何士威 胡辰 劉妍 郭涵語 王晨晨

摘 要： 起源于明代后期的“?；~塘”是對能量充分利用的典范，如今“?；~塘”這一模式已成為了集多種循環(huán)類型為一體的、完整的生態(tài)系統(tǒng)。本項目在傳統(tǒng)模式的桑基魚塘系統(tǒng)上融入光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，以達(dá)到提高能源利用率，減少成本，增加收益。使新型系統(tǒng)更加環(huán)保，低碳，經(jīng)濟(jì)的目的。

關(guān)鍵詞： ?；~塘；光伏發(fā)電；能源；可持續(xù)發(fā)展

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201610370022）

引言

“?；~塘”于明代后期興起，于廣東省珠江三角洲地區(qū)，是珠三角勞動人民在長期生產(chǎn)勞動中創(chuàng)造出來的一種特殊耕作模式。這種獨具地方特色的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式的出現(xiàn)絕非偶然，主要原因是在當(dāng)時這里地少人多，而這種農(nóng)業(yè)模式可以吸納更多的勞動力，又有極高的經(jīng)濟(jì)效益。在全球商品貿(mào)易大潮的推動下，它一步步走向成熟，最終成為理想的生態(tài)農(nóng)業(yè)典范。

但是由于進(jìn)30年來市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的觀念不斷地被商品價值觀沖擊，?；~塘逐漸被人們認(rèn)為是產(chǎn)值落后的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，種桑養(yǎng)魚的收入低下，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代人們的經(jīng)濟(jì)需求。故此?；~塘漸漸消逝了，以往興旺的盛況不在，老一輩的“漁工”“蠶娘”也相繼老去。年輕人大多急于追求做最現(xiàn)實的利益，不愿意將自己的時光投身于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的復(fù)興上。

那么我們真的要看著這樣的傳統(tǒng)文明沒落下去嗎？我想這不僅是一個產(chǎn)業(yè)的衰退，更是一種資源循環(huán)利用可持續(xù)發(fā)展觀念的確實?，F(xiàn)如今科技的發(fā)展迅猛，在新能源開發(fā)方面更有重大突破，那么我想可以是否用科技帶動傳統(tǒng)，在此間喚醒哪似乎已經(jīng)陷入沉睡了的對資源循環(huán)利用的美好觀念。

新能源是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀(jì)中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。從能源利用的國際發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代能源的角色進(jìn)入電力市場。預(yù)計到2030年，光伏發(fā)電在世界的總發(fā)電量中將占到5%-20%。

1、?；~塘

陸地種桑，塘里養(yǎng)魚蠶沙（蠶糞）喂魚，塘泥肥桑，栽桑、養(yǎng)蠶、養(yǎng)魚三者結(jié)合，形成桑、蠶、魚、泥互相依存、互相促進(jìn)的良性循環(huán)，避免了水澇，還可以加入沼氣池，為系統(tǒng)提供燃料，沼氣渣可以做肥料。營造了十分理想的生態(tài)環(huán)境，收到了理想的經(jīng)濟(jì)效益，對資源達(dá)到了多重利用，同時減少了環(huán)境污染。?；~塘模式圖（生態(tài)原理）如圖1所示，其特點如下：

2、光伏發(fā)電

光伏發(fā)電其實就是太陽能發(fā)電的一種，其直接能量來源就是太陽。這里是指利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。其核心元件是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池有很大的應(yīng)用前景，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點。而且使用壽命長，只要有太陽的存在，太陽能電池就可一次投資長期使用。而且相比較其他發(fā)電方式而言，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。

基于以上描述，可以考慮在?；~塘系統(tǒng)中加入光伏發(fā)電的系統(tǒng)，利用魚塘水面，在豐富的養(yǎng)殖水面上架設(shè)光伏組件進(jìn)行發(fā)電，形成上可發(fā)電下可養(yǎng)魚的創(chuàng)新發(fā)展模式，既能充分利用空間節(jié)約土地資源，又能利用光伏電站調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，還能優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)改善環(huán)境，并可提高單位魚塘產(chǎn)量增產(chǎn)增收，在水產(chǎn)養(yǎng)殖和光伏產(chǎn)業(yè)上實現(xiàn)領(lǐng)域共享。另外光伏發(fā)電的應(yīng)用更是可以在陸地上，在建筑物的屋頂上，非晶硅太陽能電池是可以制成半透明的，用其作為作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明（紫外線被濾掉）能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電；美國，歐洲和日本的太陽能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅瓦。?；~塘的根本能量來源是太陽能，如今在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入的光伏發(fā)電系統(tǒng)，更是對太陽能的直接利用。兩者的結(jié)合大大提高了?；~塘對太陽能的利用率。

