【干货】光伏农业光资源如何高效利用

2014-11-23 小超人

OFweek太阳能光伏网讯:光伏农业是一种新形式的土地综合利用方式,是现代化农业与清洁能源紧密结合的产物,可以推动绿色农业生产,实现科技高效的循环生态农业。近几年来,光伏农业大棚、光伏养殖、渔光互补等不同形式农光互补光伏电站成为光伏行业投资、建设的热点。

在光伏农业的快速发展中,令光伏从业者、设计院等比较困惑的事情是,普通的光伏电站下、农业大棚下种植什么最合适,效益最大?因此,光伏电站如何与农业大棚结合,迫切需要解决种植问题,亟待深入研究。而解决此问题,又需要从光伏电站和农业种植或养殖等结合的特性方面——对光资源的需求,进行分析研究。

一、光伏电站与农业的简单结合

光伏电站与农业的简单结合,是在常规光伏电站中光伏阵列下种植农作物的模式,是最简单的农光互补模式。上期文章,在光伏阵列模型中,分析了各个分区不同高度的年辐射量,以及各个分区的地面月辐射量。本期将给出更多的模拟数据,以及分析光伏阵列对下方空间的遮挡情况。

表5各个分区的0.5m高度月辐射量

表6各个分区的1m高度月辐射量

表7各个分区的1.5m/2m高度月辐射量

当分析光伏阵列中的光资源时间和空间两个维度的数据时,数据量是较多和复杂的。为了直观的展示数据的差异,选取“表6各个分区的1m高度月辐射量”作图如下:

图6各个分区的1m高度月辐射量

 

从以上各个数据可以看出,光伏阵列的正下方,以及前排光伏组件上端到后排光伏组件下端连线之间的阵列间距区域,任何一处空间的光资源辐射量均没有达到无遮挡水平面的光资源辐射量。这是因为,光伏阵列之间的任何一处空间区域,都会存在光照损失,这些光照损失,又分为不同的情况:

有的区域如E区、F区、G区1米高度以上区域,在5-7月份只有早上或者晚上存在光资源损失,同时存在散射光损失以及地面反射光损失;有的区域如E区、F区、G区1米高度以上区域,在3-4月份几乎没有被光伏组件遮挡,但是存在散射光损失以及地面反射光损失;有的区域如E区地面,在冬至日始终被遮挡,但是仍然有光资源,这部分光照主要来自天空散射光和环境物体的漫反射光。在PVsyst软件中进一步模拟分析,如图所示,在E区地面和1米高度不同位置的测试组件模拟阴影遮挡情况:

(a)春秋分无阴影遮挡

(b)夏至日阴影遮挡情况

(c)冬至日阴影遮挡情况

图7测试模块在E区地面高度时的阴影遮挡

(a)春秋分无阴影

(b)夏至日阴影遮挡情况

(c)冬至日阴影遮挡情况

图8测试模块在E区1米高度时的阴影遮挡

经过模拟发现,前后排光伏阵列之间区域,在春秋季内几乎是没有被光伏组件遮挡的,在夏季早晚时间内会有遮挡,遮挡时间出现在早上刚日出后和傍晚太阳即将落入地平线下之前的这两段时间内,遮挡造成的光照损失很小。而从各个分区的不同高度月辐射量与水平面月辐射量对比,当4月份—8月份,几乎没有遮挡情况出现的月份,也总是存在最低5%的差距,这是因为PVsyst内部建模,模拟的过程中考虑了IAM(incidenceanglemodifier)factoronglobar球面入射角修正系数这一项高于4%的损失。

如果不考虑这一项损失,通过模拟我们可以看到,E区、F区、G区,从春分日到秋分日,半年的时间内,前后排光伏阵列之间的区域光照资源损失是非常少的,在这段时间内,光伏电站中的农作物可以按照一般场地的光资源情况种植——也就是说,在半年的时间内,农业种植可以像普通田地一样高效地利用光伏电站中的土地。

 

