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摘要因土地资源限制、常规化石能源污染环境和设施农业迅速发展等原因，太阳能光伏发电技术与温室的结合得到广泛应用。为了探究太阳能光伏组件的铺设对温室内部环境的影响，总结归纳了国内外学者对不同种类的光伏温室在光伏覆盖面积和排布形式方面的研究成果，得到晶体硅光伏温室覆盖率20%和非晶硅光伏温室覆盖率30%左右时對温室内作物生长影响较小，适当的光伏覆盖面积还可以提升作物的品质，并且在炎热的夏季能够起到很好的遮阳效果。在文献研究基础上，创新地将薄膜光伏电池用于温室外遮阳系统，并且通过可旋转的光伏遮阳板，根据温室对光的实时需求自由调节遮光率。
关键词 光伏发电；温室；覆盖面积；排布方式；遮阳作用
中图分类号 S214.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）27-0219-04
Abstract Due to land resources constraints， pollution of conventional fossil energy and the rapid development of agricultural facilities and other factors， the combination of photovoltaic generation technology and greenhouse has been used widely.In order to explore the influence of photovoltaic modules on the internal environment of greenhouse， coverage area and configuration mode of different kinds of photovoltaic greenhouse investigated by researchers at home and abroad was summed up. The result showed that crystal silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 20% and amorphous silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 30% have little effect on the growth of crops in the greenhouse，and appropriate photovoltaic coverage can enhance the quality of crops and play a good shade effect in the hot summer. Based on these， the innovative use of thinfilm photovoltaic modules for the external shading system of greenhouse， can adjust the shading rate according to the greenhouse realtime demand for light by the rotating photovoltaic sunvisor.
Key words Photovoltaic generation technology；Greenhouse；Coverage area；Configuration mode；Sunshade
太阳能光伏发电技术与温室的结合，即将光伏发电技术应用在温室上，在进行农业生产的过程中获得额外的电能，可缓解能源压力和增加土地利用率[1]。随着设施农业面积的增加和国家对光伏温室的政策支持，光伏温室先后在国内的山东寿光、河北承德、江苏常州、江西上饶、四川攀枝花、山西长治等地应用，发展前景广阔。对于设施农业发达的西班牙、意大利、日本等国家，光伏温室也都有广泛应用[2-3]。
目前太阳能发电技术已经成熟，并且出现了光伏发电技术与建筑、温室等结合的多种形式，但太阳能光伏发电技术在温室中的应用大多是企业推动，缺少政府引领、行业自律和技术规范，光伏温室的运行效果缺少对比和总结，使得在实际应用过程中会产生一些问题，甚至有公司为了拿到光伏项目补贴而简单地将光伏发电设备放置在日光温室的周围，从而导致土地资源的浪费[3]。因此，通过将光伏温室按照光伏组件的特点进行分类，针对不同种类的光伏温室，探究太阳能光伏组件的覆盖面积和排布形式对温室内部环境的影响。分析得到夏季光伏组件对温室具有很好的遮阳作用，所以将可旋转的薄膜光伏遮阳板电池与温室的外遮阳系统相结合，为以后光伏发电技术在温室的实际应用提供参考。
1 光伏温室的种类及特点
刘立功等[4]将光伏温室按照结构和遮光程度2个标准进行了分类，按照结构将光伏温室分为光伏太阳能日光温室和光伏太阳能连栋温室2种类型，按照遮光程度分为全遮光型和部分遮光型温室2种类型。徐永[2] 根据光伏组件的透光性，将光伏温室分为密排型、间歇型或棋盘型和部分透光型光伏温室3种主要类型。一般情况下，应用在温室上的光伏电池分为传统不透光的晶体硅太阳能电池和新型透光的非晶体硅薄膜太阳能电池，2类不同光伏板在温室上的铺设均会对温室内部环境造成影响。该研究主要探究在相同温室结构下光伏组件铺设形式对温室内部作物生长的影响。因此结合2种分类方式和光伏组件的透光性，将按照晶体硅光伏温室和非晶体硅薄膜光伏温室两大类进行探究。
