光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無花果產量影響分析.pdf

光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無花果產量影響分析 張 龍1 2 3 吳翠南1 3 鮑恩財1 2 3 龔劍暉1 王芽芽1 楊 晨4 許桂俊4 王 勵5 鄧 力5 1 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)設施與裝備研究所 南京 210014 2 南京農業(yè)大學工學院 南京 210031 3 農業(yè)農村部長江中下 游設施農業(yè)工程重點實驗室 南京 210014 4 深能南京能源控股有限公司 南京 211225 5 長江三峽集團江蘇能源投資有限公 司 江蘇 南京 210019 摘 要 為保證光伏農業(yè)項目中的光伏發(fā)電效益 通常在農業(yè)用地上鋪設大量的光伏組件 日間 光伏組件會遮擋太陽 光線并在農業(yè)用地上產生較大的遮陰面積 為探明光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)內部光環(huán)境 陰影寬度 作物葉片光合 特性和產量的影響 以江蘇南京地區(qū)光伏組件下沿邊緣距離地面垂直高度 以下簡稱光伏組件鋪設高度 為2 5 3 2 3 9 m的光伏農業(yè)系統(tǒng)為試驗對象 測試了光伏農業(yè)系統(tǒng)內部光伏陣列板下和板間種植區(qū)域的太陽輻射強度 計算分析 了光伏組件遮陰形成的陰影寬度在1 a中的變化規(guī)律 研究了光伏陣列板間種植區(qū)域無花果的產量和葉片光合特性差異 結果表明 試驗期間光伏陣列板間種植區(qū)域的采光率保持在55 4 68 9 是光伏陣列板下種植區(qū)域的2 1 3 3倍 在3種光伏組件鋪設高度下 光伏陣列板間種植區(qū)域的采光率隨著光伏組件鋪設高度的增加而降低 光伏陣列板下種植 區(qū)域相反 無花果全生育期內 光伏組件遮陰寬度隨緯度 光伏組件鋪設高度增大而增大 光伏組件遮陰導致各處理的 無花果平均產量較露天對照減少了19 9 48 9 且葉片的光合特性能較好地反映各處理間的產量差異 較低的光伏 組件鋪設高度能有效提高無花果葉片的凈光合速率和氣孔導度 從而減輕光伏組件遮陰導致的光合抑制 綜上 與光伏 組件鋪設高度為3 2 m和3 9 m的光伏農業(yè)系統(tǒng)相比 光伏組件鋪設高度為2 5 m的光伏農業(yè)系統(tǒng)內部光環(huán)境更好 遮 陰寬度更窄 能較好地降低無花果產量的減產幅度 在各地的光伏農業(yè)項目中具有一定的實用價值 關鍵詞 農業(yè) 光伏 光伏組件 光照 陰影 產量 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 中圖分類號 S214 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2024 23 0294 09 張龍 吳翠南 鮑恩財 等 光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無花果產量影響分析 J 農業(yè)工程學報 2024 40 23 294 302 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 http www tcsae org ZHANG Long WU Cuinan BAO Encai et al Effects of photovoltaic module shading on internal light environment and fig Ficus carica L yield in agrivoltaic systems J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2024 40 23 294 302 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202407202 http www tcsae org 0 引 言 光伏農業(yè)系統(tǒng)是將太陽能發(fā)電與農業(yè)生產有機耦合 的新型發(fā)展模式 隨著可再生能源的推廣和農業(yè)現(xiàn)代化 的需求 該模式在全球范圍內得到了快速發(fā)展 1 2 2021 年的國際光伏農業(yè)大會指出 中國已成為光伏農業(yè)模式 發(fā)展最好的國家之一 農光一體總裝機容量位居世界第 一 3 目前 光伏農業(yè)項目在中國3種類別的太陽能資 源區(qū)均有應用推廣 為光伏產業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興作出了 