賈 龍，韓 華，王浚峰，彭英霞，魏傳祺，刁小南，馮躍進

(北京農(nóng)業(yè)機械研究所 北京京鵬畜牧科技股份有限公司，北京 海淀 10094)

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生態(tài)養(yǎng)殖

淺談薄膜太陽能電池在現(xiàn)代化豬場設計中的應用

賈 龍，韓 華，王浚峰，彭英霞，魏傳祺，刁小南，馮躍進

(北京農(nóng)業(yè)機械研究所 北京京鵬畜牧科技股份有限公司，北京 海淀 10094)

低碳與標準化的綠色養(yǎng)殖是我國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢。畜牧場一般建在郊外、遠離居民區(qū)、采用單層設計，采光條件相對較好，因而合理利用太陽能是節(jié)約能源，發(fā)展低碳養(yǎng)殖的一種很好途徑。與其他養(yǎng)殖業(yè)相比，現(xiàn)代化的豬場已變成資金密集、耗能密集、工廠化生產(chǎn)的行業(yè)，大大方便了分布式太陽能電站的合理規(guī)劃與建設，發(fā)出的電能可以就地使用，減少并網(wǎng)難度。薄膜太陽能電池是近年來出現(xiàn)的一類新型的光伏材料，具有成本低、可塑性好、能與建筑物完美匹配等特點。因此，將薄膜太陽能電池和豬舍的建設的完美結合是一種很好途徑。本文綜述了薄膜太陽能電池的分類、優(yōu)勢、在豬舍的合理建設及面臨的外部發(fā)展環(huán)境等，期望為低碳化、標準化的豬場設計提供參考。

太陽能；薄膜；豬場建筑；低碳養(yǎng)殖

規(guī)?；B(yǎng)豬已逐漸成為我國養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展的主要趨勢，隨著設備的不斷增多，規(guī)模化豬場對電能的需求逐漸增加，不論是豬舍的通風降溫、清洗消毒、糞污處理、飼料投送，還是養(yǎng)殖人員的生活均需要大量電力供應[1]。規(guī)?；i場大多建設在郊外[2]，種豬場距離居民點、工廠和其他牧場至少2 km，商品場則至少1 km，具有很好的屋頂及側墻采光條件，而且大多是單層結構，利于太陽能光伏設備的合理規(guī)劃和安裝，因此利用太陽能發(fā)電是一種很好的途徑。薄膜太陽能電池是近年來發(fā)展的一種新的光伏系統(tǒng)，是在塑膠、玻璃或金屬基板上形成可產(chǎn)生光電效應的薄膜，其厚度僅需數(shù)微米，在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量，成本也隨之減少，但是其仍然具有較好的轉化效率，目前規(guī)?；慨a(chǎn)的光電轉化效率可達到10%～13%[3-4]。此外薄膜太陽能電池具有很好的可塑性，可與建筑物結合或變成建筑體的一部份，所以薄膜太陽能電池在光伏建筑一體化、大規(guī)模低成本發(fā)電站等許多領域都得到應用和推廣[5]。在農(nóng)業(yè)領域，光伏農(nóng)業(yè)就是將太陽能發(fā)電與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機械動力等過程相結合形成的新型農(nóng)業(yè)。例如以塑料作為基板制成的光伏大棚，正在各地興起[6-7]。隨著全球化石能源的消耗和氣候的變化，發(fā)展節(jié)能與環(huán)保的綠色養(yǎng)殖是我國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的必然趨勢。養(yǎng)豬業(yè)是我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的主流產(chǎn)業(yè)，薄膜太陽能電池在豬舍的設計和使用可以節(jié)約大量煤電消耗，實現(xiàn)豬場的無碳化經(jīng)營，使畜牧場不僅成為肉類產(chǎn)品的供應者，也成為能量的生產(chǎn)者。