1.1 晶体硅光伏温室
晶体硅光伏温室是指结合了单晶硅或者多晶硅太阳能光伏板的温室。晶体硅太阳能电池特点是光转化率高，但其不透光性限制了与温室结合的类型和温室内作物种类的选择。全遮光的晶体硅光伏温室在温室顶部向阳面全部铺设晶体硅光伏板，温室内几乎没有直射光，适合食用菌类的种植；部分遮光的光伏温室是通过改变光伏板的覆盖面积和排布方式调整温室的遮光率，其光伏太阳能电池板的排列差异较大。遮光面积在20%～80%。在单栋的光伏太阳能日光温室上，电池板在采光面后部排列较多，而前部相对较少或没有，遮光带更多地分布在后墙上，这样更有利于植物生长[4-6]。 1.2 非晶体硅光伏温室
非晶体硅光伏温室采用透光的非晶体硅薄膜光伏板，虽然发电效率低于传统的单晶硅电池，但其具有一定的透光性和较高的折射率，能够使温室内的光照更加均匀，避免阳光的直接照射，降低温室内部植物被灼伤的机会，有利于作物的生长[7-8]。在整个太阳光谱波段中，对光合作用贡献最大的波段为波长400～700 nm波段，魏晓明[9]得到太阳能薄膜电池的透光率，发现薄膜电池对波长500 nm以下的透光率基本为0，波长500 nm以上太阳光透光率随波长的增加逐渐提高，红光区域透光率最大时达到20%左右，说明薄膜光伏温室内部缺少蓝紫光，会降低农作物产量和品质。结果说明，非晶体硅薄膜光伏板透光特性只能够满足叶菜类作物生长所需[2，9-10]。
因此，无论是不透光的晶体硅光伏温室还是可透光的光伏薄膜温室，光伏组件的种类和覆盖面积对温室内部环境的影响都很大。在光伏组件种类和覆盖面积相同的情况下，不同形式的光伏组件排布也会产生不同的作用[11-13]。通过对国内外相关文献研究，总结分析出光伏覆盖面积和排布形式对作物种植的影响。
2 光伏温室的研究现状
2.1 光伏组件覆盖面积的研究
2.1.1 晶体硅光伏电池覆盖面积的研究。
晶体硅光伏温室在欧洲比较普遍，意大利Cossu等[11]在某面积为960 m2的温室（8°59′ E，39°19′ N）的南屋面全部铺设多晶硅光伏板，得到光伏组件的阻碍作用导致温室内部太阳辐射降低64%。意大利Marucci等[14]在温室（3.79 m×2.41 m，12° E，42° N）南坡面覆盖晶硅光伏板，如图1所示，并且光伏板可以沿纵向轴线旋转从而在地面形成不同的遮光面积，通过监测，夏季正午12∶00的太阳辐射得到覆盖率小于20%时为20 MJ/m2左右，这个值远远超过了作物对光的需求，覆盖率为30%和50%时温室内光合有效辐射分别为18.8、15.0 MJ/m2，在超过70%时太阳辐射小于10.0 MJ/m2，在覆盖率30%时相对于没有铺设光伏组件的温室，其光合有效辐射（太阳辐射中能够使绿色植物进行光合作用的那部分光谱能量，波长为400～700 nm）降低了31%。Trypanagnostopoulos等[15]在希腊的西南部设计了2座2.00 m×2.13 m的玻璃温室，其中一座温室南坡面安装覆盖率20%的多晶硅光伏板；另一座普通温室作为对照，2—4月进行了为期85 d的环境检测，得出光伏温室的光合有效辐射比对照温室低15%～20%。温室内部种植了莴苣，结果发现光伏温室中的莴苣比对照普通温室的高且叶子大，鲜重也更大，说明适当降低光照强度对植物的品质有促进作用。
国内也有学者对晶体硅光伏温室进行了研究，余情等[16]在广东一座420 m2温室的南屋面安装面积为210 m2的晶体硅光伏电池组件，得到夏季室外光照度为75 000 lux时温室内部为4 000 lux左右，能够满足部分叶菜类和果菜类的需求[17]。昝锦羽等[18-19]使用ECOTECT软件建立了屋顶覆盖率分别为7.61%、15.22%、22.83%、30.44%的单晶硅光伏温室的模型，相对无光伏组件覆盖时的温室，采光系数分别降低约16%、38%、49%、58%。另外，王京[20]在广东地区某连栋温室的南向坡面间隔铺设单晶硅光伏电池，由于太阳高度角的变化，经现场验证温室内部光照均匀，不会出现光伏阵列产生的阴影块。
由上面晶体硅太阳能电池不同覆盖率研究结果可知，在夏季太阳辐射强烈时光伏组件能够起到很好的遮阳作用。当温室屋顶的光伏覆盖率低于20%时，虽然温室内光合有效辐射有所降低但未影响植物的生长，反而对植物的品质有促进作用；光伏覆盖率为30%时对植物的生长有了明显的抑制作用；光伏覆盖率高于50%时，对光的阻碍作用较大，但在夏季遮阳作用也比较明显。大于70%以后温室内光照度就不再满足植物的生长需求。因此，为了尽量保证作物生长不受影响，意大利政府就规定光伏组件在温室屋面的安装比例不得超过50%[3，11]。
2.1.2 非晶硅光伏组件覆盖面积的研究。