3、兩者的結(jié)合

光伏發(fā)電在?；~塘系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3（a），（b）所示：

但是將兩個毫無關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)完美的融合在一起并不是那么簡單，這里需要攻克的難題有三個：一是將太陽能組件產(chǎn)生的電能應(yīng)用或者集中起來；二是克服太陽能的隨機(jī)性和波動性；三是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的安全問題。

經(jīng)過研究分析，想要在保留桑基魚塘的基礎(chǔ)上加入光伏發(fā)電系統(tǒng)，較為合適的選擇是將分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)加進(jìn)去。

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分中，并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵部件。其主要功能是把來自太陽能電池方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，并把電力輸送給與交流系統(tǒng)連接的負(fù)載，同時還具有極大限度地發(fā)揮太陽能電池方陣性能的功能和異?；蚬收蠒r的保護(hù)功能。

逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開關(guān)元件構(gòu)成，通過有規(guī)則地讓開關(guān)元件重復(fù)開-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開關(guān)元件按一定頻率朝一方向動作，這樣形成一個脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。

這里的逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。

首先逆變器的運行方式可以跟隨太陽輻射強(qiáng)度的變化而做出相應(yīng)改變：當(dāng)日出后，太陽輻射逐漸增強(qiáng)，太陽能電池輸出功率增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動開始運行。當(dāng)?shù)饺章鋾r，太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便處于待機(jī)狀態(tài)。期間逆變器會時刻監(jiān)視太陽電池組件的輸出，只要太陽能電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運行，直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運行。其次逆變器還有最大功率跟蹤功能、防單獨運行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。因為這些功能的存在使得兩個系統(tǒng)的結(jié)合成為可能。

但是新型系統(tǒng)的要保留?；~塘的，所以在地域上便有了限制。因為光伏發(fā)電組件的架設(shè)要求地勢平坦，日照充足，氣候穩(wěn)定。另外在水上的光伏板的架設(shè)也是一個限制，是選擇漂浮式還是固定式，這也是要根據(jù)?；~塘的實況來決定的。?；~塘的實際規(guī)格與分布直接影響光伏板的架設(shè)。這些問題可以視情況來解決。

傳統(tǒng)的?；~塘的最終主要產(chǎn)品是魚，副產(chǎn)品有蠶繭、桑果、牲畜等。以一個普通規(guī)格的?；~塘為例，魚塘占地面積10畝（大約6670平方米）。在理想狀態(tài)下，魚的年產(chǎn)量計算如下：每畝魚塘年產(chǎn)可以有1200尾魚（約1.2斤每尾），除去成本：魚苗300元+飼料1500元+電費1200元（主要是增氧機(jī)工作耗電和日常用電）+其他200元，共3200元，以平均每斤5元的價格來售出的話可收入7200元，即每畝魚塘的純利潤約4000元，那么十畝魚塘年純利潤為40000元。這是主產(chǎn)品的利潤，加上副產(chǎn)品的收益每年大約可以有60000元的純利潤。

我們設(shè)想加入光伏發(fā)電組件后，首先系統(tǒng)中的電費可以結(jié)余下來，其次，在魚塘上方加入了光伏發(fā)電組件后，每畝魚塘的年產(chǎn)量大約可以增產(chǎn)至1500尾（1.5斤每尾）。年收益增加到了80500元。普通規(guī)格下的?；~塘加入了光伏發(fā)電組件后副產(chǎn)品的年收益提高不多或基本不變。在普通規(guī)格的?；~塘系統(tǒng)中大約可以架設(shè)3000平方米的光伏發(fā)電板（水面2000平方米加地面1000平方米），成本在300萬元左右。經(jīng)過調(diào)查分析過后可以得出，3000平方米的光伏組件可有30個10千瓦的組串系統(tǒng)組成。預(yù)計年發(fā)電量在36萬度電。在國家政策補(bǔ)貼下，每年的凈收益在45萬元左右。那么預(yù)計在6至7年后就可以回本，之后的收入為純收益。而市面上一般的光伏組件的使用壽命在25年左右。也就是說新型的桑基魚塘系統(tǒng)在接下來的18年左右的時間內(nèi)的收入比之前的收入提高了13倍以上。

如此，?；~塘系統(tǒng)收益倍增，而且與光伏發(fā)點系統(tǒng)的結(jié)合。也更加體現(xiàn)了對資源的循環(huán)利用，也達(dá)到了節(jié)能環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展以及高收益的目的。那承載著古人們智慧的產(chǎn)業(yè)也得以保留，新興技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。更重要的是原始的對資源循環(huán)利用的美好觀念被延續(xù)了下去。

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