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二、光伏＋農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要研究方向

溫室環(huán)境是非線性、分布參數(shù)、時(shí)變、大時(shí)延、多變量耦合的復(fù)雜控制系統(tǒng)，溫室中栽培不同作物則需要不同的生長(zhǎng)環(huán)境。因此，控制特定作物達(dá)到需要的生長(zhǎng)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜課題。不但需要作物栽培專家的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要控制技術(shù)方面專家的經(jīng)驗(yàn)。特別是光伏發(fā)電的引入，電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維的專家的經(jīng)驗(yàn)。

因光伏組件在溫室南向坡的覆蓋，將引起溫室環(huán)境的變化。引起溫室內(nèi)輻照、溫濕度、作物蒸騰作用的變化。針對(duì)因此引起的上述的問(wèn)題，建議系統(tǒng)研究的問(wèn)題如下。

2.1 光伏溫室室內(nèi)輻照建模及分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)理論認(rèn)為太陽(yáng)直接輻射中的光合有效輻射系數(shù)為影響作物成長(zhǎng)的主要因數(shù)。

太陽(yáng)直接輻射中的光合有效輻射系數(shù)，即直接輻射中的光合有效輻射與太陽(yáng)直接輻射之比，隨太陽(yáng)高度角的增大和大氣混濁度的減小而增高。其比值隨時(shí)間的變化在晴天快，一般早晚低，正午前后高而穩(wěn)定，夏季高，冬季低。例如某地：晴朗的冬季，當(dāng)太陽(yáng)高度從10°增加到45°時(shí)，光合有效輻射系數(shù)由0.35增加到0.45；夏季則由0.47增加到0.48。散射輻射中的光合有效輻射系數(shù)基本上不隨太陽(yáng)高度角改變，但在晴陰不同的天氣類型下，卻存在一定變化，并比直接輻射中的光合有效輻射系數(shù)偏大，介于0.50～0.60之間。

光合有效輻射可用儀器直接測(cè)定。為取得太陽(yáng)直接輻射和散射輻射與光合有效輻射之間的比例系數(shù)，可將日射儀或天空輻射表和光合有效輻射儀進(jìn)行同步觀測(cè)，計(jì)算出日、月、季和年的系數(shù)值及其相互關(guān)系。

對(duì)綠色植物生長(zhǎng)發(fā)育有作用的輻射波長(zhǎng)范圍較光合有效輻射波長(zhǎng)范圍為寬,大致在300～800納米范圍內(nèi)，為生理輻射。

因光伏組件的覆蓋后，溫室內(nèi)從南向至北向的光合有效輻射系數(shù)將逐漸減小，針對(duì)上述系數(shù)的確認(rèn)，目前可通過(guò)軟件進(jìn)行模擬，再根據(jù)經(jīng)典太陽(yáng)輻射理論完成上述參數(shù)的計(jì)算。如追求數(shù)據(jù)的精確性，也可在試驗(yàn)光伏溫室內(nèi)由南向北布置多組輻射儀完成上述參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。最終形成溫室內(nèi)光合有效輻射系數(shù)梯度分布圖。

2.2 農(nóng)作物適應(yīng)性分析

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而沒(méi)有光便沒(méi)有光合作用。光強(qiáng)與光合作用關(guān)系呈雙曲線型。光強(qiáng)與光合作用關(guān)系會(huì)因植物群體的繁茂程度而有明顯差異。不同的植物光—光合作用曲線不盡相同。

在自然條件下，植物葉片所接受的光強(qiáng)，會(huì)因?yàn)樵茖拥挠袩o(wú)以及風(fēng)速等因素的變化而產(chǎn)生差異。而在光伏溫室中，因光伏組件的遮擋，溫室內(nèi)每天的輻射強(qiáng)度均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。同時(shí)，有理論認(rèn)為：“強(qiáng)光—弱光”緩慢交替會(huì)在一定程度上提高植物的光能利用率。

在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光合作用強(qiáng)度隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定的強(qiáng)度后，光合作用強(qiáng)度不再相應(yīng)地增強(qiáng)，而是趨近于一條漸近線，這種現(xiàn)象稱為光飽和現(xiàn)象。這個(gè)光的臨界點(diǎn)稱為光飽和點(diǎn)。

若光強(qiáng)高于光飽和點(diǎn)，不僅不會(huì)使植物光合作用強(qiáng)度增強(qiáng)，反而會(huì)導(dǎo)致葉溫升高、氣孔關(guān)閉，葉綠素鈍化、分解、破壞及植物組織灼傷，使光合作用強(qiáng)度下降。

所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)光強(qiáng)過(guò)高時(shí)光—光合作用曲線會(huì)呈拋物線狀。植物的光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度達(dá)到相等時(shí)的光強(qiáng)值稱為光補(bǔ)償點(diǎn)。

不同植物（喜陰、喜陽(yáng)、C3、C4），同一作物的不同品種，同一品種不同發(fā)育期及不同部位的葉片光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)不同。同時(shí)，光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)還因溫度、水分、CO2濃度等因子的不同而變化。