1 薄膜太陽能電池的分類

薄膜光伏的種類很多，也有很多不同的分類方法。薄膜光伏按材料的不同可劃分為CdTe(碲化鎘)薄膜、CIGS(銅銦硒鎵)薄膜、硅基薄膜、GaAs(砷化鎵)薄膜、InP(磷化銦)薄膜、色素敏化染料薄膜和有機導電高分子薄膜等[8]；按安裝的載體不同，薄膜光伏可劃分為光伏建筑一體化薄膜(BIPV)和附著在建筑物上的薄膜(BAPV)。BIPV是將光伏和建筑建設在一起，直接用薄膜光伏代替建筑材料。比如在雙層玻璃中封裝剛性的薄膜太陽能電池組件，根據(jù)需要制作成不同的透光率后，可以部分代替玻璃幕墻，也可以用不銹鋼和聚合物襯底等柔性材料制成薄膜光伏屋頂?shù)取IPV在建筑外立面和屋頂?shù)陌惭b避免了現(xiàn)有玻璃幕墻的光污染問題，能代替建材，同時發(fā)電又節(jié)能環(huán)保，所以BIPV將成為未來城市利用光伏發(fā)電的主要方向。BAPV是目前薄膜光伏發(fā)電的一種普遍形式，是將薄膜發(fā)電組件通過簡單的支撐結構附著在建筑物上，去除薄膜發(fā)電組件后，建筑原有的功能仍完整。因此，BAPV薄膜的主要特點是與建筑物的功能不發(fā)生沖突，不破壞建筑物本身的結構。也正因為如此，現(xiàn)有的大型工業(yè)廠房和建筑物，甚至普通民居的屋頂，均可在簡單改造后安裝薄膜發(fā)電系統(tǒng)，成為安裝型薄膜發(fā)電建筑[9-10]。

2 薄膜太陽能電池用于豬舍的優(yōu)勢

與晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池具有以下優(yōu)勢：1)安裝在豬舍的屋頂，不占用土地，節(jié)約土地資源?，F(xiàn)代大多數(shù)豬舍的屋頂采用彩鋼板結構，屋頂鋪設薄膜光伏后還能保護彩鋼板的結構，延長使用年限；2)薄膜光伏提供了一種分布式的發(fā)電方式，方便與電網(wǎng)并聯(lián)，減少了長距離輸電，節(jié)約了配電費用，安全高效；3)薄膜太陽能電池較少使用晶體硅材料，相對于高昂的晶體硅材料來說大大降低了成本。據(jù)測算，即使在5 MW的生產(chǎn)規(guī)模下，非晶硅薄膜太陽能電池組件的生產(chǎn)成本為1.5美元/瓦以下，而單線產(chǎn)能達到40 MW～60 MW甚至更高的全自動化生產(chǎn)線，其產(chǎn)品生產(chǎn)成本則更低。相對于晶硅國際市場銷售價格而言，其利潤空間可見一斑。轉換效率為10%的非晶硅太陽能電池，其產(chǎn)生的電約每天1.5度/瓦，發(fā)電后能量回報的時間約為1.5年，這是晶硅太陽能電池無法比擬的。4)弱光性能和溫度性非常好。隨著溫度升高，晶硅電池的轉換率會降低，當超過25 ℃時晶硅的轉化效率就開始逐漸下降。而薄膜光伏，如碲化鎘電池等，溫度系數(shù)非常好，甚至隨著溫度的上升其轉化率反而升高。其次就是弱光性好，在早晨和下午光線較弱的時候，或者遇到風沙、霧霾的時候薄膜電池也可以發(fā)電；5)對豬舍夏季具有很好的遮陽作用和吸熱作用，薄膜光伏安裝在豬舍屋頂后能有效地吸收太陽的能量，給豬舍帶來遮陽效應，居民樓屋頂鋪設薄膜光伏后能使夏季屋頂內表面溫度降低2～3 ℃，預計能使豬舍的彩鋼板內表面降降低3～5 ℃，能有效節(jié)約夏季豬舍環(huán)控的用電[11]；6)可以根據(jù)需要做成不同的透光率。現(xiàn)代化豬場設備不斷增多，導致豬普遍無法見到陽光，影響母豬的發(fā)情、仔豬的生長發(fā)育，也會使豬疾病發(fā)生明顯增多。薄膜做成大棚后可以部分代替彩鋼瓦屋頂，保證母豬正常發(fā)情、仔豬生長和減少疾病的發(fā)生等。