上一期文章中谈到,由于光伏电站无遮挡规定的时间为当地真太阳时冬至日9:00—15:00之间,因此冬季农作物的高度要低于前排组件上端到后排组件下端两者之间的连线。这一连线,也就是农业大棚棚顶的设计依据。本文中的分析均局限在这一连线下方的空间。但是,在常规光伏电站中,没有大棚设计的状态下,这一连线并非是限制高度。

假设,光伏电站中,春夏季种植黄瓜,黄瓜的生长匍匐支架可以架设多高?位置怎么确定?如果匍匐支架在春分那一天建设,通过太阳的高度角、方位角计算公式得到本项目所在地安徽宿州3月21日真太阳时9:00的南北向阴影系数R为0.665(可以计算,春分时,物体的南北向阴影系数几乎是不变化的),在下列示意图中,距离与高度差的关系

即可,满足这一关系且植物的枝叶在新的虚连线下方,在春分至秋分时间段内,匍匐支架和农作物就不会遮挡太阳光照射匍匐支架北面的后排光伏组件。同时,匍匐支架也不能高于光伏组件的上端,否则会在夏季早晚时间段遮挡南面的前排光伏组件。

图9春分至秋分农作物与后排光伏组件相对位置示意图

有了以上分析,我们可以得到结论,合理的种植,可以更高效的利用光伏电站中的土地和阵列之间的空间,这可以提高农业生产收益。

由于常规光伏电站中光资源分布分析是其他各种农光互补光伏电站中光资源分析的基础,因此本文给出了较为详细的模拟过程和分析结果。虽然我们可以得到不同时间不同区域的时间空间光照辐射量,但是由于宏观上光线只能直线传播的物理特性,不能具备水、空气一样的流动性,因此,光伏阵列中任何一处的种植物都会影响除上方空间以外附近其他空间的光照情况。

光伏阵列间的光照分布,又符合了农业生产中的套种技术,套种的农作物中,较高大的喜阳农作物影响较低矮喜阴或对光资源需求少的农作物,比如玉米和芭蕉芋、玉米和大豆、棉花和花生等之间的套种。因此,本文光资源分析的数据,对种植农作物的品种选择、其他植物(如花卉)的品种选择、光资源量对农光物产量的预测性等有非常重要的参考价值;另外,在光伏养殖大棚中,或常规电站中养殖的家禽或其他经济性动物,由于动物具有活动性,对光照的空间分布改变小,因此本文的光资源分析,可以匹配动物对生活、生长环境需求的光资源是否可以得到满足。

图10光伏电站中植物套种设想

二、模式2光伏和农业大棚附加式结合模式

光伏和农业大棚的附加式结合模式,在常规光伏电站中,光伏阵列之间建设光伏大棚,两者的独立的,在空间布局上有相互结合,互不影响。模式2中的结合方式即是在模式1中建设了薄膜大棚。这种大棚模式类似于光伏建筑中的BAPV。

图11附加式光伏农业大棚

该类型光伏大棚选用260Wp多晶硅光伏组件,组件尺寸1650X990X40mm,采用竖向3排布置,前后排间距为10m(也可以根据需要增加间距),每个支架单元安装66块光伏组件,1MW共64个支架单元,大棚建在光伏阵列之间,光伏组件的下端距离地面的高度一般为3米。1MW光伏阵列占地约33亩。

光伏农业大棚下的光资源分析如同模式1常规光伏电站一样建模,在这一基础上考虑塑料薄膜衰减15%左右。将前后排光伏阵列间距同样按照1米的档距划分为10个分区,经过模拟,地面上各个分区的月辐射量如下图所示(由于数据较多,不再提供详细数据表):

图12附加式大棚各个分区地面月辐射量

 

结合模式1的光资源数据分析,我们会看到,模式2光伏组件距离地面3米高,光伏组件越高,地面的辐射量将越少;在冬季的时间内,光伏大棚内的地面辐射量基本差别不大,光照比较均匀;在夏季,组件下方的辐射量较少,阵列之间的区域辐射量相对于水平面辐射量也仅是50-70%左右。这一类型的光伏大棚,因为光伏阵列对地面光资源影响较大,所以进一步较大的影响了大棚内的农作物生长。

