光伏温室技术的发展现状与未来方向
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光伏温室是中国温室园艺产业近年来兴起的一种新型设施结构形式。它是指在利用晶硅类或薄膜类光伏电池组件作为温室采光面覆盖材料，部分或全部替代传统的玻璃、农膜、PC板等透光覆盖材料，所产电能供温室生产使用或直接并网，减少化石能源使用，实现太阳能发电与温室生产一体化的新型温室。由于能够实现资源（土地、骨架）、能源的高效利用，光伏温室已成为国内外温室园艺行业的新热点。自2007年以来，荷兰、日本、美国等国际设施园艺发达国家均把光伏温室作为实现温室低碳、高效生产的重要手段，集中力量进行技术研究或示范建设。
2009年以来，受国家设施园艺和“金太阳工程”等促进政策及光伏企业的农业产业化需求的驱动，中国在山东寿光、河北承德、江苏常州、江西上饶、景德镇等地已开展了光伏温室的探索性建设，并在2012年以后处于一种加速发展的状态。2014年9月，国家能源局下发《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》，直接把光伏温室作为分布式太阳能的重要措施进行推进和扶持，鼓励分布式光伏发电与农户扶贫、新农村建设、农业大棚相结合，促进农村居民生活改善和农业农村发展。2015年，国家扶贫办在《实施光伏扶贫工程工作方案的通知》中，也将与农业大棚建设结合的光伏项目作为重点扶贫模式予以补助支持。可以预见，光伏温室在中国将掀起一轮新的发展热潮。
截至目前，中国建成及在建的光伏温室占地10万余亩（折合6666 公顷），装机功率不下百兆瓦，类型主要有光伏日光温室、光伏塑料大棚及光伏连栋温室等。由于中国光伏温室的主要推手大多为光伏设备厂家，其对光伏温室特有的光热性能及对作物生长机理的影响缺乏了解，并且行业内尚未出台针对作物需求的光伏温室设计规范，现有的光伏温室很多不能够满足作物的生长需求，造成撂荒现象严重，致使国家资金、土地的大量浪费，放任下去，将会对温室园艺及光伏发电两个行业带来严重的负面影响。为此，有必要对国内外现有的光伏温室技术进行一个系统的梳理和总结，并通过比对分析，提出中国光伏温室技术未来的研究方向，从而为中国光伏温室产业的健康持续发展提供理论支撑。
荷兰。
荷兰是世界设施园艺强国，它提出的Venlo型温室是目前全球连栋温室应用最广泛的结构类型。另外，荷兰温室的单产效率最高，番茄产量基本可稳定保持在65～70 kg/m2。但是，荷兰温室园艺的高产出是建立在高耗能的基础上，据统计，在荷兰每平方米温室的生产能耗高达43 m3天然气。为提高温室生产的可持续性，荷兰农业部联合设施园艺装备研发机构、生产企业和种植户制定了“Kas als energiebron”计划，目标是通过技术研发，实现到2020年：（1）荷兰温室园艺产业CO2减排3.3 Mt，相对于1990年消减排放48%；（2）温室产业使用20%的可再生能源；（3）温室产业每年提高2%的能源利用效率；（4）在保持产量和效益不降低。为实现此目标，荷兰温室技术研究人员，将光伏温室作为一个重要的研发方向。
荷兰Wageningen大学开发了一种采用可以反射近红外辐射（NIR）并透过光合有效辐射（PAR）的材料附着于温室玻璃上的光伏发电温室，并将采光面设计成圆弧状，从而使太阳光中的近红外辐射反射汇聚于焦点中，并在焦点处安装光伏组件用于发电，如图1所示。经过监测，该类型温室年可发电20 kW·h·m—2，并且预计通过进一步的优化设计，可以将发电量提到31 kW·h·m—2，从而可基本满足温室生产用能[1—2]。但由于该类型温室圆弧状采光面施工较为麻烦，荷兰温室技术研发人员考虑在温室屋面运用菲涅尔透镜材料，将太阳辐射中的直射光在温室内汇集，并在汇集处安装光伏、光热设备用于发电产热，而散射光则投入温室内部用于作物生产[3]，如图2所示。经测试，在荷兰气候条件下（直射光仅占47%），该温室年可发电17 kW·h·m—2，产热440 MJ·m—2，温室生产能耗降低约75%。
日本。
