河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化.pdf

中中 国国 瓜瓜 菜菜2024，37（3）：137-143试验研究收稿日期：2023-02-07；修回日期：2023-12-26基金项目：河南省高等学校青年骨干教师培养计划资助项目（2018GGJS270）；河南省高等学校重点科研项目（23B210008）作者简介：徐明磊，男，副教授，主要从事园艺作物生产和加工研究。E-mail：光伏温室是在农业温室基本功能上增加了太阳能发电、储电功能的新型农业温室，它既可以完成农业生产活动，又可以发电并网或把电能储存起来用于温室的增温、通风等辅助设施1。光伏温室的推广可以减少传统能源的消耗、缓解国家的能源短缺和当前环境污染的压力2。随着近年国家对光伏产业的重视和光伏技术的进一步发展，光伏农业必定是未来现代农业的发展方向之一。作物生长环境的光照、温度在植株健壮度、产量、品质等性状的表现中起着关键作用3。刘康妮DOI：10.16861/ki.zggc.202423.0057河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化徐明磊，孙亚楠（河南质量工程职业学院河南平顶山467000）摘要：为探究光伏温室冬季内环境的变化趋势和应用效果，以光伏温室、普通温室和露地栽培为研究对象，进行光照度、温度的动态变化研究和辣椒栽培试验。结果表明，3 种方式的光、温整体变化趋势一致，随天气和时间的变化而变动。典型晴天时光伏温室内的光照度比普通温室低 33.7%，光伏温室的温度比普通温室低 35.8%。差距最大时典型阴雪天气时光伏温室光照度比普通温室低 45.0%，光伏温室的温度比普通温室低 27.5%。栽培试验表明，辣椒株高光伏温室辣椒高于普通温室 17.83%，远高于露地。辣椒果实维生素 C 和可溶性固形物含量光伏温室分别比普通温室高 4.10%和 1.44%，但低于露地。3 种栽培方式的单株产量比较接近，综合分析，667 m2光伏温室早春辣椒种植收益约为 21 768 元，比普通温室高 8.77%（1756 元）。另外光伏温室在降低环境污染和缓解碳中和压力方面也具有重要意义。关键词：辣椒；光伏温室；冬季；内环境中图分类号：S641.3文献标志码：A文章编号：1673-2871（2024）03-137-07Dynamic changes of photovoltaic greenhouse environment in winter inHenan provinceXU Minglei,SUN Yanan（Henan Quality Polytechnic,Pingdingshan 467000,Henan,China）Abstract:To explore the changes and application effects of the indoor environment in photovoltaic greenhouses duringwinter,dynamic changes in winter light intensity and temperature were studied and pepper cultivation experiments wereconducted using photovoltaic greenhouses,ordinary greenhouses,and open field culture as research objects.The resultsindicate that the overall trend of light and temperature changes in the three modes is consistent and varies with weatherand time.On a typical sunny day,the light intensity of a photovoltaic greenhouse is 33.7%lower than that of a normalgreenhouse,and the maximum temperature difference is 35.8%lower than that of a normal greenhouse.On typical rainydays,the maximum light intensity of photovoltaic greenhouse is 45.0%lower than that of ordinary greenhouse,and themaximum temperature of photovoltaic greenhouse is 27.5%lower than that of ordinary greenhouse.The plant height ofcapsicum in photovoltaic greenhouse was 17.83%higher than that in common greenhouse,and much higher than that inopen field.The vitamin C content and soluble solid content of pepper in photovoltaic greenhouse were 4.10%and 1.44%higher than those in common greenhouse,and much lower