通过这一分析可知,虽然组件抬高了,大棚内的空间也进一步加高,方便了人们在大棚内劳作,但是相对于组件离地面高0.5—1m的光伏电站,并不利于喜阳农作物的生长。因此,光伏组件设计高度3米时,组件支架基础造价大幅上升,光伏阵列间的光资源建少,对喜阳的农作物种植,从光资源对农作物影响方面分析考虑,模式2的性能比没有得到提升而是降低,也就不适合种植喜阳的农作物(可参考下文案例中西红柿的对比)。当模式2大棚内光资源减少的情况下,光伏阵列间的大棚种植对光照需求量少的农作物、农作物育苗、花卉植物等更有利。

国内光伏阳光房、类似阳光房的光伏农业大棚肩高常设计为3米左右,国外一些农光互补电站中光伏组件高度也在3米高左右,两者相比,国内光伏农业大棚内常用于育苗、高大花卉苗木等种植以及对光需求少、需要匍匐支架的经济作物种植,国外农光互补电站设计除植物需求外,也考虑了满足机械化操作需要。

3.2模式3光伏组件与农业大棚一体模式光伏阵列作为农业大棚、阳光房的一部分,组件安装在向阳坡面,结构上结合为一体,可做联栋或单栋。这种结合模式,有类同于光伏建筑中的BIPV。

模式2中,光资源分析得出,对喜阳农作物的生长会有不利影响。普通多晶硅光伏组件和塑料薄膜一起封闭的典型光伏农业大棚,在大棚内光资源分布上与模式2一样。

为了增加光伏阵列透光率,可将普通多晶硅光伏组件改为双玻光伏组件或薄膜组件,或者光伏组件间隔性排列,双玻光伏组件或薄膜组件的透光率可以做到20%。由于光资源分析模型与以上分析雷同,下文不再提供详细分析,将举一个案例对比光资源对农作物的实际影响。

图13大棚上光伏组件间隔排列

无锡明申农业科技有限公司建设了普通组件和双玻组件不同类型光伏农业大棚,大棚内种植西红柿和黄瓜等农作物,对比研究光资源最瓜果类农作物的影响。下图为同一地点、同一时间种植、几乎同样的农业生长环境,不同光伏组件下方的西红柿生长情形。

(a)普通多晶硅组件下方的西红柿

(b)双玻组件下方的西红柿

图14不同组件下的西红柿生长情形

通过两张照片对比,图13(a)中,由于普通多晶硅组件遮光,西红柿对光照的需求得不到满足,西红柿茎杆较多较细,花朵较多,但是花朵常不挂果,结的果实小、少,难以生长;图13(b)中,双玻组件下的西红柿茎杆粗,果实多、大。同样对比的黄瓜,普通多晶硅组件下方的黄瓜果实少而细,双玻组件下的黄瓜多而粗。由于双玻组件有20%的透光率,大棚内光照较多,与普通组件下方的农业生产产量形成明显对比。

 

相对于大棚下喜阳的植物需要更多光照,人工补光等措施增加光照,根据大棚内种植的植物不同,又有一些大棚内增加遮光帘、黑丝网等措施人工减少光照,以满足植物对光照的需求。

图14某大棚组件间增加遮光网

从以上分析及案例看出,农光简单结合的模式、光伏大棚、阳光房等在设计、建造时,光伏组件对正下方空间和前后排阵列之间的光资源分布影响就确定下来。如果根据种植需要,补光或者遮光措施都会增加农业生产成本,特别是采用灯具补光需要投入非常多的电气设备。因此,农光互补电站的合理化设计及建设、农业生产中植物种植品种选择、植物对光照的需求及采取措施,应当统筹考虑,提前规划、节约造价和生产运维费用。

小结

农光互补的光伏电站存在多种分类,以结构划分,以用途划分,以遮光程度划分等多种分类。本文论述的农光互补模式主要是以光伏与农业结合形式分类,以便于光资源模拟。通过光资源分析,可以得出光资源在光伏电站中的时间、空间分布,有利于在不同的时间段内选择不同的农作物品种。为了满足植物对光照的需求,和获得不同的光资源,可以选择不同的组件排列方式或者选用不同类型的光伏组件、以及在生产运维中采取灯具补光、遮阳等措施。

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