重要貢獻 4 5 在農業(yè)用地上建設的光伏陣列是光伏農業(yè)系統(tǒng)的主 體結構 其主要由光伏組件與支撐部件等組成 具體包 括固定支架 柔性支架與跟蹤式支架3種光伏陣列類 型 6 7 鑒于施工成本及設備運行的可靠性 目前絕大部 分的光伏農業(yè)項目會優(yōu)先選用固定支架的安裝方案 6 為充分保障光伏農業(yè)系統(tǒng)中農業(yè)生產的土地利用率和機 械化率 中國江蘇 云南等省份相繼發(fā)文要求光伏農業(yè) 項目的光伏組件在具有一定的傾角下 設計足夠的鋪設 高度以保證農業(yè)的正常生產 通過調研發(fā)現(xiàn) 截至2024 年6月 已有江蘇 陜西等13個省份對光伏農業(yè)系統(tǒng)中 光伏組件下沿邊緣距離地面的垂直高度 以下簡稱光伏 組件鋪設高度 做了強制性規(guī)定 其中江蘇等大多省份 的光伏農業(yè)項目最低光伏組件鋪設高度為2 5 m 雖然最低光伏組件鋪設高度在一定程度上保障了農 業(yè)的生產 但是仍有大量的光伏農業(yè)項目在實際生產過 程中存在 重光輕農 的現(xiàn)象 8 9 在光伏農業(yè)項目規(guī)劃 建設時 鋪設的大量光伏組件會產生較大的遮陰面積與 收稿日期 2024 07 22 修訂日期 2024 10 11 基金項目 寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目 2023BCF01022 中國三 峽新能源 集團 股份有限公司科研項目 合同編號 32010105 深圳 能源集團股份有限公司科研項目 0309 NKRC 技開 2023 0030 農業(yè)與 能源互補互促技術與應用研究 37 2023 QQ 49 Q0001 作者簡介 張龍 博士生 研究方向為新能源農業(yè)環(huán)境工程與裝備 Email 18862072387 通信作者 鮑恩財 博士 副研究員 研究方向為農業(yè)生物環(huán)境與能源 工程 Email baoencai1990 中國農業(yè)工程學會高級會員 鮑恩財 E041200295S 第 40 卷 第 23 期農 業(yè) 工 程 學 報Vol 40 No 23 294 2024 年 12 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec 2024 網(wǎng)絡首發(fā)時間 2024 11 29 13 19 45 網(wǎng)絡首發(fā)地址 動態(tài)陰影帶 從而影響光伏農業(yè)系統(tǒng)內部的光環(huán)境 最 終影響農作物的產量 這在一定程度上限制了光伏農業(yè) 產業(yè)的發(fā)展 10 12 針對上述情況 國內外學者對光伏農 業(yè)系統(tǒng)內部的光環(huán)境進行了深入研究 西北農林科技大 學鄒志榮團隊以光伏日光溫室為研究對象 探究了光伏 組件遮陰對室內光環(huán)境及番茄生長的影響 13 浙江大學 鄭榮進團隊分析了光伏茶園中固定支架與跟蹤式支架的 光伏組件遮陰對茶園內部光環(huán)境及茶樹生長的影響 14 SANTRA等 15 以3種光伏組件鋪設密度的光伏陣列為研 究對象 研究了光伏組件遮陰對3種光伏農業(yè)系統(tǒng)內部 光量子通量密度的影響 江蘇省農業(yè)科學院鮑恩財團隊 結合傳感器配置策略和光伏農業(yè)系統(tǒng)空間結構特征 揭 示了光伏組件鋪設高度為3 2 m的光伏農業(yè)系統(tǒng)內部光 環(huán)境在夏 冬兩季的變化規(guī)律 16 17 上述研究有效表征了光伏農業(yè)系統(tǒng)內部的光環(huán)境特 征 不過未從光伏組件鋪設高度這一結構參數(shù)對其內部 太陽輻射強度的變化規(guī)律進行研究 另外 光伏組件在 光伏農業(yè)系統(tǒng)內產生的陰影帶隨時間變化而變化 關于光伏 農業(yè)系統(tǒng)中光伏組件遮陰寬度的動態(tài)變化規(guī)律亦未見報 道 目前對農業(yè)建筑中陰影動態(tài)變化規(guī)律的研究僅局限 在連棟溫室天溝 18 日光溫室固定保溫被 19 等結構 已有研究發(fā)現(xiàn)光伏組件遮陰對甘薯 20 小麥 21 蔬 菜 22 及獼猴桃 23 等作物的產量均會造成負面影響 而 無花果 Ficus carica L 是一種適應性強 耐旱 耐蔭 掛果早 產量高 抗病性好且栽植容易的經濟性苗木 在江蘇 云南 陜西和湖南等地均有種植 能較好適應 光伏農業(yè)系統(tǒng)內部的復雜環(huán)境 24 25 故本研究以栽植無 花果樹的光伏農業(yè)系統(tǒng)為研究對象 通過試驗測試分析 光伏組件鋪設高度對光伏農業(yè)系統(tǒng)內部太陽輻射強度的 