than those in open field.There was no significant difference inyield per plant among the three cultivation methods.Based on comprehensive analysis,it can be concluded that the in-come from planting early spring chili peppers in a 667 m2photovoltaic greenhouse is approximately 21 768 yuan,whichis 8.77%（1756 yuan）higher than that in a regular greenhouse.In addition,it also has significant significance in reducingatmospheric pollution and alleviating carbon neutrality pressure.Key words:Pepper;Photovoltaic greenhouse;Winter;Internal environmen137中国瓜菜第37卷试验研究等4对普通温室光环境对作物生长的影响进行了研究，认为光照条件对作物产量有明显影响。朱桐5研究发现，蓄热处理对秋冬季节日光温室温度环境产生了显著影响，进而对番茄生长产生了显著影响。彭也6对光伏温室光温因素对草莓的生长进行了相关研究。目前国内光伏温室有了一定规模的应用，但对光伏温室冬季内环境系统开展的研究相对较少。在河南省许昌市郊区农业合作社开展光伏温室、普通温室和露地的光照、温度等环境因素动态变化的研究，以期获得光伏温室结构对温室内环境的影响效果。同时，通过光伏温室辣椒栽培试验，初步分析光伏温室在春早熟辣椒栽培中的经济表现，为光伏温室的推广应用提供参考。1材料与方法1.1试验温室情况试验地为许昌市郊区农业合作社，试验光伏温室为钢架日光玻璃温室，玻璃材料的直射透光率为85%，配套外覆盖的保温棉及卷铺设备。其上交叉间隔铺设总覆盖为 30%的光伏板，配套有蓄电池、逆变器等发电储电系统，温室内有通风、增温、补光设备7。光伏温室于 2020 年 11 月完成建设，2021年 1 月开展无光、热辅助的光伏温室内环境动态变化的研究。2021 年 11 月至 2022 年 8 月开展辣椒早熟栽培试验，进行辣椒性状表现的研究和经济效益初步分析。普通温室为砖墙 PEP 材质温室，透光率为 75%80%，后墙为双层砖墙之间夹设保温材料，墙体厚度在 0.470.58 m，跨度 12 m，脊高4 m，配备保温棉及卷放设备。2 种温室面积均为460 m2，相距 20 m 左右。露地选择温室临近地块。2 种温室辣椒栽培管理一致。1.2试验设计和方法在没有补光、补热辅助系统参与下对光伏温室、普通温室和露地 3 种研究对象开展光照和温度数据监测和采集。在光伏温室和普通温室的 4 个角落和中间共安放 5 个点的无线智能采集器（北京紫藤连线科技有限公司），露地安放 2 个无线智能采集器，按设定时间自动监测和采集光照、温度等数据。采集器设置高度为 1.2 m，四周的监测点距离温室边墙 2 m。数据采集仪器设置自动采集时间间隔为 10 min，不同采集点数据的平均数即作为该温室、该时间段的分析数据8。1.2.1冬季整月温室内环境变化研究观察和统计时间点为 11：00、12：00、13：00、14：00 的光照度，计算平均值即为该天的数值。对 2021 年 1 月份31 d 的光照度和监测的温度数据进行统计，分析 3种栽培条件光照度的动态变化和极端温度。1.2.2典型晴天温室内环境研究在 2021 年 1 月份中选取典型晴朗天气的一天，在 09：0016：00的时间范围内、间隔 20 min 统计分析光照度数据；在 07：00 至次日 07：00 之间，间隔 60 min 统计分析温度数据。以获得 3 种栽培条件下典型晴天光照度和温度的动态变化。1.2.3阴雪天气温室内环境研究从同期 1 月份中选取典型阴雪天气的一天，在 09：0016：00 的时间范围内、间隔 20 min 统计分析光照度数据；在07：00 至次日 07：00 之间，每隔 60 min 统计分析温度数据。以获得典型阴雪天气 3 种栽培条件的光照度和温度的动态分析结果。1.3辣椒生物学性状的分析选择耐弱光、耐寒、抗病、株型紧凑的豫杂 968（河南农业科学院提供）作为栽培品种进行春早熟辣椒栽培。在 12 月下旬开始育苗，3 月中、下旬定植于光伏温室和普通温室，在 5 月中旬即开始采收上市。露地栽培从 2 月初开始育苗，4 月下旬开始定植。普通温室和露地采用常规栽培技术9。在辣椒生育期 120 d 时，选 5 个典型位置的植株测定株高、茎粗等数据，计算平均值10，自始收期至采收末期统计单果质量、单株产量。在辣椒盛果期选取 5 个辣椒果实，采用 2，6-二氯靛酚滴定法测定维生素 C 含量；采用手持折光计测定可溶性固形物含量11，计算平均数。设 3 次重复。品质指标测定工作在河南质量工程职业学院农产品检验实验室完成。1.4数据统计与分析采用 Excel 2019 软件进行温室内环境指标动态变化数据的整理和折线图绘制，应用 SAS13.1 软件进行辣椒生长性状和品质性状的方差分析。2结果与分析2.11月份光伏温室内环境分析2.1.1光照度分析由图 1 所示，受天气影响该月份光照情况起伏很大，总体来说光伏温室、普通温室和露地的光照度变化趋势基本同步，随着晴天、阴雪、云层变化等天气情况而波动。