3 薄膜太陽能電池在豬場的設計

3.1 薄膜太陽能電池的安裝形式

薄膜光伏的安裝方式有平屋頂、斜屋頂、遮陽板、光伏幕墻、光伏天棚等(圖1所示)[12]。從發(fā)電效益看，平屋頂和斜屋頂可以按照最佳的角度安裝，可以采用標準的光伏組件，與建筑物不發(fā)生沖突，因此是最經(jīng)濟的方式。遮陽板也可以采用標準的光伏組件，但是安裝成本比較高。光伏幕墻和光伏屋頂符合BIPV的要求，除發(fā)電功能外還要滿足幕墻力學、美學和安全的要求，難以按照最佳的角度發(fā)點，因此經(jīng)濟效益偏低。考慮到豬舍不要求美觀的特點，而且現(xiàn)在大多數(shù)豬舍是人字坡型的斜屋頂，因此薄膜安裝方式以斜屋頂為宜。由于母豬需要一定的光照才能保證正常發(fā)情，所以配種舍可以考慮用光伏天棚直接代替屋頂。薄膜光伏與地面的夾角不同，在同樣面積下所發(fā)的電量也不同，所以要結合建筑物的要求選擇合適的安裝角度，北方地區(qū)以15～35度為宜。安裝薄膜組件時應在滿足豬場用電的條件下，盡量安裝在豬舍屋頂?shù)南蜿栆粋?，這樣可以使發(fā)電的效益最大化。

圖1 薄膜光伏的不同安裝方式

3.2 薄膜太陽能電池系統(tǒng)的組成

薄膜光伏系統(tǒng)由薄膜光伏電池組件、功率控制器、逆變器、蓄電池以及負載等部件組成。薄膜光伏組件將太陽能轉化成直流電流，功率控制器防止光伏電池組件對負載過放電，逆變器將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉變?yōu)榻涣麟?，使光伏系統(tǒng)發(fā)出的電可以并入電網(wǎng)或供給用電器使用[13-14]。薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)。獨立系統(tǒng)所產(chǎn)生的電流直接供給負載使用，多余的電能儲存在蓄電池中。并網(wǎng)系統(tǒng)是直流電通過并網(wǎng)逆變器轉換成符合電網(wǎng)規(guī)定的交流電之后直接接入城市電網(wǎng)，與獨立系統(tǒng)不同，并網(wǎng)系統(tǒng)的主要目的是并網(wǎng)發(fā)電。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)適合采用獨立系統(tǒng)，而大型光伏發(fā)電站普遍采用直接并網(wǎng)系統(tǒng)。規(guī)?；i場的夏季用電量一般按每頭基礎母豬每天需1～1.5度電計算，冬天按每頭基礎豬每天消耗0.2～0.5度電計算。規(guī)?；i場夏季用電主要是通風降溫系統(tǒng)，用電高峰期在上午10點到下午3點天氣最熱的時候，冬季用電主要是保育豬的采暖，豬場夏季和冬季用電量的發(fā)電趨勢如圖2所示。規(guī)?；i場這些環(huán)境控制設備一般由智能化自動控制系統(tǒng)控制，可以根據(jù)溫度調節(jié)風機和水簾的開啟數(shù)量和時間。根據(jù)集約化養(yǎng)豬場建設標準，豬場每頭存欄母豬需12～18 m2，附屬建筑需附屬建筑需2～3 m2，由于豬舍的人字坡頂背陰側安裝薄膜太陽能電池后發(fā)電效率不高，所以豬場建筑面積適合利用一半。以河北地區(qū)為例，年平均太陽能輻射平均約1 500 kw·h/m2，按10%的光電轉化效率計算，從表1可以看出豬場的發(fā)電量不僅完全滿足豬場用電需求，還有大量富余?？紤]到并網(wǎng)的難度，對于500頭基礎母豬以上的豬場適合采用并網(wǎng)系統(tǒng)，白天使用薄膜所發(fā)的電量，并把多余的電供給電網(wǎng)，晚上則使用電網(wǎng)電量。對于500頭基礎母豬以下的豬場則可以采用獨立系統(tǒng)，通過白天所發(fā)的電可以儲存在蓄電池中，晚上用蓄電池中的電，發(fā)電系統(tǒng)的設計以滿足自身的需求為宜，同時也必須與電網(wǎng)連接，以防止設備出現(xiàn)故障。

圖2 豬場夏季和冬季每天用電量和薄膜太陽能電池的發(fā)電量變化趨勢

豬場規(guī)模(基礎母豬數(shù))Piggeryscale(Populationofsows)每天用電量Amountofdailyelectricityconsumption/(KW·h)冬季W(wǎng)inter夏季Summar總建筑面積/m2Constructionarea年太陽輻射量/(萬kw·h)Annualsolarradiation年理論發(fā)電量/(萬kw·h)Annualelectricityproduction25050-100200-3754980-5260370-39037-39500100-250400-75010090-10420750-78075-78750150-350600-112514180-145101060-1080106-1081000200-500800-150019310-196401450-1470145-1471250250-6001000-187523780-241601780-1810178-1811500350-7501200-225028240-286202120-2150212-2152500550-12502000-375045200-459003390-3440339-344