赵雪[21]对结构完全相同的光伏薄膜温室和塑料薄膜温室光环境与番茄生长情况进行监测，温室位于延安市李家湾农业生态示范园中（108° E，36° N）。研究发现，在光伏薄膜和PC板面积1∶1的比例布局下，夏季晴天正午前后2 h内的总辐射透过率为38.7%，光合有效光量子流密度透过率为38.9%，分别比塑料薄膜日光温室低30.3%和17.6%，并且此时间段内，晴天光伏日光温室可比塑料薄膜日光温室多阻挡3 949.8 kJ/m2热量进入室内。赵雪[21]在杨凌大寨乡现代农业创新园内一座温室自西向东每三列薄膜光伏组件与PC阳光板分别以1∶2、1∶3比例间隔铺设，发现在冬季以1∶3比例铺设的太阳总辐射要比以1∶2比例铺设的大50.3 W/m2，太阳总辐射的平均透过率大9.1%，但2种铺设方式下的平均光合有效光量子流密度透过率相差不大，并且非晶硅电池组件与 PC 板构成的倾斜平面的平均透光率变化范围为 34.7%～41.7%。束胜等[22]對常州市汉能基地一座单栋双屋面塑料温室（28.8 m×8.0 m）分别铺设33%、50%屋顶面积的非晶硅光伏组件，在温室内种植小白菜并与未铺设光伏组件的温室做对照，结果表明：50%光伏板覆盖处理的白菜株高、叶片数和叶面积比对照显著降低了27.34%、12.50%和22.64%，而33%光伏板覆盖处理与对照差异不显著。
分析以上研究可以得出，薄膜光伏组件在夏季能够起到明显地阻挡太阳辐射、降低温室内温度的作用，对植物的光合作用影响很小，并且薄膜光伏组件的透光率与PC板相差并不大，束胜的试验得到33%光伏覆盖率的温室可用于小白菜栽培生产，但每种作物对光照的需求是不一样的，因此光伏组件的覆盖率要根据具体的种植对象来确定，且覆盖率不宜高于50%。 相对于晶体硅光伏温室在覆盖率为30%时对光合有效辐射就有明显的抑制作用，相同覆盖率的薄膜光伏电池产生的不利影响要小很多。但光伏组件覆盖面积会对发电量造成直接影响，在不以发电作为主要目的的光伏温室可以设计与温室系统相匹配的光伏覆盖面积。比如Yano等[23]在温室（4.0 m×8.0 m×2.4 m）山墙附近安装了占温室面积0.2%的非晶硅薄膜电池，由于光伏组件面积小且透光所以对温室内的作物产生的影响可以不计，但其在2个月内产生了3.0 MJ的电能，驱动温室侧通风系统消耗了2.5 MJ，足以满足侧通风系统的用电量。Yano等[24]还计算得到22 536 m2温室全年所有设备的年用电量为150 MWh，此电量需要覆盖15%的非晶硅光伏组件，如果使用效率为14%的晶体硅模块，则需要7%的面积覆盖。这种所产电量仅供自身系统使用的较低覆盖率的应用形式，不仅可以确保农业生产的品质和产量，还可以节省并网设备的投资以及并网过程中的能量损耗。温室设备用电量的数据可以为不以发电为主要目的的温室设计作参考。
2.2 光伏组件排布方式
2.2.1 晶体硅光伏温室光伏组件排布方式的研究。
在相同的覆盖面积前提下，国内外学者进行了排布方式对温室内环境影响的相关研究。昝锦羽[18]建立了一排紧密、两排紧密、两排棋盘、四排棋盘排布的单晶硅光伏温室模型，在屋顶电池覆盖率均为7.61%的情况下，分别比较一排紧密和两排棋盘式温室。最后得出：冬季白天，一排紧密棚内温度高于两排棋盘的温室，最高温差是2.5 ℃，和屋顶电池覆盖率均为15.22%的两排紧密和四排棋盘式光伏温室结果接近，并且两排棋盘和四排棋盘式的棚底采光系数均分别优于一排紧密和两排紧密式。法国的Fatnassi等[25]通过CFD分别对面积为1 hm2屋顶覆盖直线式和棋盘式光伏组件排布的的Venlo型温室进行太阳辐射分布的模拟，发现直线式排布温室内部的阴影有明暗带分布，且光透射率为46%，而棋盘式排布的温室内光线分布均衡，平均光透射率约为50%。与直线相比，棋盘光伏板排布改善了温室内阳光空间分布的平衡。通过这种光伏面板布置，植物功能和光合作用率将受到光线拦截的影响较小。
因此，在相同覆盖率时，比较紧密式和棋盘式的说明，紧密排列的温室密封保温效果好于棋盘式排布，在冬季能够起到更好的保温作用，但棋盘式排布采光优于紧密式排布，更有利于光照的均匀照射。通过棋盘式的布置，作物的光合作用和品质受到太阳辐射的影响较小。
2.2.2 非晶硅光伏温室光伏组件排布方式的研究。
国外许多国家都将非晶硅薄膜光伏组件应用到温室中。日本的Kadowaki，Yano等[26-27]在温室（133.0°E，35.5°N）的南坡面分别以直线式和棋盘式2种排布方式安装覆盖率为12.9%的非晶硅光伏组件，排布方式如图2所示。研究结果表明，2种排布方式的发电量差异不大，但薄膜电池组件棋盘式布置时，室内光照的均匀情况要明显好于直线布置，通过检测内部生长的大葱发现，采用棋盘式布置温室内的大葱在产量和品质上均优于直线布置。西班牙的Ureasánchez等[28]在面积1 024 m2（2° W，36° N）的温室以棋盘式铺设覆盖率为9.8%的薄膜太阳能电池板，并与没有安装面板的区域做比对，通过在温室中种植番茄发现没有覆盖光伏板区域的果实成熟时间早于覆盖区域，颜色深于覆盖区域，但各区的总产量并没有差异。
赵雪[21]研究发现，大寨乡的薄膜光伏温室在1月份平均透光率为33.0%，比塑料薄膜日光温室低11.6%。通过对测试期间最低温度天数进行统计，发现8 ℃以下的温度光伏温室（2 d）明显少于塑料薄膜温室（10 d，占33%）。董微等[29-30]在北京通州一座连栋温室南侧坡面间隔排列薄膜太阳能光伏板，得到温室的透光率范围为32.64%～80.96%，平均透光率为66.27%。
由以上得出，覆盖温室屋顶面积9.8%的薄膜光伏组件不会影响番茄的产量和品质，并且和晶体硅光伏温室一样，薄膜电池棋盘式排布方式的透光率明显好于直线排布，可提升作物品质，因此光伏组件棋盘式排布可使温室內光照更均匀、更适合作物生长。另外通过冬季低温天数可以看出，光伏日光温室的冬季温度环境明显好于塑料薄膜日光温室，更有利于冬季果菜的栽培。