晴天处于光照度的波峰（1、12、16、25、27 d 等），此时两种温室的光照度有相对较大的差异，且都远低于露地的光照度。连续雨雪天气光照度处于波谷（3、7、9、15、20138第3期，等：河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化试验研究15:402740.57416:0021.532.565图3.冬季晴天温度动态变化时间光伏温室 普通温室 露地147:006.922-1020.58:0016.510.4-11.59:001923-510:0036.540.5211:005256.514.512:00587323.513:00728125.57481.514:0037.441.526.515:006673290500010000150002000025000300003500040000450005000012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31光照度 Illuminance/lx光伏温室 Photovoltaic greenhouse普通温室 Ordinary greenhouse露地 Open field 日期 Date23 d 等），雨雪天气时两种温室的光照度相对接近，与露地光照度的差距也相对较小。1 月份光伏温室光照度最低为 2727 lx（7 d），最高为 19 937 lx（25 d）；普通温室光照度最低为 3091 lx（20 d），最高为23 755 lx（25 d）。光伏温室整体低于普通温室的光照度，相差最大为 6545 lx（12 d），达到 31.2%，相差最小为 1393 lx（7 d）。说明受光伏温室光伏板和建设结构的影响，其光照度明显低于普通温室和露地。2.1.2冬季极端温度分析对光伏温室、普通温室和露地的温度情况进行统计分析，结果如表 1 所示。监测到的最低气温，露地为-7.6，而覆盖有保温棉的光伏温室为 4.2，普通温室为 6.8，说明有温室材质和保温被覆盖的温室内温度远高于露地，且有保温墙体的普通温室效果更佳；光伏温室极端最高气温可达到 37.4 ，普通温室为41.5。作物生长对温度有严格的要求，如番茄在5 以下就停止生长。在实际生产中，温室室内最低温度的数值越高，其性能越好。说明普通温室的保温性能优于光伏温室，这可能是光伏日光温室的电伏板的遮挡造成的12。因而在河南地区的地理条件下配有保温棉的光伏温室，冬季内部温度能满足一般作物的生长需要。2.2冬季典型晴天内环境变化分析2.2.1冬季晴天光照度分析选择 1 月 25 日为典型晴天观测对象，在当天 09：0016：00 时间范围内，每隔 20 min 记录光照度数据进行分析，结果如图 2 所示。光伏温室、普通温室和露地的光照度在一天中的变化趋势基本一致，变化曲线呈抛物线形，光照度早、晚时较低，中午时段较高，在12：0014：00 达到光照度的最高值。在监测时间范 围 内，普 通 温 室 光 照 度 最 低 为 7854 lx（09：00），最高 为 32 130 lx（12：20）；光伏温室光照度最低为 6426 lx（09：00），最高为 26 275 lx（12：00）。光伏温室内的光照度整体上要低于普通温室，并且两种温室的光照度在早晨比较接近，中午和下午差距较大。二者相差最大时为 9636 lx（14：40），差距幅度达到 33.7%；相差最小为 1356 lx（09：20），差距幅度为 10.3%。11：40 光伏温室的光照度高于普通温室，是因为此时段普通温室中部分的测量仪器处于光伏温室结构的遮挡中。2.2.2冬季晴天温度分析同样以 1 月 25 日为观测对象，对 07：00 至次日 07：00 之间每间隔 60 min的温度数据进行分析，结果如图 3 所示（14：0016：00 温室放风）。光伏温室、普通温室和露地的温度变化趋势基本一致，呈现早晚较低、中午较高的抛物线形变化。13：0014：00 达到温度的最高值，温室 14：00 之前未开窗，所以气温变化趋势与露地相同。在 14：00 开始通风，温室内温度开始骤降，在 16：00 关闭通风窗后温室内温度降温明显减缓。在观测时间范围内，露地温度在-5.714.5 之表 11 月份不同温室最低和最高温度统计Table 1Statistics of temperature in different greenhousesin January温度Temperature最低温度Minimum temperature/最高温度Maximum temperature/光伏温室Photovoltaicgreenhouse4.237.4普通温室Ordinarygreenhouse6.841.5露地Open field-7.616徐明磊，等：河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化图 12021 年 1 月份光照度动态变化Fig.1Dynamic change of illumination in January 202150 00045 00040 00035 00030 00025 00020 00015 00010 0005 0000139中国瓜菜第37卷试验研究-1001020304050温度Temperature/时间 Time光伏温室Photovoltaic greenhouse普通温室Ordinary greenhouse露地Open field culture01000020000300004000050000600009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00光照度Illuminance/lx时间 Time光伏温室Photovoltaic greenhouse普通温室Ordinary greenhouse露地Open field culture间，已经不能满足植物生长的正常需要。