4 建造成本和效益分析

目前薄膜光伏安裝費用約8～9.5元/瓦，其中光伏組件費用約4～4.5元/瓦、支架費用約0.5元/瓦、逆變器費用為0.4元/瓦，其余為安裝并網(wǎng)費用。1 000頭基礎母豬的豬場建筑面積為19 310～19 640 m2，以采光條件較好的陽側全部鋪設薄膜，則可以建造約1MW的光伏，總投資約800～950萬元[15]。

薄膜系統(tǒng)的發(fā)電量，理論年發(fā)電量=年平均太陽輻射總量×電池總面積×光電轉換效率。根據(jù)太陽能輻射的強弱，我國可劃分成四個區(qū)，養(yǎng)豬企業(yè)多分布在二類地區(qū)，如河北、河南、陜西、山東、東三省等，這一地區(qū)的年輻射量在(1 000～2 050)kw·h/m2之間，則1 000頭基礎母豬的豬場每年發(fā)電量約為100萬度。畜牧場是農(nóng)業(yè)用電，按照每度電0.55元計算，國家補貼0.42元，則8～10年可收回成本。與同等電量火電廠相比，每年可節(jié)約標準煤5 400 t，減少二氧化硫排放120 t，減少氮氧化物排放30 t。

5 外部環(huán)境和國家政策

我國現(xiàn)階段主要發(fā)電是煤電，隨著煤炭資源的不斷消耗，煤電成本將會不斷上升。而太陽能是源源不斷的資源[14]，隨著光伏發(fā)電技術的日益進步，光伏發(fā)電產(chǎn)品的成本正以每年5%～10%的速度下降，而光伏轉換效率則以每年0.2%左右的速度遞增。隨著發(fā)電成本的逐漸下降，其效益日漸顯現(xiàn)出來，預計到2020年光伏發(fā)電成本可下降至0.4元/(k·h) 左右，與煤電成本相當[16-18]。

為應對日益惡化的全球氣候的變化和資源危機，我國政府在2009年承諾，到2020年單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，為此大力鼓勵太陽能發(fā)電。2012年國家能源局制定了《太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出至2015 年我國分布式光伏發(fā)電裝機規(guī)模將達到20 GW，并陸續(xù)出臺了一系列政策。財政部在2013年也發(fā)布了《關于分布式光伏發(fā)電實行按照電量補貼政策等有關問題的通知》，健全了補貼和發(fā)放機制，確保補貼及時足額發(fā)放。國家發(fā)改委2013年8月發(fā)布《關于發(fā)揮價格杠桿作用促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，對分布式光伏發(fā)電按照全電量補貼，電價補貼標準定為每度0.42 元。國家電網(wǎng)公司也出臺《關于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務工作的意見》，全面服務分布式發(fā)電入網(wǎng)[19-20]。

6 展 望

當前，薄膜太陽能電池在農(nóng)業(yè)領域逐漸被應用，最常見的是"薄膜太陽能光伏大棚"，自2009年國家啟動"金太陽工程"支持光伏建筑發(fā)展以來，全國已有近30個"光伏農(nóng)業(yè)生態(tài)園示范點"，且許多都實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。但是薄膜大棚存在著一定的先天不足，如大棚大多是由農(nóng)民經(jīng)營，前期的大規(guī)模投資使農(nóng)民難以接受，光伏大棚的發(fā)電量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用電量不相匹配，發(fā)電的同時可能影響植物的生長等情況。與光伏大棚相比，大型豬場已變成資金密集型、工廠化生產(chǎn)的企業(yè)，豬場本身用電量很大，因此有著巨大的電能需求。而光伏在豬場的應用能在夏季有效的吸收太陽能量，幫助豬舍降溫。光伏在養(yǎng)殖基地的應用逐漸從邊遠地區(qū)的滿足照明需求，然后逐漸發(fā)展。2009年以后逐漸興起了光伏生態(tài)養(yǎng)殖，2013年河北定州國香建起全國首個光伏屋頂“養(yǎng)豬場”，2014年新余養(yǎng)豬場建成江西首個豬場屋頂光伏電站。

因此，光伏發(fā)電與養(yǎng)殖業(yè)相結合是一條很好的途徑，在當前國家政策的推動下，憑借薄膜太陽能項目自身蘊藏的巨大經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，相信將來肯定具有可觀的發(fā)展前景。

[1] 王楚端,孫德林,黃若涵.出現(xiàn)在養(yǎng)豬業(yè)的新能源[J].豬業(yè)科學,2013(1):11-11.