日本是温室园艺精细化作业生产的代表，日本的温室设施类型主要是管架塑料大棚，占全国温室面积的80%以上。因此，日本的光伏温室也是围绕着管架塑料大棚进行研究。日本岛根大学的研究人员在管架大棚（4 m×8 m×2.4 m）山墙附近安装0.078 m2的非晶硅薄膜电池（光伏组件面积仅为温室占地面积的0.2%），所产生的电能用于驱动温室的侧开窗系统，温室运行效果良好。在薄膜电池组件布置方案方面，其研究了在管架大棚（16 m×5.4 m×3.3 m）上组装相同数量的薄膜电池组件（30 块，约占温室顶部面积的12.9%），比较直线布置和上下间隔布置对温室室内阴影及发电量的影响（如图3所示）。结果表明，两布置方案的发电量差异不大，但薄膜电池组件上下间隔布置时，室内光照的均匀情况要明显好于直线布置[4]，并且通过种植大葱实验发现，采用上下间隔布置方案光伏温室生产的大葱在产量和品质上均优于直线布置[5]。
意大利。
意大利位于南欧地区，受得天独厚气候影响（光热资源丰富），光伏温室建设规模较大，截至2014，年全国光伏电站中有约6%的装机容量来自于光伏温室。比较光伏组件在温室屋面上的安装比例对室内作物生长的影响，相关研究人员进行了周年栽培实验，研究结果表明，光伏组件在温室屋面上安装比例不超过9.8%，对番茄生产没有明显的影响，但如果安装比例超过50%，则会使温室的总进光量减少63%，不再适合番茄的生产[6]。因此，意大利政府对光伏温室的发展有如下规定：① 发电装机在200 kWp的光伏温室，要保证温室农业生产的产出效益高于发电所得的收益；② 光伏组件在温室屋面的安装比例不能超过50%；③ 光伏温室在设计、建造前，需要明确栽培作物的品种，并根据作物的生长习性进行设计。
存在的问题。
中国光伏温室的类型既有单栋温室也有连栋温室。单栋光伏温室包括对传统的日光温室改造以及开发的单栋不对称屋面温室，如图4和图5所示。光伏组件大多使用具有一定透光特性的太阳能薄膜电池（非晶硅），采用直接嵌入的形式与温室采光屋面相结合。经调研，每667 m2单栋型光伏发电温室可安装光伏组件约190～250 块，发电功率约15～20 kWp，理论日可发电130～170 kW·h。图6为部分单栋光伏温室工程照片。光伏连栋温室主要是基于Venlo温室的基础上，将部分透光覆盖材料替代为太阳能薄膜电池组件（图7），或晶硅电池组件（图8）。在光伏温室环境条件下的栽培技术研究，仅有西北农林科技大学的研究团队，对光伏日光温室下番茄生产影响进行了初步的探索试验[6]。
中国光伏温室产业发展势头极为迅猛，由于缺乏必要的政策引领、技术规范、行业自律，在快速扩张的背后显现出诸多问题，需要引起业内重视。
前期投入成本较高，农民独自承担难度大。
目前，中国光伏电池组件的成本约4～5 元/Wp，折算到每平方米，薄膜电池（按照90 Wp计）约400～500元，晶硅电池（按照200 Wp计）约800～1000 元。因此，没有政府或大企业资金的投入，农户无法独立承担。
占用基本农田，擅自改变土地用途情况频发。
关于设施农用地，在国土资源部、农业部下发《关于进一步支持设施农业健康发展的通知》（国土资发〔2014〕127号）中有严格的规定。但部分企业为了增加发电功率，侵占基本农田，采用全覆盖光伏组件的温室改变农业生产用途的现象频频发生。
光伏组件的正常寿命约20年，而连栋温室的使用寿命正常不超过15年，日光温室的使用寿命则更短。使用寿命的背后是设计规范中关于荷载、材料等方面的取值不同。因此，如何统筹两者之间的矛盾，是降低经营风险需要考虑的因素。
光伏温室的室内微环境与传统温室迥然不同，而中国在此方面的研究严重缺乏，也无法给标准的制定提供依据的支撑，从而给行业的规范化发展带来了严重制约。
未来的发展及研发方向。
从产业发展方面，应该重点开展以下工作。
通过后评价，掌握现有光伏温室项目运行中存在的问题，为出台行业引导政策提供依据。
出台行业发展约束政策。
通过参考国外光伏温室发展的约束性规定，结合对国内现有项目的后评价结果，出台行业发展约束政策，避免发展进入误区。