影響 根據(jù)太陽直射輻射理論計算光伏組件遮陰寬度 并對受不同光伏組件鋪設高度和地理位置影響而形成的 陰影寬度進行分析 同時從光伏組件遮陰的角度定量分 析光伏組件鋪設高度對無花果產量和葉片光合特性的影響 1 材料與方法 1 1 試驗光伏農業(yè)系統(tǒng)描述 供試光伏農業(yè)系統(tǒng)位于江蘇省南京市溧水區(qū)的光伏 農業(yè)園區(qū) 31 62 N 119 18 E 該園區(qū)于2016年建 成 占地約47 hm2 包含8個光伏陣列片區(qū) 總裝機容 量為20 MW 每年可發(fā)電約2 400萬kW h 供試光伏農 業(yè)陣列 以下簡稱光伏陣列 坐北朝南 跨度為6 8 m 采用橫向4排光伏組件緊密排布方式 如圖1所示 光 伏組件的鋪設高度均不低于2 5 m 垂直投影比例 光伏 組件在農田上的垂直投影總面積 架設光伏組件的農田面 積 為53 3 由混凝土預制樁等結構支撐 安裝傾角 為24 材料為265 Wp多晶硅 光電轉換效率為16 3 單塊光伏組件尺寸為1 640 mm 992 mm 35 mm 為保證光伏農業(yè)系統(tǒng)內部的采光率和機械化作業(yè)空 間 目前江蘇省現(xiàn)存光伏農業(yè)項目的光伏組件鋪設高度 區(qū)間為2 5 4 0 m 基于此 本研究選取了光伏組件鋪 設高度為2 5 3 2 3 9 m的3種光伏農業(yè)系統(tǒng) 除光伏 組件鋪設高度外 供試光伏農業(yè)系統(tǒng)的其他結構和材料 參數(shù)完全一致 a 光伏農業(yè)系統(tǒng)內景 a Interior view of agrivoltaic system b 光伏農業(yè)系統(tǒng)外景 b Exterior view of agrivoltaic system 圖1 試驗光伏農業(yè)系統(tǒng) Fig 1 Experimental agrivoltaic systems 1 2 栽植果樹 2019年初在供試光伏陣列內部南北向居中位置 沿 東西向栽植了單行矮化無花果 品種 青皮 如圖1a 所示 無花果樹株間距約3 0 m 株高約1 0 m 冠幅約 2 5 m 栽植密度約490株 hm2 每年9 10月為采收期 1 3 試驗設計 1 3 1 種植區(qū)域光環(huán)境 結合無花果株高等生長參數(shù) 距地面1 0 m高度的 太陽輻射強度大小及分布情況是評價光伏農業(yè)系統(tǒng)內部 光環(huán)境的重要指標 基于此 本文監(jiān)測的光環(huán)境因子包 括2 5 3 2 3 9 m的光伏組件鋪設高度下 分別對應為 H2 5 H3 2 H3 9 光伏農業(yè)系統(tǒng)內部的太陽輻射強度 其中分為光伏陣列板下種植區(qū)域 U 和板間種植區(qū)域 B 2個部分 同時 在系統(tǒng)外部開闊地設置氣象站 同步監(jiān)測露天 CK 的太陽輻射強度 具體種植區(qū)域分 類及測點布置如圖2所示 本文以單跨光伏陣列北側板 下種植區(qū)域的太陽輻射強度測點數(shù)據(jù)作為評價光伏陣列 板下種植區(qū)域太陽輻射強度的數(shù)據(jù)來源 試驗時間為 2023年無花果的全生育期 即2023年4月1日 2023 年9月30日 測試儀器采用HOBO系列傳感器 所有傳感器進行 全天監(jiān)測 數(shù)據(jù)記錄時間間隔為10 min 研究所用的太 陽輻射強度傳感器為太陽總輻射傳感器 S LIB M003 Onset Computer Crop公司 美國 精度為 10 W m2 由HOBO微型氣象站 H21 USB Onset Computer Crop 公司 美國 采集 鐘坤炎等 26 在研究全年太陽輻射規(guī) 律時 明確中國夏半年地方時06 00前為太陽升起時段 18 00后為太陽落下時段 基于此 本研究定義夏季白晝 時間段為06 00 18 00 夜間時間段為18 00至次日06 00 采光率作為光環(huán)境的重要評價指標 在各類建筑的 光環(huán)境分析中都有應用 張勇等 27 將日光溫室內測點光 照度均值與室外測點光照度均值的比值作為透光率來評 價日光溫室采光性能 基于此 本文結合光環(huán)境試驗 規(guī)定以光伏農業(yè)系統(tǒng)內部測點的太陽輻射強度平均值與 外部太陽輻射強度平均值的比值作為該測點的采光率 以某一測點在多個時間段下采光率的均值作為該測點的 平均采光率 將采光率和平均采光率作為光伏農業(yè)系統(tǒng) 內部光環(huán)境的評價指標 并通過式 1 2 計算 第 23 期張 龍等 光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無花果產量影響分析295 H 3 400 3 968 6 150 1 000 