結(jié)合2.1節(jié)的分析結(jié)論，不同的光合有效輻射系數(shù)對(duì)植物的生長(zhǎng)的不同時(shí)期、不同植物的生長(zhǎng)均會(huì)產(chǎn)生不同影響。應(yīng)設(shè)置對(duì)照溫室（無(wú)光伏組件覆蓋），完成不同植物、不同植物的各生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)特性的分析。為滿足植物健康生長(zhǎng)的前提下，提出光伏溫室內(nèi)人工鈉燈補(bǔ)光、光伏組件優(yōu)化布置、光伏組件制造工藝優(yōu)化的措施。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)上述問(wèn)題，尚未形成系統(tǒng)性研究成果，鮮見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

2.3光伏溫室溫濕度系統(tǒng)建模與分析

根據(jù)2.2節(jié)的分析：光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)還因溫度、水分、CO2濃度等因子的不同而變化，因此需對(duì)光伏溫室溫濕度系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)此問(wèn)題研究較多，并取得了豐碩成果。本文引用對(duì)此問(wèn)題深入研究的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李晉2007年碩士畢業(yè)論文《試驗(yàn)溫室溫濕度系統(tǒng)建模研究》（研究依托課題：863計(jì)劃課題“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)研究”（2004AA247020，2004.3.1-2005.10.10））的幾個(gè)主要結(jié)論：

1）機(jī)理建模是溫室小氣候系統(tǒng)建模最基本的方法，國(guó)內(nèi)外研究人員多年來(lái)一直在進(jìn)行這方面的研究，取得了豐碩的成果。機(jī)理模型能夠清晰地解釋溫室小氣候的物理本質(zhì)，可以模擬一定條件下的溫室小氣候系統(tǒng)，從而為溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)與管理提供有效指導(dǎo)，但也存在很多明顯的局限性。機(jī)理模型未知參數(shù)多，測(cè)量這些參數(shù)需要昂貴的儀器，試驗(yàn)成本高；有些參數(shù)的測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量方法不易被廣大農(nóng)民掌握；由于不同類型溫室結(jié)構(gòu)和材料不同、溫室材料老化或損壞、作物生長(zhǎng)變化、種植作物種類或種植方式改變等原因，溫室小氣候系統(tǒng)是時(shí)變的，而機(jī)理模型可移植性差、自適應(yīng)性差。因此，利用機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)溫室小氣候在線建模和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控難度很大。

2）溫室小氣候具有強(qiáng)非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合、強(qiáng)干擾、時(shí)變等特點(diǎn)，當(dāng)分別采用ARMAX和ARIMAX兩種線性自回歸滑動(dòng)平均模型描述多輸入單輸出的溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng)時(shí)；選擇溫室外溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和風(fēng)速作為模型擾動(dòng)輸入變量，選擇溫室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度作為模型輸出變量；采用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)和模型擬合度分析相結(jié)合的方法確定模型結(jié)構(gòu)；采用漸消記憶遞推增廣最小二乘法（RELS）在線辨識(shí)模型參數(shù)，并構(gòu)造智能監(jiān)督級(jí)監(jiān)控在線參數(shù)辨識(shí)過(guò)程；最后對(duì)4輸入或3輸入（忽略風(fēng)速）的ARMAX或ARIMAX相互組合共4種模型的在線建模及仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

試驗(yàn)溫室溫濕度系統(tǒng)漸消記憶遞推增廣最小二乘（RELS）在線建模方法，在局域范圍內(nèi)用帶有擾動(dòng)輸入的線性自回歸滑動(dòng)平均模型近似描述非線性時(shí)變的溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng)，在線辨識(shí)模型參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的變化，具有較好的通用性和自適應(yīng)性。在線建模的優(yōu)點(diǎn)，使得能夠以此為基礎(chǔ)更好地設(shè)計(jì)溫室小氣候計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在線建模方法以及基于在線建模的溫室控制策略有可能在溫室生產(chǎn)中應(yīng)用。

3）為進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)溫室溫濕度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性（特別是非線性和時(shí)變特性）的實(shí)時(shí)跟蹤效果，其進(jìn)一步采用了一種非線性函數(shù)擬合方法—加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)回歸（WLS-SVMR）進(jìn)行在線建模。這種方法采用非線性模型——SVMR 決策函數(shù)描述溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng)；選擇溫室外相對(duì)濕度、溫室外溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫室外風(fēng)速（可忽略）作為模型擾動(dòng)輸入變量（4輸入或3輸入），選擇溫室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度作為模型輸出變量；采用WLS-SVMR方法在線辨識(shí)非線性模型參數(shù)；最后將加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)回歸（WLSSVMR）方法和基于智能監(jiān)督級(jí)的漸消記憶遞推增廣最小二乘（RELS）方法的在線建模及仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，上述兩種（WLSSVMR、RELS）在線建模方法都能夠較好地實(shí)時(shí)跟蹤溫室小氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的變化，具有較好的通用性和自適應(yīng)性，但前者的效果優(yōu)于后者。這些優(yōu)點(diǎn)使我們能夠以此為基礎(chǔ)更好地設(shè)計(jì)溫室小氣候計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題的研究可為將來(lái)光伏溫室內(nèi)農(nóng)作物種植的多樣性提供一定的理論基礎(chǔ)。避免目前光伏溫室主要種植菌類等喜陰作物。值得慶幸的事，目前國(guó)內(nèi)各農(nóng)業(yè)相關(guān)行業(yè)企業(yè)對(duì)此進(jìn)行了積極的探索。如通威集團(tuán)基于自身產(chǎn)品資源優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，不斷嘗試各類光伏農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，取得了一定了積極效果。