章榮國

隨著我國光伏扶貧工程的大面積推廣，農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)逐步出現(xiàn)了無法就地消納光伏電量的問題，大量光伏電量通過農(nóng)村地區(qū)較為薄弱的配電網(wǎng)反送至電網(wǎng)主網(wǎng)，對電網(wǎng)的網(wǎng)損和投資改造成本造成較大影響[1]，為此國務(wù)院在“十三五扶貧規(guī)劃”中提出農(nóng)村分布式電源應(yīng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的方向[2]，通過設(shè)施農(nóng)業(yè)用能與分布式電源供電相結(jié)合，負荷與電源同步發(fā)展，實現(xiàn)分布式電源與設(shè)施農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，并增強光伏發(fā)電效益，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供能源支撐。

目前光伏發(fā)電與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合的主要形式是光伏大棚[3-4]，該種方式目前已經(jīng)在不同地區(qū)和不同經(jīng)濟作物品種上開始了實踐，包括北方地區(qū)與南方地區(qū)不同氣候類型的省份[5-7]，作物品種包括傳統(tǒng)的蔬菜大棚和初步探索的香菇、茶樹及有機蔬菜[8-10]。而在大棚形式上包括較為常見的日光溫室和玻璃溫室，也包括新近探索的敞開式大棚，同時為了考慮用能與發(fā)電的匹配，初步開展了溫室用能智能控制[11]，以期探索互補消納模式[12]。

1 典型光伏大棚光伏布置方式

光伏大棚是在溫室或溫室周圍布置光伏發(fā)電設(shè)備，從而達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與光伏發(fā)電同步進行，設(shè)施農(nóng)業(yè)用能與光伏供電互補運行，但在具體布置形式上具有多種方案。較為常見的為玻璃溫室、日光溫室與敞開式3種方式。

1）玻璃溫室型光伏大棚

玻璃溫室在觀光農(nóng)業(yè)應(yīng)用較多，結(jié)構(gòu)較為堅固，通過與無邊框晶硅組件或薄膜組件的結(jié)合可有效開展光伏發(fā)電，但需要根據(jù)光伏發(fā)電調(diào)整朝向。同時要考慮光伏發(fā)電效益，不應(yīng)再采用外遮陽機構(gòu)。主要布置形式如圖1所示。

圖1 玻璃溫室型光伏大棚布置示意圖

2）日光溫室型光伏大棚

日光溫室是我國最為常見的設(shè)施農(nóng)業(yè)載體，在結(jié)構(gòu)上有著較大差別，包括竹竿骨架、焊管骨架及冷彎骨架。前兩者一般不適合用作光伏發(fā)電，在安裝光伏組件后所增加的風(fēng)荷影響溫室的結(jié)構(gòu)強度，一般采用冷彎結(jié)構(gòu)。

為了避免對光伏組件的遮擋，一般安置于后墻，如圖2（a）所示。對于該種方式布置的光伏大棚棚內(nèi)作物采光不存在影響，從安裝來看，可充分利用后墻通道或后墻腳手架，安裝簡便易于保證工程質(zhì)量。該種方式由于具有后墻維護通道，清掃和外觀檢查較為便捷，維護成本低。

在光伏大棚實踐中，該種方式還可用于種植菌類、有機蔬菜或育苗等方面，由于該類種植不需要較強的陽光，一次前坡可將薄膜或陽光板替換為無邊框組件，提高發(fā)電收益，在內(nèi)部配置補光設(shè)備保證作物正常生長。該種布置方式如圖2（b）所示。

圖2 日光溫室型光伏大棚布置示意圖

3）敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)

敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)從農(nóng)業(yè)角度看是一般光伏陣列與大田種植相結(jié)合的產(chǎn)物，該種方式可用于種植低矮的作物，如綠葉蔬菜、苗木或茶樹等，該種方式最有利于光伏組件布置，無需溫室調(diào)控，但該種方式不具備或較少具備光伏發(fā)電的消納能力，重點是保證發(fā)電效益，在未來面對高滲透率的農(nóng)村配網(wǎng)不具備競爭力，其布置示意圖如圖3所示。

圖3 敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)組件布置示意圖

2 單位面積光伏發(fā)電量比較

針對3種光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)形式，玻璃溫室的屋頂面積利用最為充分，發(fā)電效益最為顯著，而敞開式次之，日光溫室最低。

1）玻璃溫室型光伏大棚

該類溫室的光伏組件被布置于屋頂，鑒于原有的采光考慮，可不調(diào)整頂部傾角，直接布置組件，不會產(chǎn)生傾角對發(fā)電量的影響，但需要注意朝向，設(shè)計中要求組件正南朝向。該類方式由于日光溫室高度，無需考慮前方遮擋，面積利用率最為充分，每平米在65～95Wp之間，隨著緯度而有所變化。