3 光伏组件用于温室外遮阳系统
根据气象局资料（1981—2010），我国华东地区夏季气温高且持续时间较长，7月份和8月份的月平均气温均在25～30 ℃。由于“温室效应”，日光温室内夏季气温高，张良[31]测得上海金山某玻璃温室夏季在遮阳网收起的情况下最高温度达到61.1 ℃，高温会影响作物的生长。这也说明夏季降温是我国温室种植亟待解决的关键问题。通过研究国内外文献，可以发现光伏组件在夏季的遮阳效果明显。通过遮阳可以减少太阳辐射强度，对调节温室小气候有所帮助[32]，通过遮阳系统能够降低温室制冷所需能量的20%左右[33]。另外固定的覆盖面积会对温室内部作物的品种产生限制，实现品种自由选择的前提是光伏覆盖率能够自由调整。
因此，提出将光伏组件与温室遮阳系统结合，在夏季光伏组件能够起到遮阳作用，并且夏季是太阳辐射最强的季节，太阳辐射越强光伏组件所发电量越多。薄膜光伏遮阳系统示意图如图3所示，选用可透光且质量轻的薄膜光伏组件，将其附着在轻质耐高温高透光率的塑料板上，板可以绕着中间的转轴旋转，转动轴连接自动控制系统，实现智能控制。将整个光伏遮阳板安装在遮阳网的支架上，支架的强度根据整个系统的实际重量选择，确保系统的安全稳定。
薄膜光伏遮阳系统的优点是光伏遮阳板的遮光率可以根据太阳辐射的强度自由调整，在获得电能的同时达到更好的遮阳和调节温室内部环境的作用，保障顺利度过夏季极端天气，并且在作物不同生长期可以提供适宜的光照强度，也为提高光伏温室种植作物品质和种类多样化提供了可能。 4 结语和展望
通过查阅国内外文献，对光伏温室进行分类，并对不同种类光伏温室的光伏组件覆盖面积和排布方式进行研究，结果得出，30%对于晶体硅光伏温室是非常高的覆盖率，将覆盖率控制在20%左右对农业生产比较合适；对于非晶体硅光伏温室覆盖率可以控制在30%左右，但两者均不宜超过50%，具體覆盖率还要根据温室生产的主要作物的种类进行选择。对于相同覆盖率时光伏组件排布形式，棋盘式的间歇分散排布有利于温室内光环境的均衡，明显要好于紧密式排布。
温室作为进行农业生产的设施，与光伏发电技术结合的前提应该确保农业生产的正常进行，应当摒弃以发电为目的的光伏温室的做法。伴随我国能源结构的调整，分布式光伏发电越来越广泛，在这一过程中更应该确保光伏发电技术与温室结合的科学性。因此，对光伏覆盖面积和排布形式的研究具有实际意义，一方面可以通过研发透光率更高且透过光谱更加适合作物生长的光伏薄膜；另一方面通过设计更科学合理的结合形式实现种植与发电均达到最优化。
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关键词 光伏发电；温室；覆盖面积；排布方式；遮阳作用
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Abstract Due to land resources constraints， pollution of conventional fossil energy and the rapid development of agricultural facilities and other factors， the combination of photovoltaic generation technology and greenhouse has been used widely.In order to explore the influence of photovoltaic modules on the internal environment of greenhouse， coverage area and configuration mode of different kinds of photovoltaic greenhouse investigated by researchers at home and abroad was summed up. The result showed that crystal silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 20% and amorphous silicon photovoltaic greenhouse coverage of about 30% have little effect on the growth of crops in the greenhouse，and appropriate photovoltaic coverage can enhance the quality of crops and play a good shade effect in the hot summer. Based on these， the innovative use of thinfilm photovoltaic modules for the external shading system of greenhouse， can adjust the shading rate according to the greenhouse realtime demand for light by the rotating photovoltaic sunvisor.
