏方陣中區(qū)晝間平均光照度約為30 klx，平均采光率為66.6%，南區(qū)、北區(qū)平均采光率分別為20.5%、22.7%，說明光伏組件緊密排列對光伏方陣內(nèi)部光環(huán)境影響較大。

2）測試結(jié)果表明，光伏方陣南區(qū)、中區(qū)、北區(qū)及露天日平均氣溫分別為31.9、32.9、32.4、33.8 ℃，晝間平均氣溫分別為35.2、37.2、36.1、38.2 ℃，平均日最高氣溫分別為39.1、42.7、40.9、43.9 ℃，晝間平均土溫分別為28.9、32.0、30.6、34.1 ℃，平均日最高土溫分別為29.5、33.6、31.9、36.3 ℃，因此光伏方陣內(nèi)部夏季的氣溫及土壤溫度整體變化規(guī)律為北區(qū)略高于南區(qū)，兩者均低于中區(qū)。

綜上所述，雖然集中式露地光伏方陣一定程度上可改善夏季方陣內(nèi)部進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱環(huán)境，更適宜農(nóng)作物生長，但內(nèi)部3個區(qū)呈現(xiàn)一定差異，需結(jié)合環(huán)境溫度，分類做好3個區(qū)的夏季灌溉等田間管理。另外，光伏方陣內(nèi)部3個區(qū)光環(huán)境較弱且差異性明顯，不能同時滿足3個區(qū)進行單一作物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，故從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度來看，改善光伏方陣內(nèi)部光環(huán)境或利用好內(nèi)部現(xiàn)有光環(huán)境尤為重要。一方面，可通過在一定程度上保障農(nóng)電效益的基礎(chǔ)上，采用透光性較高的光伏組件或光伏組件非連續(xù)鋪設(shè)的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)等方式改善內(nèi)部光環(huán)境；另一方面，可通過篩選耐蔭作物與利用條帶式復(fù)合種植的方式充分利用現(xiàn)有光環(huán)境。

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EXPERIMENTAL STUDY ON PHOTOTHERMAL ENVIRONMENT OF CENTRALIZED OPEN-FIELD AGRICULTURAL PHOTOVOLTAIC ARRAY IN

YANGTZE RIVER DELTA REGION IN SUMMER

Zhang Long1，2，Liu Zhangjingying3，Wu Xue2，Wang Wenju4，Bai Zongchun2，Bao Encai1，2

（1. School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；

2. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China；

3. School of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China；

4. School of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract：Based on the hourly variation of solar illuminance and ambient temperature， a centralized open-ground photovoltaic square in the Yangtze River Delta region is taken as the research object. In a single-span array with a span of 6.8 m， three test sections at 0.65， 3.40 and 6.15 m were taken along the span direction from south to north， namely， the southern area， the middle area and the northern area. Based on this， the test of the photothermal environment inside and outside the square in summer was carried out. In addition， the aim of this study is to analyze and clarify the variation rule of the photothermal environment in the area below the photovoltaic modules， which provides reference for efficiently utilization of solar energy resources， structural improvement and agricultural production management in summer. The results show that the photothermal environment in the three areas of the photovoltaic array presents regular differences in summer， and the overall performance is that the central area is better than the other two areas， and the northern area is slightly better than the southern area. Considering the demands of photothermal environment for crop growth， on the one hand， the internal light environment can be enhanced by improving the structure of photovoltaic modules and optimizing the planting methods；On the other hand， based on the law of thermal environment， the field management such as summer irrigation in the three internal areas should be done according to classification， therefore to promote the development and upgrading of agrivoltaics.

Keywords：solar energy； PV array； environmental testing； agricultural photovoltaic； temperature； illuminance