2）日光溫室型光伏大棚

日光溫室具有兩種形式，在利用后墻方式情況下，每平米溫室的光伏裝機為 40Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米為20Wp，而如種植菌類采用前坡布置光伏組件，每平米溫室的光伏裝機為200Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米為100Wp。

3）敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)

該種方式類似于玻璃溫室型光伏大棚，前后兩排考慮遮擋因素，并考慮不同緯度下對前后間距的影響，每平米設(shè)施的光伏裝機在75～125Wp/m2。

通過發(fā)電量比較可知，以上3種光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的方式，敞開式的發(fā)電效益最好，對比情況見表1。

表1 光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合類型裝機比較表

3 投資效益分析

光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的投資效益包括發(fā)電設(shè)備投入、光伏發(fā)電效益、設(shè)施農(nóng)業(yè)投資成本與農(nóng)業(yè)種植收益4部分，其中光伏收益比較固定，其效益主要取決于單位面積的光伏裝機，裝機容量越大，發(fā)電效益越大，而農(nóng)業(yè)投資效益主要取決于溫室類型和種植作物類型。

本文以華北地區(qū)為例，考慮土地面積10畝，綜合對比不同形式光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合的投資效益。光伏收益在屋頂電價在1.05元/kW·h水平上按收益0.2元/kW·h計算。三類光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合方式共有4種實施方式，4種方式的比較見表2，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出來自4種環(huán)境下都能生長的葉菜，如生菜、油菜、雞毛菜等，表2中實際選用生菜。

表2 光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合方式投資效益比較

光伏裝機容量按表1中的每平米裝機容量與土地面積相乘得到，土地面積折合6667m2。

年發(fā)電收益B由式（1）計算得到

式中，S為裝機容量；T為年發(fā)電小時數(shù)，本例中取1200h；p為度電收益；此處按0.2元/kW·h計算。

玻璃溫室每平米投資為750元，日光（后坡）溫室每平米投資為350元，日光（前坡）溫室每平米投資為550元，敞開式每平米投資為100元。

農(nóng)業(yè)收入以生菜為例，市場收購價格為4元/kg，溫室可保證四季生長，敞開式為1年2季，但由于光伏組件遮擋，僅有50%面積可用。

綜合比較開看，玻璃溫室高投入高產(chǎn)出，但考慮到冬季供暖增加成本顯著，不宜推廣，而日光溫室投入產(chǎn)出效益適中，適合大范圍推廣，可根據(jù)市場情況選擇后墻或前坡布置方式。敞開式雖然發(fā)電效益現(xiàn)狀，但農(nóng)業(yè)收入較低，考慮到夏季除草成本，不建議大面積推廣。

4 結(jié)論

本文針對玻璃溫室、日光溫室及敞開式3種形式的光伏與農(nóng)業(yè)相結(jié)合方式進行了比較分析，3種方式中玻璃溫室的發(fā)電效益最高，但玻璃溫室的建設(shè)投資較大，冬季供暖需求大，投入產(chǎn)出比不高，而敞開式光伏農(nóng)業(yè)形式農(nóng)業(yè)產(chǎn)出較低，對更低利用不充分。綜合來看，日光溫室在光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)收益方面能夠較好結(jié)合，是目前最有前景的發(fā)展形式。

[1] 陳沛華, 趙會茹, 李娜娜. 分布式光伏電源并網(wǎng)影響與應(yīng)對措施[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(1)： 125-127.

[2] 國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”脫貧攻堅規(guī)劃的通知[Z]. 北京, 2016.

[3] 高紅敏. 淺析太陽能光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)大棚種植的結(jié)合[J]. 中國農(nóng)業(yè)信息, 2016(23)： 108-109.

[4] 黃勇. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在溫室大棚上的應(yīng)用[J]. 科技廣場, 2015(5)： 69-76.

[5] 茍鴻婭. 太陽能光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)大棚種植的結(jié)合[J].河南科技, 2014(19)： 174-175.

[6] 劉曉艷, 王玉輝. 湖北地區(qū)光伏農(nóng)業(yè)大棚項目技術(shù)方案特點[J]. 河南科技, 2015(19)： 108-110.

[7] 祁娟霞, 曹麗華, 李建設(shè), 等. 寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內(nèi)環(huán)境比較研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報,2017(3)： 414-420.

[8] 徐端平, 何勇, 馬帥, 等. 太陽能光伏聯(lián)棟大棚中香菇越夏模式試驗[J]. 食用菌, 2017(3)： 63-65.

[9] 孫立濤, 王漪, 薛慶營. 光伏大棚設(shè)施環(huán)境下茶樹生長情況研究與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù), 2015(31)：40-42.

[10] 新華社. 建光伏陰陽型大棚節(jié)能高效發(fā)展有機蔬菜[J]. 長江蔬菜, 2014(5)： 3.

[11] 苗鳳娟, 高玉峰, 陶佰睿, 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)與太陽能光伏的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科技通報, 2016(9)：89-92.

[12] 劉大志. 考慮分布式光伏接入的配電網(wǎng)增強方法研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(9)： 66-69.