Key words Photovoltaic generation technology；Greenhouse；Coverage area；Configuration mode；Sunshade
太阳能光伏发电技术与温室的结合，即将光伏发电技术应用在温室上，在进行农业生产的过程中获得额外的电能，可缓解能源压力和增加土地利用率[1]。随着设施农业面积的增加和国家对光伏温室的政策支持，光伏温室先后在国内的山东寿光、河北承德、江苏常州、江西上饶、四川攀枝花、山西长治等地应用，发展前景广阔。对于设施农业发达的西班牙、意大利、日本等国家，光伏温室也都有广泛应用[2-3]。
目前太阳能发电技术已经成熟，并且出现了光伏发电技术与建筑、温室等结合的多种形式，但太阳能光伏发电技术在温室中的应用大多是企业推动，缺少政府引领、行业自律和技术规范，光伏温室的运行效果缺少对比和总结，使得在实际应用过程中会产生一些问题，甚至有公司为了拿到光伏项目补贴而简单地将光伏发电设备放置在日光温室的周围，从而导致土地资源的浪费[3]。因此，通过将光伏温室按照光伏组件的特点进行分类，针对不同种类的光伏温室，探究太阳能光伏组件的覆盖面积和排布形式对温室内部环境的影响。分析得到夏季光伏组件对温室具有很好的遮阳作用，所以将可旋转的薄膜光伏遮阳板电池与温室的外遮阳系统相结合，为以后光伏发电技术在温室的实际应用提供参考。
1 光伏温室的种类及特点
刘立功等[4]将光伏温室按照结构和遮光程度2个标准进行了分类，按照结构将光伏温室分为光伏太阳能日光温室和光伏太阳能连栋温室2种类型，按照遮光程度分为全遮光型和部分遮光型温室2种类型。徐永[2] 根据光伏组件的透光性，将光伏温室分为密排型、间歇型或棋盘型和部分透光型光伏温室3种主要类型。一般情况下，应用在温室上的光伏电池分为传统不透光的晶体硅太阳能电池和新型透光的非晶体硅薄膜太阳能电池，2类不同光伏板在温室上的铺设均会对温室内部环境造成影响。该研究主要探究在相同温室结构下光伏组件铺设形式对温室内部作物生长的影响。因此结合2种分类方式和光伏组件的透光性，将按照晶体硅光伏温室和非晶体硅薄膜光伏温室两大类进行探究。
1.1 晶体硅光伏温室
晶体硅光伏温室是指结合了单晶硅或者多晶硅太阳能光伏板的温室。晶体硅太阳能电池特点是光转化率高，但其不透光性限制了与温室结合的类型和温室内作物种类的选择。全遮光的晶体硅光伏温室在温室顶部向阳面全部铺设晶体硅光伏板，温室内几乎没有直射光，适合食用菌类的种植；部分遮光的光伏温室是通过改变光伏板的覆盖面积和排布方式调整温室的遮光率，其光伏太阳能电池板的排列差异较大。遮光面积在20%～80%。在单栋的光伏太阳能日光温室上，电池板在采光面后部排列较多，而前部相对较少或没有，遮光带更多地分布在后墙上，这样更有利于植物生长[4-6]。 1.2 非晶体硅光伏温室
非晶体硅光伏温室采用透光的非晶体硅薄膜光伏板，虽然发电效率低于传统的单晶硅电池，但其具有一定的透光性和较高的折射率，能够使温室内的光照更加均匀，避免阳光的直接照射，降低温室内部植物被灼伤的机会，有利于作物的生长[7-8]。在整个太阳光谱波段中，对光合作用贡献最大的波段为波长400～700 nm波段，魏晓明[9]得到太阳能薄膜电池的透光率，发现薄膜电池对波长500 nm以下的透光率基本为0，波长500 nm以上太阳光透光率随波长的增加逐渐提高，红光区域透光率最大时达到20%左右，说明薄膜光伏温室内部缺少蓝紫光，会降低农作物产量和品质。结果说明，非晶体硅薄膜光伏板透光特性只能够满足叶菜类作物生长所需[2，9-10]。
因此，无论是不透光的晶体硅光伏温室还是可透光的光伏薄膜温室，光伏组件的种类和覆盖面积对温室内部环境的影响都很大。在光伏组件种类和覆盖面积相同的情况下，不同形式的光伏组件排布也会产生不同的作用[11-13]。通过对国内外相关文献研究，总结分析出光伏覆盖面积和排布形式对作物种植的影响。