普通温室温 度 最 低 为 10.4 （08：00），最 高 为 41.5（14：00）；光伏温室温度最低为 6.9 （07：00），最高为 37.4 （14：00）。光伏温室的温度整体上要低于普通温室，相差最大为 9.5 （17：00），差距程度达到 35.8%；相差最小为 2.1 （10：00），差距程度为 10.1%。2.3冬季典型阴雪天气内环境分析2.3.1冬季阴雪天气光照度分析1 月 7 日为连续阴雪天气的第 5 天，具有典型的代表性，对该天09：0016：00 之间每隔 20 min 的光照度进行分析，结果如图 4 所示。光伏温室、普通温室和露地的光照度变化趋势基本一致，随着云层和雨雪情况而震荡起伏，如在 12：40 达到光照度的最高值，13：00又大幅度下降，整体中午高，早晚较低。一天中普通温室光照度最低为 485 lx（09：00），最高为6945 lx（13：20）；光伏温室光照度最低为 323 lx（09：00），最高为 4780 lx（13：20）。光伏温室内的光照度整体上要低于普通温室，并且两种温室的光照度在早晨比较接近，中午和下午差距较大，相差最大为 3068 lx（12：40），差距程度达到 45%；相差最小为162 lx（09：00）。阴雪天气较低的光照度不单对温室图 2冬季晴天光照度动态变化Fig.2Dynamic change of illumination on sunny days in winter图 3冬季晴天温度动态变化Fig.3Dynamic change of temperature in sunny days in winter60 00050 00040 00030 00020 00010 000009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0011：0013：0015：0017：0019：0021：0050403020100-1003：0005：0007：0023：0007：0009：0001：00140第3期，等：河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化试验研究-505101520温度Temperature/时间 Time光伏温室Photovoltaic greenhouse普通温室Ordinary greenhouse露地Open field culture内作物的生长发育造成影响，还会影响光伏板发电。2.3.2冬季典型阴雪天温度分析同样对 1 月 7日典型的冬季阴雪天监测温度动态变化，在 07：00至次日 07：00 之间每隔 60 min 的温度数据进行分析，获得结果如图 5 所示。阴雪天气中，光伏温室、普通温室和露地的温度变化趋势基本一致，受天气实时变化影响呈现波浪形，在 11：0013：00 之间温度较高。普通温室温度最低为 11.4 （07：00），最高为 17.1 （12：00）；光伏温室温度最低为9.3 （07：00），最高为 13.9 （11：00）。光伏温室的温度整 体 上 要 低 于 普 通 温 室，相 差 最 大 为4.7 （12：00），差距程度达到 27.5%；相差最小为05000100001500020000250009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00光照度Illuminance/（LUX）时间 Time光伏温室Photovoltaic greenhouse普通温室Ordinary greenhouse露地Open field culture图 4冬季阴雪天光照度动态变化Fig.4Dynamic change of illumination on overcast and snowy days in winter图 5冬季阴雪天温度动态变化Fig.5Dynamic change of temperature in cloudy and snowy days in winter1.6 （10：00），差距程度为 11.9%。2.43种栽培方式辣椒生物学性状的比较分析2.4.1生长性状分析株高、茎粗等生物学性状是作物健壮生长和取得理想经济效益的基础3，光伏温室和普通温室由于结构特点造成内环境有一定的差异。在各栽培类型植株的生育期 120 d 左右时，光伏温室辣椒株高高于普通温室 17.83%，远高于露地栽培辣椒，且都达到显著差异水平；光伏温室辣椒茎粗显著高于普通温室 14.58%，普通温室显著高于露地。2.4.2品质性状分析维生素 C 和可溶性固形物含量是影响辣椒果实品质的重要性状之一9，由表 2光照度Illuminance/lx徐明磊，等：河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化25 00020 00015 00010 0005 000009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0009：0011：0013：0015：0017：0019：0021：0023：0001：0003：0005：0007：0020151050-507：00141中国瓜菜第37卷试验研究可知，露地辣椒果实的维生素 C 含量显著高于光伏温室辣椒（12.69%）；光伏温室高于普通温室 4.10%，且二者差异不显著。