光伏陣列板下 種植區(qū)域 北 North 光伏陣列板間 種植區(qū)域 光伏板 Photovoltaic panel 混凝土預制樁 Precast concrete pile 斜支撐架 Inclined support frame 監(jiān)測場景Monitoring scene Planting area under the PV panels Planting area between the PV panels 注 數(shù)據(jù)單位 mm H 為光伏組件鋪設高度 m Note The data unit mm H represents the vertical distance between the lower edge of the photovoltaic module and the ground m 圖2 試驗測點布置圖 Fig 2 Layout of test points Rd 1k k k 1 Eink 1k k k 1 Eoutk 1 Ravg 1j j j 1 Rdj 2 式中Ein為內部太陽輻射強度的測量值 W m2 Eout為外 部太陽輻射強度的測量值 W m2 Rd為試驗期間日采光 率 Ravg為試驗期間平均采光率 k為太陽輻射 強度數(shù)據(jù)日記錄條數(shù) j為試驗天數(shù) d 1 3 2 作物產量 光合特性 為探究光伏組件遮陰對作物產量和光合特性的影響 本研究對光伏農業(yè)系統(tǒng)內部無花果產量和葉片光合特性 進行測定分析 本試驗以光伏組件鋪設高度為試驗因素 設置H2 5 H3 2 H3 9共3種處理 以露天種植為對照 CK 在每個高度下選取5棵生長狀況良好 具有代 表性的果樹進行掛牌 試驗的所有處理在同一塊大田 氮 磷 鉀肥用量相同 試驗期間除施肥外 不涉及其 他農藝措施 在產量對比試驗中 于9月份果實成熟期對每個處 理的掛牌果樹進行一次性采收并統(tǒng)計果數(shù) 同時在每個 處理下各選取果樹外圍中部長勢一致且無病蟲害的成熟 果實15個 并現(xiàn)場進行單果質量等產量構成指標測定 在光合參數(shù)對比試驗中 于9月份果實成熟期使用 LI COR 6800型便攜式光合儀 LI COR公司 美國 測 定無花果樹冠面中間位置葉片的光合特性 光合儀參數(shù) 設定為環(huán)境溫度25 相對濕度為50 光量子通量強 度為1 000 mol m2 s CO2濃度為400 mol mol 測定 系統(tǒng)采用開放式氣路 自然光源 每個處理選取長勢一 致 生長良好的3棵果樹 重復3次 取均值 測定的 葉片光合參數(shù)包括凈光合速率 Pn 氣孔導度 Gs 蒸騰速率 Tr 和胞間CO2濃度 Ci 1 4 數(shù)據(jù)處理 光伏組件鋪設高度對無花果產量及葉片光合特性的 影響采用單因素方差分析 差異顯著性檢驗采用Duncan 新復極差法 根據(jù)云量的觀測情況和日照時數(shù) 將試驗 期間的天氣類型劃分為晴天 陰天和雨天 28 采用 Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行計算和繪圖 采用SPSS 20統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析 2 光伏組件遮陰寬度的確定方法 2 1 光伏組件遮陰寬度定義 為研究光伏組件在光伏農業(yè)系統(tǒng)內形成的陰影寬度 現(xiàn)將遮陰寬度d進行如下定義 單側光伏組件在光伏陣 列間隔處地面上的投影寬度 OP 如圖3所示 為明確受光伏組件尺寸和鋪設高度等因素影響的光 伏組件遮陰寬度計算方法 提出如下假設 1 光伏組件 只對直射光產生阻擋 散射光在陣列內部任一個方向上 具有相同的輻射強度 2 兩側光伏組件之間種植區(qū)同一 時間內只受單側或雙側光伏組件遮陰的影響 3 陣列尺 寸 光伏組件數(shù)量不受限制 光伏陣列長度在東西方向 上無限延伸 4 光伏組件的結構 材料一致且透光率默 認為0 5 光伏組件上下對稱截面為寬度忽略不計的矩 形 6 光伏陣列的垂直立剖面與正南方向的夾角 方位 角 默認為0 2 2 光伏組件遮陰寬度計算方法 太陽高度角h是指太陽直射光線入射方向與地平線 的夾角 h可由式 3 計算求得 29 sinh sin sin cos cos cos 3 式中 為當?shù)乇本暰暥?