2 光伏温室的研究现状
2.1 光伏组件覆盖面积的研究
2.1.1 晶体硅光伏电池覆盖面积的研究。
晶体硅光伏温室在欧洲比较普遍，意大利Cossu等[11]在某面积为960 m2的温室（8°59′ E，39°19′ N）的南屋面全部铺设多晶硅光伏板，得到光伏组件的阻碍作用导致温室内部太阳辐射降低64%。意大利Marucci等[14]在温室（3.79 m×2.41 m，12° E，42° N）南坡面覆盖晶硅光伏板，如图1所示，并且光伏板可以沿纵向轴线旋转从而在地面形成不同的遮光面积，通过监测，夏季正午12∶00的太阳辐射得到覆盖率小于20%时为20 MJ/m2左右，这个值远远超过了作物对光的需求，覆盖率为30%和50%时温室内光合有效辐射分别为18.8、15.0 MJ/m2，在超过70%时太阳辐射小于10.0 MJ/m2，在覆盖率30%时相对于没有铺设光伏组件的温室，其光合有效辐射（太阳辐射中能够使绿色植物进行光合作用的那部分光谱能量，波长为400～700 nm）降低了31%。Trypanagnostopoulos等[15]在希腊的西南部设计了2座2.00 m×2.13 m的玻璃温室，其中一座温室南坡面安装覆盖率20%的多晶硅光伏板；另一座普通温室作为对照，2—4月进行了为期85 d的环境检测，得出光伏温室的光合有效辐射比对照温室低15%～20%。温室内部种植了莴苣，结果发现光伏温室中的莴苣比对照普通温室的高且叶子大，鲜重也更大，说明适当降低光照强度对植物的品质有促进作用。
国内也有学者对晶体硅光伏温室进行了研究，余情等[16]在广东一座420 m2温室的南屋面安装面积为210 m2的晶体硅光伏电池组件，得到夏季室外光照度为75 000 lux时温室内部为4 000 lux左右，能够满足部分叶菜类和果菜类的需求[17]。昝锦羽等[18-19]使用ECOTECT软件建立了屋顶覆盖率分别为7.61%、15.22%、22.83%、30.44%的单晶硅光伏温室的模型，相对无光伏组件覆盖时的温室，采光系数分别降低约16%、38%、49%、58%。另外，王京[20]在广东地区某连栋温室的南向坡面间隔铺设单晶硅光伏电池，由于太阳高度角的变化，经现场验证温室内部光照均匀，不会出现光伏阵列产生的阴影块。
由上面晶体硅太阳能电池不同覆盖率研究结果可知，在夏季太阳辐射强烈时光伏组件能够起到很好的遮阳作用。当温室屋顶的光伏覆盖率低于20%时，虽然温室内光合有效辐射有所降低但未影响植物的生长，反而对植物的品质有促进作用；光伏覆盖率为30%时对植物的生长有了明显的抑制作用；光伏覆盖率高于50%时，对光的阻碍作用较大，但在夏季遮阳作用也比较明显。大于70%以后温室内光照度就不再满足植物的生长需求。因此，为了尽量保证作物生长不受影响，意大利政府就规定光伏组件在温室屋面的安装比例不得超过50%[3，11]。
2.1.2 非晶硅光伏组件覆盖面积的研究。
赵雪[21]对结构完全相同的光伏薄膜温室和塑料薄膜温室光环境与番茄生长情况进行监测，温室位于延安市李家湾农业生态示范园中（108° E，36° N）。研究发现，在光伏薄膜和PC板面积1∶1的比例布局下，夏季晴天正午前后2 h内的总辐射透过率为38.7%，光合有效光量子流密度透过率为38.9%，分别比塑料薄膜日光温室低30.3%和17.6%，并且此时间段内，晴天光伏日光温室可比塑料薄膜日光温室多阻挡3 949.8 kJ/m2热量进入室内。赵雪[21]在杨凌大寨乡现代农业创新园内一座温室自西向东每三列薄膜光伏组件与PC阳光板分别以1∶2、1∶3比例间隔铺设，发现在冬季以1∶3比例铺设的太阳总辐射要比以1∶2比例铺设的大50.3 W/m2，太阳总辐射的平均透过率大9.1%，但2种铺设方式下的平均光合有效光量子流密度透过率相差不大，并且非晶硅电池组件与 PC 板构成的倾斜平面的平均透光率变化范围为 34.7%～41.7%。束胜等[22]對常州市汉能基地一座单栋双屋面塑料温室（28.8 m×8.0 m）分别铺设33%、50%屋顶面积的非晶硅光伏组件，在温室内种植小白菜并与未铺设光伏组件的温室做对照，结果表明：50%光伏板覆盖处理的白菜株高、叶片数和叶面积比对照显著降低了27.34%、12.50%和22.64%，而33%光伏板覆盖处理与对照差异不显著。