通过整合政府、企业等多方面的资源，加大光伏温室的研发力度，获得光伏组件影响下的温室环境—作物—结构—装备的交互影响机理，提出适宜中国气候环境和经济特性的新型光伏温室结构及适合温室使用的光伏组件材料。
开展行业标准制定。
通过针对性研究成果的积累，制定光伏温室的技术标准体系，从建筑、结构、环境调控、栽培管理等方面进行规范，从而促进行业的健康有序发展。
在技术研发方面，重点从以下方向着手。
相对于玻璃、PC板、薄膜等常规温室透光覆盖材料，光伏组件单位平方米的质量相对较重；此外，为了截获更多的太阳能，温室多采用不等坡结构。因此，光伏温室的结构受力、屋面支撑系统、覆盖材料紧固系统的设计与普通温室存在较大差异，亟待开展针对性研究工作。
传统的晶硅电池组件不具有透光性，近年来快速发展的薄膜太阳能电池组件也仅具有10%～20%的透光率，如果加上划刻或晶硅片棋盘布置等工艺，可以将其提高到40%左右，但相对于玻璃、薄膜等透光覆盖材料，光伏组件的透光性还是比较低。在不同光照资源的地区，组件在温室屋面的布置比例和方案对作物生长的影响，尚需加速开展研究。
在整个太阳光谱波段中，400～700 nm波段的光对作物光合作用贡献最大，该波段也被称为光合有效辐射。因此，研发将400～700 nm波段光谱透过，仅截获其余波段的光用于发电的新型光伏组件，对光伏温室的推广更具有实际意义。
参考文献。
[1]Sonneveld P J，Swinkels G L A M，Campen J，et al. Performance results of a solar greenhouse combining electrical and thermal energy production[J].Biosystems Engineering，2010（106）：48—57.
[2]Sonneveld P J，Swinkels G L A M，Bot G P A，et al. Feasibility study for combining cooling and high grade energy production in a solar greenhouse[J].Biosystems Engineering，2010（105）：51—58.
[3]Hemming S， Zward H F， Swinkels G L，et al. Development of Electricity Producing Greenhouses – Two Case Studies[J]. Acta Hort，2014 （1037）：129—136.
[4]Yano A，Kadowaki M，Furue A，et al. Shading and electrical features of a photovoltaic array mounted inside the roof of an east—west oriented greenhouse[J]. Biosystems Engineering，2010（106）：367—377.
[5]Kadowaki M，Yano A，Furue A，et al. Effects of greenhouse photovoltaic array shading on Welsh onion growth[J]. Biosystems Engineering，2012（111）：290—297.
[6]Cossu M，Murgia L，Ledda L，et al. Solar radiation distribution inside a greenhouse with south—oriented photovoltaic roofs and effects on crop productivity[J]. Applied Energy，2014（133）：89—100.
[7]赵雪，邹志荣，许红军，等. 光伏日光温室夏季光环境及其对番茄生长的影响[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2013，41（12）：93—99.