為太陽赤緯角 為太陽時角 太陽赤緯角 可由式 4 計算求得 30 23 45 sin 360 284 N365 4 式中N為日序數(shù) 當日期是1月1日時 N 1 1 N 365 時間角度 可由式 5 計算求得 30 296農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2024 年 H O h A P B N X Y Z 光伏板 Photovoltaic panel 混凝土預制樁 Precast concrete pile s W 注 A為光伏組件東北側頂點與太陽光線的交匯點 B為太陽光線透過A點 在地面上的投影點 O為A點在地面上的垂直投影點 P為B點在Y軸上的 垂直投影點 W為單側光伏組件的寬度 m H為光伏組件鋪設高度 m 為光伏組件的傾角 s為太陽方位角 h為太陽高度角 Note A represents the point where direct sunlight meet the northeast vertex of the photovoltaic PV panel B represents projection point on the ground of direct sunlight through point A O represents vertical projection point on the ground of point A P represents vertical projection point on the Y axis of point B W represents the width of the single side PV module m H represents the vertical distance between the lower edge of the PV module and the ground m represents the inclination angle of the PV panel s represents the azimuth of the sun h represents the altitude angle of the sun 圖3 光伏農業(yè)系統(tǒng)內部遮陰寬度的形成 Fig 3 The formation of internal shading width in an agrivoltaic system 15 Tr 12 5 式中Tr為真太陽時 Tr可由式 6 計算求得 Tr t 120 15 e60 6 式中t為北京時間 為當?shù)亟浂?時差e可由式 7 計算求得 e 9 87sin2A 7 53cosA 1 5sinA 7 式中A為常數(shù) A可由式 8 計算求得 A 360 N 81 364 8 太陽方位角 s 是指太陽光線在地平面上的投影與當 地子午線的夾角 s可由式 9 計算求得 29 cos s sin h sin sin cos h cos 9 為便于計算光伏組件在光伏農業(yè)系統(tǒng)內形成的陰影 寬度 本研究以光伏組件東北角邊緣點在地面上的垂直 投影點作為坐標軸原點建立了三維坐標系 如圖3所示 光伏陣列遮陰陰影的形成過程為 某時刻 太陽直射光 線以平行于AP的角度入射至系統(tǒng)內部 經光伏組件遮 擋后在地面形成實際陰影寬度OB 其在南北方向的投影 長度OP為光伏組件在兩排光伏陣列間隔處遮陰的寬度 Ls 根據(jù)太陽位置參數(shù) 地理位置參數(shù)和幾何關系 Ls可由式 10 計算求得 Ls W sin H coth cos s 10 3 結果與分析 3 1 光熱環(huán)境特性分析 3 1 1 太陽輻射強度 圖4顯示了3個光伏組件鋪設高度下光伏農業(yè)系統(tǒng)內 日平均太陽輻射與采光率的變化 H2 5 H3 2和H3 9 處理下 光伏陣列板間與板下2個種植區(qū)域日平均太陽 輻射強度變化范圍分別為51 6 432 7 28 4 82 3 W m2 47 6 439 2 33 4 108 6 W m2 40 3 448 5 34 9 113 5 W m2 平均采光率分別為 68 9 21 2 H2 5 65 2 24 1 H3 2 55 4 26 3 H3 9 由圖4 可見 在3種光伏組件鋪設高度下 光伏陣列板間種植 區(qū)域的平均太陽輻射強度和采光率隨著光伏組件鋪設高 度的增加而降低 光伏陣列板下種植區(qū)域相反 B U B U B U 0 0 太陽輻射強度 Solar radiation intensity W m 2 采光率Daylighting rate 太陽輻射強度 Solar radiation intensity W m 2 采光率Daylighting rate 太陽輻射強度測點 The measuring point of solar radiation intensity 100 80 60 40 20 300 250 200 150 100 50 H2 5 H3 2 處理Treatment H3 9 注 H2 5 H3 2 H3 9分別代表2 5 3 2 3 9 m的光伏組件鋪設高度 B 為光伏陣列板間種植區(qū)域 U為光伏陣列板下種植區(qū)域 Note H2 5 H3 2 and H3 9 represent