分析以上研究可以得出，薄膜光伏组件在夏季能够起到明显地阻挡太阳辐射、降低温室内温度的作用，对植物的光合作用影响很小，并且薄膜光伏组件的透光率与PC板相差并不大，束胜的试验得到33%光伏覆盖率的温室可用于小白菜栽培生产，但每种作物对光照的需求是不一样的，因此光伏组件的覆盖率要根据具体的种植对象来确定，且覆盖率不宜高于50%。 相对于晶体硅光伏温室在覆盖率为30%时对光合有效辐射就有明显的抑制作用，相同覆盖率的薄膜光伏电池产生的不利影响要小很多。但光伏组件覆盖面积会对发电量造成直接影响，在不以发电作为主要目的的光伏温室可以设计与温室系统相匹配的光伏覆盖面积。比如Yano等[23]在温室（4.0 m×8.0 m×2.4 m）山墙附近安装了占温室面积0.2%的非晶硅薄膜电池，由于光伏组件面积小且透光所以对温室内的作物产生的影响可以不计，但其在2个月内产生了3.0 MJ的电能，驱动温室侧通风系统消耗了2.5 MJ，足以满足侧通风系统的用电量。Yano等[24]还计算得到22 536 m2温室全年所有设备的年用电量为150 MWh，此电量需要覆盖15%的非晶硅光伏组件，如果使用效率为14%的晶体硅模块，则需要7%的面积覆盖。这种所产电量仅供自身系统使用的较低覆盖率的应用形式，不仅可以确保农业生产的品质和产量，还可以节省并网设备的投资以及并网过程中的能量损耗。温室设备用电量的数据可以为不以发电为主要目的的温室设计作参考。
2.2 光伏组件排布方式
2.2.1 晶体硅光伏温室光伏组件排布方式的研究。
在相同的覆盖面积前提下，国内外学者进行了排布方式对温室内环境影响的相关研究。昝锦羽[18]建立了一排紧密、两排紧密、两排棋盘、四排棋盘排布的单晶硅光伏温室模型，在屋顶电池覆盖率均为7.61%的情况下，分别比较一排紧密和两排棋盘式温室。最后得出：冬季白天，一排紧密棚内温度高于两排棋盘的温室，最高温差是2.5 ℃，和屋顶电池覆盖率均为15.22%的两排紧密和四排棋盘式光伏温室结果接近，并且两排棋盘和四排棋盘式的棚底采光系数均分别优于一排紧密和两排紧密式。法国的Fatnassi等[25]通过CFD分别对面积为1 hm2屋顶覆盖直线式和棋盘式光伏组件排布的的Venlo型温室进行太阳辐射分布的模拟，发现直线式排布温室内部的阴影有明暗带分布，且光透射率为46%，而棋盘式排布的温室内光线分布均衡，平均光透射率约为50%。与直线相比，棋盘光伏板排布改善了温室内阳光空间分布的平衡。通过这种光伏面板布置，植物功能和光合作用率将受到光线拦截的影响较小。
因此，在相同覆盖率时，比较紧密式和棋盘式的说明，紧密排列的温室密封保温效果好于棋盘式排布，在冬季能够起到更好的保温作用，但棋盘式排布采光优于紧密式排布，更有利于光照的均匀照射。通过棋盘式的布置，作物的光合作用和品质受到太阳辐射的影响较小。
2.2.2 非晶硅光伏温室光伏组件排布方式的研究。
国外许多国家都将非晶硅薄膜光伏组件应用到温室中。日本的Kadowaki，Yano等[26-27]在温室（133.0°E，35.5°N）的南坡面分别以直线式和棋盘式2种排布方式安装覆盖率为12.9%的非晶硅光伏组件，排布方式如图2所示。研究结果表明，2种排布方式的发电量差异不大，但薄膜电池组件棋盘式布置时，室内光照的均匀情况要明显好于直线布置，通过检测内部生长的大葱发现，采用棋盘式布置温室内的大葱在产量和品质上均优于直线布置。西班牙的Ureasánchez等[28]在面积1 024 m2（2° W，36° N）的温室以棋盘式铺设覆盖率为9.8%的薄膜太阳能电池板，并与没有安装面板的区域做比对，通过在温室中种植番茄发现没有覆盖光伏板区域的果实成熟时间早于覆盖区域，颜色深于覆盖区域，但各区的总产量并没有差异。
