农业大棚与光伏阵列的遮挡与光照互补分析

农业大棚与光伏阵列的遮挡与光照互补分析 本质上，所有的物理问题都是时间与空间问题的交织。随着每天太阳的东升西落，物体的影子则是颠倒着自西向东，这个规律大家再熟悉不过的啦。但大家注意过没有，其实在夏天的时候，日出及日落的某个时段，太阳其实是在你屁股后面的（前提是你面向正南方），更准确的描述是从春分至秋分这个时段，其实在日出与日落的某个时段，太阳是处在观察者的北面。这里举这个例子，只是要告诉大家，其实很多事情，就跟太阳在南边这个常识性认识一样，细究的时候，是有问题的。 下面讨论一个更现实的问题。光伏项目中的遮挡，时下这个问题可以有各种各样的模拟软件可以分析，可以通过多种方式展示结果，图文并茂，视频可能也有，似乎这已经不是问题了。但软件给出的结果是依据人给他设定的模型来计算的，而不能代替人去创造性的去设计；也就是软件只是辅助设计，而设计的中心依旧是人，创造的核心也必须是人。软件之所以能分析，是因为我们给其设定条件，输入模型，然后他才会替你去做分析。说白了软件就是帮你把已有的构想数字化，在模拟时空里跑了一趟，然后把结果尽可能明白的展示给你、展示给客户。但是软件不会分析你这个模型的优劣好坏，缺陷有无。再完美的软件也不能将一个粗糙的模型给你算出一个完美的结果，哪怕软件的模拟结果形式上再漂亮、数字再完美。换句话说，你还得努力的去建立模型，分析模型，而不是随便捡个模型，丢给软件，就能得到一个完美的结果。现在还是回到一个现实问题。农光结合问题中遮挡与反射问题。为了分析更清晰，先讨论遮挡问题。遮挡问题农光结合，最好的事当然是农业大棚不遮挡光伏阵列+光伏阵列不遮挡农业大棚，但也不允许浪费土地（哪怕下面是沙漠，也是要缴租金的，更何况农光结合的土地，恐怕也不会便宜到哪去） 。光伏阵列不遮挡农业大棚，这个很容易，确实可以用现有的多种软件去模拟，因为光伏阵列的外形很简单，他的阴影也就很简单了，这种遮挡本质上跟光伏阵列前后排的遮挡是一样的。但是农业大棚对光伏阵列的遮挡则就没有这么简单了，或者说很复杂，因为农业大棚他的拱形真的有很多种选择，在没有分析之前也确实不知道这拱上的哪个点会遮挡后面的光伏阵列，哪种拱形的阴影影响要小点。农业大棚（其实也不排除一些小棚），无非是由一段曲线作为拱顶，撑在地上或者通过另一段直线或曲线撑到地上。这些拱顶曲线可以是一段圆弧、一段三次函数、一段二次曲线、又或者一段对数曲线。而那段将拱顶撑离地面的曲线，可以是直线或曲线，当然作为受压撑杆，直线杆还是靠谱些（压屈失稳的可能性最低）。每个区域在确定了光伏阵列方位角之后，阵列前方障碍物的阴影影响也就确定了，或者说障碍物的阴影长度（更准确的说是南北向分量）与障碍物的高度之比也就确定了。为了后面描述不拗口，后面文章里阴影长度就是指阴影长度的南北向分量。而且通过模拟软件也确实可以模拟出这个高长比的最大值冬至日大约上午9点或下午3点的那个值，不妨在此先定义这个最大高长比定义为k。那么是不是可以将那道冬至日上午9点的阳光的南北分量（子午分量），用一次函数：y=kx+h来描述。 K：阳光的南北向斜率 X：阳光距离阵列前沿的距离 h: 阵列前沿高度 y：在x距离上阳光高度显然农业大棚的龙骨的拱形曲线在子午面上的投影，只要不跟上面那条直线y=kx+h相干涉，那么就不会有农业大棚对光伏阵列的遮挡。当然如果不设定边界条件，不考虑现实的空间有限与农业种植的需求，要满足上面那个干涉最简单的办法就是加大二者间的距离或者保守的压缩大棚的高度。但现实条件却是在有限的土地面积上挤满了PV阵列与农业大棚，而且还要避免彼此间的遮挡；同时不能为了遮挡，而不去顾及农业大棚的种植高度需要。怎么解决这个问题，还是得从基本的几何学与导数入手，分析各种农业大棚龙骨拱形的变化规律，选出一种比较好的拱形（既保证农业大棚内部的高度、空间，也保证不对后面PV阵列造成遮挡）。以下分析各种拱形：1、 圆：（以原点为圆心的圆）曲线方程 x2+y2=c2 （C是半径） 第一象限内，可以表示成函数y = （c2 - x2）1/2 函数导数y、= x3-C2x = （X2-C2）X 函数二阶导数Y”=3X2-C2 2、三次函数：曲线函数 y=ax3+bx2+c函数导数y，=3ax2+2bx函数二阶导数Y”=6aX+2b3、二次函数： 曲线函数 y=ax2+bx+c 函数导数y，=2ax+b 函数二阶导数Y”=2a4、对数曲线：曲线函数 y=logax+c = klnx+c （令lna = k 0）函数导数y，=k/x函数二阶导数Y”= -k/X2对比以上4个函数的导数，可以感觉到在X1或者时（这也是大部分光伏阵列与前排大棚之间所留过道宽度的常取值），这几个函数值变化剧烈程度。