the vertical height of the lower edge of the PV module from the ground which are 2 5 3 2 and 3 9 m respectively B represents the planting area between PV modules U represents the planting area under PV modules 圖4 光伏農業(yè)系統(tǒng)內部太陽輻射強度變化 Fig 4 Variation of solar radiation intensity in agrivoltaic systems 為深入了解不同光伏組件鋪設高度的光伏農業(yè)系統(tǒng) 內部光環(huán)境變化特征 本研究選擇晴天 7月12日 雨天 7月13日 和陰天 7月14日 的太陽輻射強 度數(shù)據(jù)進行分析 其逐時變化特征如圖5所示 數(shù)據(jù)顯 示 3種天氣條件下各測點曲線具有較高的一致性 均 呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定波動達到峰值 最后下降變?yōu)?的 變化趨勢 且各曲線峰值對應的時間節(jié)點基本一致 所 有測點的太陽輻射強度在12 00 14 00來回波動達到最 大值 晴天條件下 CK日平均太陽輻射強度為477 9 W m2 H2 5 H3 2 H3 9的光伏陣列板間和板下種植區(qū)域日 平均太陽輻射強度分別為336 8 75 8 W m2 323 3 84 2 W m2 315 4 90 5 W m2 由此可見 晴天條件下 3種光伏組件鋪設高度的光伏陣列板下和板間種植區(qū)域 采光率變化區(qū)間分別為21 5 24 7 66 1 70 5 故光伏陣列板間種植區(qū)域平均采光率比整體試驗期間略 高 光伏陣列板下種植區(qū)域相反 第 23 期張 龍等 光伏組件遮陰對光伏農業(yè)系統(tǒng)光環(huán)境及無花果產量影響分析297 3 2 光伏組件遮陰寬度計算 由式 10 可知 遮陰寬度會受到光伏組件寬度 光伏組件傾角 光伏組件鋪設高度 太陽高度角和太陽 方位角5個參數(shù)的影響 其中 太陽方位角 太陽高度 角受到光照時間 所在地理位置的影響 光伏組件寬度 和光伏組件傾角因發(fā)電效率 發(fā)電容量等客觀原因在同 一地區(qū)任一光伏農業(yè)項目上基本是固定的 而光伏組件 鋪設高度會因地形及防洪標高一致性等因素存在差異 基于此 本文從不同的地理位置和光伏組件鋪設高度這 兩個參數(shù)入手 計算分析其對光伏農業(yè)系統(tǒng)內光伏組件 遮陰寬度的影響 為了量化光伏組件遮陰的寬度 本文 在計算時間范圍上 取1個季度為1個時間跨度 共4 個跨度 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 2023 07 12 晴天Sunny day 雨天Rainy day 陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 露地對照區(qū)域Control area of the open field 板間種植區(qū)域Planting area between photovoltaic modules 板下種植區(qū)域Planting area under photovoltaic modules a 2 5 m 時刻Time 2023 07 12 晴天Sunny day雨天Rainy day陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 b 3 2 m 時刻Time 2023 07 12 晴天Sunny day雨天Rainy day陰天Cloudy day 2023 07 13 2023 07 14 0 1 200 1 000 800 600 400 200 06 00 12 00 18 00 00 00 06 00 12 00 18 00 06 00 12 00 18 0000 00 c 3 9 m 時刻Time 太陽輻射強度 Solar radiation intensity W m 2 太陽輻射強度 Solar radiation intensity W m 2 太陽輻射強度 Solar radiation intensity W m 2 圖5 不同天氣條件下不同光伏組件鋪設高度的光伏農業(yè)系統(tǒng) 內部太陽輻射強度變化 Fig 5 Variation of solar radiation intensity in agrivoltaic systems with different PV panel heights under different weather conditions 3 2 1 地理位置對遮陰寬度的影響 不同地理位置的經緯度不同 其中 經度會影響當 地真太陽 緯度會影響當?shù)靥柛叨冉?