對三種形式的光伏與農業(yè)相結合方式進行比較和投資效益分析

上海電力設計院有限公司的研究人員章榮國，在2018年第1期《電氣技術》雜志上撰文，針對我國大面積推行的光伏扶貧中遇到的土地問題，國家鼓勵光伏扶貧與設施農業(yè)發(fā)展相結合，但傳統(tǒng)設施農業(yè)出于經濟性考慮不能直接滿足光伏安裝要求。

為此文中對比了敞開式、連棟溫室與日光溫室的光伏布置方式，并進行了單位耕地面積的光伏發(fā)電量比較，并在最后完成了典型光伏大棚的投資效益分析，為進一步開展與設施農業(yè)相結合的光伏大棚設計提供了參考依據(jù)。

隨著我國光伏扶貧工程的大面積推廣，農村地區(qū)配電網逐步出現(xiàn)了無法就地消納光伏電量的問題，大量光伏電量通過農村地區(qū)較為薄弱的配電網反送至電網主網，對電網的網損和投資改造成本造成較大影響[1]。

為此國務院在十三五扶貧規(guī)劃中提出農村分布式電源應與設施農業(yè)協(xié)調發(fā)展的方向[2]，通過設施農業(yè)用能與分布式電源供電相結合，負荷與電源同步發(fā)展，實現(xiàn)分布式電源與設施農業(yè)協(xié)調發(fā)展，并增強光伏發(fā)電效益，為現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展提供能源支撐。

目前光伏發(fā)電與設施農業(yè)相結合的主要形式是光伏大棚[3-4]，該種方式目前已經在不同地區(qū)和不同經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)電設備，從而達到農業(yè)生產與光伏發(fā)電同步進行，設施農業(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、日光溫室與敞開式三種方式。

1）玻璃溫室型光伏大棚

玻璃溫室在觀光農業(yè)應用較多，結構較為堅固，通過與無邊框晶硅組件或薄膜組件的結合可有效開展光伏發(fā)電，但需要根據(jù)光伏發(fā)電需要調整朝向。同時要考慮光伏發(fā)電效益，不應再采用外遮陽機構。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施農業(yè)載體，在結構上有著較大差別，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荷影響溫室的結構強度，一般采用冷彎結構。

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，在內部配置補光設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）敞開式光伏設施農業(yè)

敞開式光伏設施農業(yè)從農業(yè)角度看是一般光伏陣列與大田種植相結合的產物，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村配網不具備競爭力，其布置示意圖如圖3所示。

圖3 敞開式光伏設施農業(yè)組件布置示意圖

2單位面積光伏發(fā)電量比較

針對三種光伏設施農業(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布置于屋頂，由于原有的采光考慮，可不調整頂部傾角，直接布置組件，不會產生傾角對發(fā)電量的影響，但需要注意朝向，設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65Wp至95Wp之間，隨著緯度有所變化。

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40Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米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200Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米100Wp。

3）敞開式光伏設施農業(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，每平米設施的光伏裝機在75至125Wp每平米。

通過發(fā)電量比較可知，以上三種光伏與農業(yè)結合的方式，敞開式的發(fā)電效益最好，對比情況如表1所示。

表1 光伏設施農業(yè)結合類型裝機比較表

3投資效益分析

光伏與農業(yè)結合的投資效益包括發(fā)電設備投入、光伏發(fā)電效益、設施農業(yè)投資成本與農業(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施農業(yè)相結合的投資效益。光伏收益在屋頂電價在1.05元每度水平上按收益0.2元每度計算。三類光伏與設施農業(yè)結合方式共有4種實施方式，4種方式的比較如表2所示，農業(yè)產出來自四種環(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。

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6667平方米。

農業(yè)收入以生菜為例，市場收購價格2元/斤，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。

表2 光伏與設施農業(yè)結合方式投資效益比較

綜合比較開看，玻璃溫室高投入高產出，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結論

本文針對玻璃溫室、日光溫室及敞開式三種形式的光伏與農業(yè)相結合方式進行了比較分析，三種方式中玻璃溫室的發(fā)電效益最高，但玻璃溫室的建設投資較大，冬季供暖需求大，投入產出比不高，而敞開式光伏農業(yè)形式農業(yè)產出較低，對更低利用不充分。

綜合來看日光溫室在光伏發(fā)電與農業(yè)收益方面具有較好的結合，是目前最有前景的發(fā)展形式。