下面做一对比分析 1 、圆函数的导数是一个3次函数2、 三次函数的导数是一个2次函数3、 二次函数的导数是一个1次函数4、 补充一个一次函数的导数是个定值5、 对数函数的函数是一个倒数函数。 显然，在最高点以及与地面交点确定后，等X1时，这几个函数的导数有大小关系，那就是3次函数2次函数1次函数常数导数函数，就像1.23k1.22k1.2kkk/1.2（k0）。导数的大小，直接反映了函数变化率的大小，也就反映了农业大棚龙骨曲线从跨中到跨边高度变化率的大小。更直接的说，那就是龙骨从跨中到跨边导数越大，龙骨高度降低的越迅速，棚内空间就越小。要保证棚内空间，又要保证不对北面光伏阵列造成遮挡，就应该选择导数最小的函数，那就是对数函数。反射补光上面分析了遮挡问题，下面分析反射补光问题。这里分两个方面来讨论，一方面是组件反光对农业大棚内农作物采光的补充，另一方面是农业大棚的反光对光伏阵列采光的补充。先讨论第一个方面 ，光伏阵列对农业大棚的补光作用。现在的光伏组件处于提高效率的需要，其表面玻璃都经过多道技术手段处理，其反射率是极低的；另一方面，因为装设角度受制于场地限制，同时又直接关乎到电站的结构安全与发电效率，基本上也是确定的。因此光伏阵列的反光作用，对大棚阵列的补光作用也就是基本确定的，没有多大的空间去提高这一块。最多在过道里采取一些手段，在特定的时段对农业大棚进行补光。 现在讨论另一个方面，农业大棚对光伏阵列的补光作用。薄膜敷设的农业大棚，其对光线的透过率是根据材料不同在很大范围内波动的，但总体来说，其反射率还是很可观的；大棚表面是起伏不平的，同时薄膜表面的平整度也是很粗糙的，这决定了其对光线的反射里漫反射占到一定的量；棚顶是拱形的，其对光线的反射有发散作用，而且曲率越大反射的发散作用就越强。对于薄膜的透光率与反射率以及对特定波长光线的透过率与反射率，这些在建棚之前就根据种植需要已经确定，后期的改动也是根据种植需要做调整；当然局部增强反光也是可以考虑的。薄膜的表面平整度这是受加工工艺跟成本控制的，提高表面平整度会带来成本的迅速增加，得不偿失；同时在自然环境下的风吹、日晒、雨淋、灰尘杂物的粘附，造成的表面粗糙效应也远大于出厂的表面粗糙度，看来控制表面粗糙度意义不大。棚顶平整度的优化。大棚薄膜与龙骨组成的其实是一个膜系统，这个系统的强度与刚度，是依赖于膜的张力与龙骨的压力。由于受到薄膜强度的限制（其实还是优化成本的需要），龙骨的跨度不能太大，每跨之间都需要有绑缚来增加膜的张力，进而实现系统的整体强度与刚度可靠。着就导致，膜在龙骨位置凸起，而龙骨与龙骨之间的跨中则会凹陷，从而形成周期性的凸起与凹陷。换句话说这样的波状起伏，是由结构的受力特点所决定的。拱形的优化问题。拱形曲线上每点的切线与法线是垂直的，二者之间倾角差90，这就导致在曲线切线斜率增大的时候，曲线法线斜率的绝度值在减小；曲线切线斜率减小的时候，曲线法线斜率在增大。北侧棚面的外法线均是朝北上方的，而大多数有效日照时间里，太阳光的入射光则是自南斜向下的（其倾角大于棚面外法线倾角），二者倾角只差就是阳光的入射角；可知在曲线斜率较小的时候，曲线法线的斜率较大，也就是法线的倾角较大，在阳光倾角确定的情况下，阳光的入射角就小，反射角也就越小；在确定的曲线长度上，反射角最大值到最小值之间的跨度也小，换句话说反射光线的平行性就要好一些，发散性就要弱一些，对于光伏阵列的补光救强一些。这一分析与凸面镜的反光特点是一致的，那就是曲率越大，其对平行光线的反射发散性越强。可见选用曲率较小的对数曲线棚在反光补光上也是有益的。同时说明一点，较小的入射角其实对光线的投射也是有益的。下面做数学分析拱形的法线y=fx x+A拱形的切线y=-1/fx x+B阳光的入射角y=kx+C令f（x）=tan（a），a即是拱形上某点的外向法线斜率 a+/2是拱形上该点的切线的斜率令k=tan（）， 即是阳光的倾角则阳光与曲线外向法线的夹角，即是入射角=-a显然，a越小，则越大；a越大，则越小。在入射阳光平行的状态下，要得到不太分散的反射光线，就应该选择较小的值，这又要求有较大的a，即要求有较大的法线斜率，而这又反过来要求有小的切线斜率，这是因为tan(a)增大，