可溶性固形物含量同样是露地辣椒显著高于光伏温室辣椒（20.75%）；光伏温室辣椒可溶性固形物含量高于普通温室，但二者差异不显著。可能是在开花、结果期露地辣椒的光照优势和温差因素促进了果实内含物质的积累。2.4.3产量性状和经济效益分析辣椒为喜热中光性作物，温度低于 12 或高于 35 均不适宜生长，长期 5 以下会造成一定冷害。过强的光照对辣椒的生长和结果有一定的抑制作用，温室和覆盖物的遮挡对夏季高强度光照有一定的缓解13。在生物性状、品质性状等方面的分析结果如表 2 所示，光伏温室辣椒平均单果质量显著低于普通温室（10.84%），比露地高 3.74%。普通温室辣椒单株产量比光伏温室高 1.29%，比露地高 3.15%，3 种方式的单株产量间差异不显著。普通温室、光伏温室和露地的辣椒，折合 667 m2表 2辣椒生物学性状比较Table 2Comparison of biological characters of pepper栽培方式Cultivation pattern光伏温室Photovoltaic greenhouse普通温室Ordinary greenhouse露地 Open field株高Plantheight/cm141.924.15 a120.442.11 b92.521.35 c茎粗Stemdiameter/cm2.200.02 a1.920.03 b1.560.01 cw（维生素 C）Vitamin Ccontent/（mgkg-1）816.645.45 b784.453.24 b920.274.36 aw（可溶性固形物）Soluble solidcontent/%4.240.09 b4.180.05 b5.120.85 a单果质量Single fruitmass/g132.001.34 b148.052.05 a127.240.78 b单株产量Yield perplant/kg3.880.05 a3.930.03 a3.810.02 a产量分别为 5003、4939 和 4850 kg，而温室早熟辣椒 2022 年 5 月上市的批发价格在 6 元 kg-1以上，最终以中间值 4 元 kg-1为计，露地辣椒 6 月底上市批发价格在 2 元 kg-1左右。因而，初步核算 667 m2销售收入普通温室约为 20 012 元，光伏温室约为19 756元，露地约为9700元，普通温室略高于光伏温室。在不考虑基本温室成本的前提下分析春早熟辣椒的成本和收益。河南地区 460 m2温室的光伏系统升级成本为 38 200 元，设计使用寿命为 25 年，每年平均分摊成本1528元。一年发电量约3645kWh，计 2916 元（每 kWh 0.8 元）7，因而河南地区 460 m2光伏温室的年发电收益为 1388 元，计 667 m2为2012 元。所以 667 m2光伏温室早春辣椒种植收益约为 21 768 元，比普通温室高 8.77%（1756 元）。3讨论与结论光伏温室是光伏发电和农业温室种植的结合，可同时进行光伏发电和农业生产，具有缓解温室内的温度骤变、生产清洁能源、提高土地利用率等优势14。光伏温室的农业调控生产和发电并网销售可使温室的造价每平方米减少 40%50%，大大减少了温室的建设投入成本15，这与本研究中辣椒单季收益光伏温室比普通温室高 8.77%的结论较为符合。利用光伏发电提供绿色能源可以减少化石能源消耗，且光伏发电的碳排放量几乎为零，可以大大减少能源行业对大气环境的污染，实现碳排放的减少并缓解碳中和压力16。光伏温室由于光伏板和建筑结构的特点必将对其光照、温度等内环境造成影响，在冬季表现尤甚17。文献报道辣椒、番茄等常规蔬菜种类基本在5 以下停止生长，20 以上生长较为适宜18。本研究结果显示，在河南地区冬季光伏温室的光照度和温度低于普通温室，但在保温棉的保护下光伏温室最低温度点为 4.2，晚上的温度也多在 5 以上，能满足一般蔬菜作物的生长所需。光伏温室的发电功能和配套的储能功能可以调控白天与黑夜、晴天与阴雪天的能源分布不均性14，针对喜温作物的反季节栽培或豫北地区，如需要冬季晴天补热，建议在 04：007：00 补温效果最佳，连续阴雨天气的补热在 11：0013：00 配合相对的天气高温效果最佳。光伏设施可以使温室内环境的人为调控能力得到提高，有研究报道早春辣椒可以提前至 4 月份上市19。蔬菜栽培效果的评价由多个作物性状决定，产量在经济效益中占比较大20。光伏温室内的早春栽培辣椒在株高、茎粗等生长性状方面具有突出优势，在果实品质方面的表现明显差于露地栽培、优于普通温室，产量方面光伏温室稍次于普通温室。这些区别可能与光伏温室中光伏板的遮盖、春夏高温天气时温室的温度特性等有关。普通温室、光伏142第3期，等：河南地区光伏温室冬季内环境的动态变化试验研究温室和露地栽培的早春辣椒，综合分析销售收入和光伏发电收入，667 m2的光伏温室早春辣椒种植收益约为 21 768 元，比普通温室高 8.77%。但是辣椒收获期达 3 个月甚至更长，其间价格波动较大，且由于当时疫情限制，很难准确比较 3 种模式的具体效益。具体准确的收益和成本分析需要在以后的研究中选取一个完整采收销售期实地统计分析。参考文献1蒋宁，侯立娟，李辉平，等 光伏温室大棚中猴头菇高产栽培技术J 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