赵雪[21]研究发现，大寨乡的薄膜光伏温室在1月份平均透光率为33.0%，比塑料薄膜日光温室低11.6%。通过对测试期间最低温度天数进行统计，发现8 ℃以下的温度光伏温室（2 d）明显少于塑料薄膜温室（10 d，占33%）。董微等[29-30]在北京通州一座连栋温室南侧坡面间隔排列薄膜太阳能光伏板，得到温室的透光率范围为32.64%～80.96%，平均透光率为66.27%。
由以上得出，覆盖温室屋顶面积9.8%的薄膜光伏组件不会影响番茄的产量和品质，并且和晶体硅光伏温室一样，薄膜电池棋盘式排布方式的透光率明显好于直线排布，可提升作物品质，因此光伏组件棋盘式排布可使温室內光照更均匀、更适合作物生长。另外通过冬季低温天数可以看出，光伏日光温室的冬季温度环境明显好于塑料薄膜日光温室，更有利于冬季果菜的栽培。
3 光伏组件用于温室外遮阳系统
根据气象局资料（1981—2010），我国华东地区夏季气温高且持续时间较长，7月份和8月份的月平均气温均在25～30 ℃。由于“温室效应”，日光温室内夏季气温高，张良[31]测得上海金山某玻璃温室夏季在遮阳网收起的情况下最高温度达到61.1 ℃，高温会影响作物的生长。这也说明夏季降温是我国温室种植亟待解决的关键问题。通过研究国内外文献，可以发现光伏组件在夏季的遮阳效果明显。通过遮阳可以减少太阳辐射强度，对调节温室小气候有所帮助[32]，通过遮阳系统能够降低温室制冷所需能量的20%左右[33]。另外固定的覆盖面积会对温室内部作物的品种产生限制，实现品种自由选择的前提是光伏覆盖率能够自由调整。
因此，提出将光伏组件与温室遮阳系统结合，在夏季光伏组件能够起到遮阳作用，并且夏季是太阳辐射最强的季节，太阳辐射越强光伏组件所发电量越多。薄膜光伏遮阳系统示意图如图3所示，选用可透光且质量轻的薄膜光伏组件，将其附着在轻质耐高温高透光率的塑料板上，板可以绕着中间的转轴旋转，转动轴连接自动控制系统，实现智能控制。将整个光伏遮阳板安装在遮阳网的支架上，支架的强度根据整个系统的实际重量选择，确保系统的安全稳定。
薄膜光伏遮阳系统的优点是光伏遮阳板的遮光率可以根据太阳辐射的强度自由调整，在获得电能的同时达到更好的遮阳和调节温室内部环境的作用，保障顺利度过夏季极端天气，并且在作物不同生长期可以提供适宜的光照强度，也为提高光伏温室种植作物品质和种类多样化提供了可能。 4 结语和展望
通过查阅国内外文献，对光伏温室进行分类，并对不同种类光伏温室的光伏组件覆盖面积和排布方式进行研究，结果得出，30%对于晶体硅光伏温室是非常高的覆盖率，将覆盖率控制在20%左右对农业生产比较合适；对于非晶体硅光伏温室覆盖率可以控制在30%左右，但两者均不宜超过50%，具體覆盖率还要根据温室生产的主要作物的种类进行选择。对于相同覆盖率时光伏组件排布形式，棋盘式的间歇分散排布有利于温室内光环境的均衡，明显要好于紧密式排布。
温室作为进行农业生产的设施，与光伏发电技术结合的前提应该确保农业生产的正常进行，应当摒弃以发电为目的的光伏温室的做法。伴随我国能源结构的调整，分布式光伏发电越来越广泛，在这一过程中更应该确保光伏发电技术与温室结合的科学性。因此，对光伏覆盖面积和排布形式的研究具有实际意义，一方面可以通过研发透光率更高且透过光谱更加适合作物生长的光伏薄膜；另一方面通过设计更科学合理的结合形式实现种植与发电均达到最优化。
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