從而導致遮陰 寬度存在差異 由于無花果在江蘇 云南 陜西和湖南 等省份均有大面積種植 且4個省份的最低光伏組件鋪 設高度均為2 5 m 故選擇江蘇 云南 陜西和湖4個 省份 并以4個省份的省會城市為對象分析地理位置對 遮陰寬度的影響 暫不考慮光伏組件鋪設高度造成的影 響 即默認光伏組件鋪設高度為2 5 m 且不同地理位置 的光伏陣列尺寸與試驗光伏陣列相同 上述地區(qū)的光伏 組件遮陰寬度在整點時刻的平均值如表1所示 由表1 可見 光伏組件周年遮陰寬度整體呈現(xiàn)先下降再上升的 變化趨勢 變化差異明顯 在南京 無花果生育期內 4 9月 光伏組件遮陰寬度均值為0 81 m 最大值 出現(xiàn)在中午12 00 下午遮陰寬度均值較上午大0 13 m 在昆明 西安和長沙 無花果生育期內 4 9月 光 伏組件遮陰寬度均值分別為0 52 0 88和0 65 m 最大 值均出現(xiàn)在13 00 下午遮陰寬度均值較上午分別大1 17 1 24和0 69 m 同時結合4地地理位置可以發(fā)現(xiàn) 同 一時刻下不同地理位置的光伏組件遮陰寬度差異較大 且在無花果全生育期內光伏組件遮陰寬度隨緯度增大而 增大 3 2 2 光伏組件鋪設高度對遮陰寬度的影響 為研究不同光伏組件鋪設高度對遮陰寬度的影響 選擇2 5 3 2 3 9 m的3種光伏組件鋪設高度對遮陰寬 度進行分析 默認光伏陣列的結構參數(shù)除光伏組件鋪設 高度外均相同 由表1可見 當光伏組件鋪設高度越高 時 南京 昆明 西安和長沙4地在任一時間段內遮陰 寬度均越大 且下午遮陰寬度均值大于上午 無花果生 育期內 當光伏組件鋪設高度由2 5 m增高至3 9 m時 南京 昆明 西安和長沙4地遮陰寬度均值增幅分別為 34 0 34 0 34 2 和34 1 同時 以2 5 m的光伏 組件鋪設高度為例 無花果生育期內南京 昆明 西安 和長沙4地的最大遮陰寬度占光伏陣列板間種植區(qū)域寬 度的比例分別為34 6 25 5 36 9 和29 3 3 3 作物產量及光合特性分析 3 3 1 果實產量及其構成 光伏組件鋪設高度對無花果產量及其構成的影響如 表2所示 由表2可知 光伏農業(yè)系統(tǒng)內部各處理的產 量均顯著 P 0 05 低于露天對照 且光伏組件鋪設高 度對無花果產量及其構成指標的影響均達到顯著水平 P 0 05 與露天對照相比 H2 5 H3 2和H3 9的 產量分別減少了19 9 33 8 和48 9 由此可見 無 花果產量隨著光伏組件鋪設高度的增加而降低 H2 5較 H3 2和H3 9分別增產13 9 和29 0 在產量構成因素 方面 各處理的單果質量和果數(shù)均顯著 P 0 05 低于 露天對照 且各處理間差異顯著 P 0 05 與露天對 照相比 H2 5 H3 2和H3 9的單果質量分別降低了 13 4 22 6 和34 0 果數(shù)分別減少了7 4 14 3 和22 5 由此可見 H2 5的無花果單果質量和果數(shù)等 產量構成指標表現(xiàn)最優(yōu) 而H3 9的各產量構成指標表現(xiàn) 最差 298農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2024 年 表 1 不同光伏組件鋪設高度與地理位置對遮陰寬度的影響 Table 1 Effects of photovoltaic panels with different laying heights and geographical location on the shading width 月份 Months時刻Time 遮陰寬度 Shading width m 南京Nanjing 31 62 N 119 18 E 昆明Kunming 25 22 N 103 10 E 西安Xi an 34 10 N 108 40 E 長沙Changsha 27 90 N 112 53 E H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 H2 5 H3 2 H3 9 1 3 09 00 3 76 4 40 5 04 4 82 5 64 6 47 4 98 5 83 6 67 3 93 4 60 5 27 10 00 3 24 3 79 4 34 3 38 3 95 4 53 3 68 4 31 4 94 3 20 3 74 4 29 11 00 3 02 3 54 4 05 2 91 3 40 3 90 3 25 3 81 4 36 2 91 3 41 3 90 12 00 2 95 3 45 3 95 2 71 3 17 3 63 3 08 3 60 4 13 2 