[2] 田小芬,晏 波,荀紹雄.規(guī)模養(yǎng)豬場選址初探.中國畜牧獸醫(yī)文摘[J], 2014(1):26-27.

[3] 崔淑卿,陳 娟,楊蘇榮.我國太陽能發(fā)電前景分析[J].內蒙古科技與經(jīng)濟, 2009(17):77-78.

[4] 張伯泉,楊宜民.風力和太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國電力, 2006(6):65-69.

[5] 田春寧,李瀟瀟.光伏發(fā)電技術與建筑結合的設計應用[J].水電與新能源, 2012(2):70-73.

[6] 鮑順淑,楊其長,聞 婧.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在植物工廠中的應用初探[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報, 2008(5):71-74.

[7] 劉 輝,傅巧娟,沈國正.杭州市薄膜光伏太陽能大棚應用現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].浙江農(nóng)業(yè)科學, 2012(6):782-787.

[8] 周麗梅.銅銦鋁硒(CIAS)與CdS、ZnS薄膜光伏材料的研究[D].大連：大連交通大學, 2012.

[9] 錢伯章.薄膜光伏發(fā)展概述[J].化工新型材料,2008,36(10):54-55.

[10] 劉清芬,劉雨晨.淺談光伏建筑一體化建筑[J].建材·裝飾, 2014(6):42-43.

[11] 張志強,康國青.屋頂敷設薄膜光伏板對室內空調節(jié)電和環(huán)境效益分析[J].建筑熱能通風空調,2013(6):52-54.

[12] 陳江恩,孫 杰,馮 博,等.光伏建筑一體化項目不同安裝方式的案例分析[J].建筑節(jié)能,2014(4): 35-38.

[13] 韓群勇.邊遠山區(qū)畜禽養(yǎng)殖場光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計[J].漳州職業(yè)技術學院學報,2012, 14(2):17-19.

[14] Zhao H R, Guo S, Fu L W, et al. Review on the costs and benefits of renewable energy power subsidy in China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014(37):538-549.

[15] D. Abbott. Keeping the energy debate clean: how do we supply the world's energy needs. Proceedings of the IEEE，2010(98):42-66.

[16] 周四清,馬超群,李林.太陽能光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理論研究思考[J].科技進步與對策, 2007, 24(7):88-90.

[17] Felipe M, Jan K. Soiling losses for solar photovoltaic systems in California [J]. Solar Energy, 2013(95):357-363.

[18] Li Y G, Li Y, Pan W G. Benefit Assessment of Solar Photovoltaic Industry in China [J]. Advanced Materials Research, 2012(11):608-609.

[19] Zhao Z Y, Zhan S Y, Hubbardc B, et al. The emergence of the solar photovoltaic power industry in China [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013(21):229-236.

Application of Thin-film Solar Cells in Modern Pig Farm Designing

JIA Long，HAN Hua，WANG Jun-feng，PENG Ying-xia，WEI Chuan-qi，DIAO Xiao-nan，F(xiàn)ENG Yue-jin

(BeijingKingpengGlobalHusbandryTechnologyCo.,Ltd,BeijingAgriculturalMachineryInstitute,Haidian,Beijing10094,China)

Standardized Green breeding with low carbon trends widely in china. Generally, livestock sheds are single-layer, located away from the residential areas, receive relatively favorable natural lighting, therefore reasonable use of solar energy prove efficient for development of energy saving and low carbon breeding industry. Compared with other farms, modern pig farms have been capital intensive, energy intensive and factory production, which greatly facilitate the reasonable designing of distributed solar power station and the generated electricity can be used by the farm itself, reduce the difficulty of connection to the grid. Thin-film photovoltaic (pv), as a new photovoltaic material with characteristics of low cost, good plasticity and perfect matched to the building, are feasible for construction of the piggery. This article summarized the classification of thin-film photovoltaic, their superiority and reasonable construction in piggery to provide reference for designing low carbon and standardized pig farms.

solar；thin film； pig farm construction；low carbon

2014-10-29，

2014-12-24

國家科技支撐計劃(2014BAD08B07)；北京市科技計劃(D141100003814002)

賈 龍(1988-),男，河北石家莊人，碩士，主要從事豬場工藝設計和動物遺傳育種。E-mail：xinongjialong@163.com

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0069-05