79 3 27 3 74 13 00 2 97 3 48 3 99 2 64 3 08 3 53 3 03 3 55 4 06 2 78 3 25 3 72 14 00 3 11 3 64 4 17 2 65 3 10 3 55 3 09 3 61 4 14 2 85 3 34 3 83 15 00 3 46 4 05 4 64 2 77 3 24 3 71 3 28 3 84 4 40 3 07 3 59 4 11 平均3 22 3 76 4 31 3 13 3 65 4 19 3 48 4 08 4 67 3 08 3 60 4 12 4 6 09 00 0 42 0 49 0 56 0 11 0 13 0 15 0 33 0 38 0 44 0 24 0 28 0 32 10 00 0 63 0 73 0 84 0 23 0 27 0 31 0 59 0 69 0 79 0 37 0 44 0 50 11 00 0 73 0 86 0 98 0 33 0 39 0 45 0 76 0 89 1 02 0 53 0 62 0 71 12 00 0 77 0 90 1 03 0 43 0 50 0 57 0 84 0 98 1 13 0 60 0 70 0 80 13 00 0 74 0 86 0 99 0 47 0 55 0 63 0 86 1 00 1 15 0 59 0 70 0 80 14 00 0 64 0 75 0 85 0 44 0 52 0 59 0 81 0 95 1 09 0 53 0 61 0 70 15 00 0 43 0 51 0 58 0 34 0 40 0 45 0 69 0 81 0 93 0 37 0 44 0 50 平均0 62 0 73 0 83 0 34 0 39 0 45 0 70 0 81 0 94 0 46 0 54 0 62 7 9 09 00 0 83 0 97 1 12 0 47 0 55 0 64 0 75 0 87 1 00 0 62 0 73 0 83 10 00 0 99 1 16 1 33 0 58 0 68 0 78 0 97 1 13 1 30 0 76 0 89 1 02 11 00 1 07 1 25 1 44 0 69 0 81 0 92 1 10 1 28 1 47 0 88 1 03 1 17 12 00 1 10 1 29 1 48 0 77 0 90 1 04 1 16 1 36 1 55 0 93 1 09 1 24 13 00 1 08 1 27 1 45 0 81 0 94 1 08 1 17 1 37 1 57 0 93 1 09 1 25 14 00 1 02 1 19 1 37 0 79 0 93 1 06 1 14 1 34 1 53 0 89 1 04 1 19 15 00 0 89 1 04 1 19 0 73 0 85 0 97 1 07 1 25 1 43 0 78 0 91 1 05 平均1 00 1 17 1 34 0 69 0 81 0 93 1 05 1 23 1 41 0 83 0 97 1 11 10 12 09 00 4 49 5 26 6 02 5 62 6 57 7 53 5 93 6 94 7 95 4 66 5 45 6 25 10 00 3 86 4 51 5 17 4 04 4 72 5 41 4 42 5 17 5 92 3 81 4 45 5 10 11 00 3 60 4 21 4 82 3 48 4 07 4 66 3 89 4 55 5 21 3 46 4 05 4 64 12 00 3 53 4 14 4 74 3 24 3 79 4 34 3 68 4 31 4 94 3 33 3 90 4 47 13 00 3 63 4 24 4 86 3 17 3 71 4 25 3 66 4 28 4 91 3 35 3 92 4 50 14 00 3 93 4 60 5 26 3 24 3 80 4 35 3 81 4 46 5 11 3 53 4 13 4 74 15 00 4 67 5 46 6 26 3 49 4 08 4 67 4 23 4 95 5 67 3 98 4 65 5 33 平均3 96 4 63 5 30 3 75 4 39 5 03 4 23 4 95 5 67 3 73 4 36 5 00 表 2 不同高度的光伏陣列對無花果果實產量及其構成的影響 Table 2 PEffects of PV panels with different laying heights on yield and composition of fig fruit 處理 Treatments 單果質量 Single fruit weight g 平均單株果數(shù) Average number of fruits per plant 果實產量 Fruit yield t hm 2