孫亞楠 徐明磊

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467001）

太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，極具開(kāi)發(fā)利用潛力[1]。常規(guī)光伏項(xiàng)目需要占用大量的土地資源，而且占用后土地?zé)o法發(fā)揮其他作用。利用光伏農(nóng)業(yè)大棚可將太陽(yáng)能資源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可減少農(nóng)業(yè)資本與土地投入，同時(shí)把清潔能源、綠色環(huán)保等主題結(jié)合起來(lái)，達(dá)到既能增產(chǎn)增收，又能節(jié)能減排的目的[2]。

相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚，光伏農(nóng)業(yè)大棚可通過(guò)光伏發(fā)電為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造額外收益。光伏農(nóng)業(yè)大棚還可以建成陽(yáng)光房式，擁有較大空間，可實(shí)施機(jī)械化作業(yè)，甚至形成觀光光伏農(nóng)業(yè)，創(chuàng)造額外的收益。光伏農(nóng)業(yè)大棚也為國(guó)家扶貧提供了新的選擇，通過(guò)產(chǎn)業(yè)捆綁，使邊遠(yuǎn)地區(qū)的貧困戶不再為溫飽發(fā)愁、不再為用電發(fā)愁[3]。

1 光伏農(nóng)業(yè)大棚概述

1.1 光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)簡(jiǎn)介

光伏農(nóng)業(yè)大棚是在農(nóng)業(yè)大棚的棚頂安裝光伏裝置，在大棚內(nèi)種植農(nóng)作物的一種綜合設(shè)施。它是在原有耕地面積的基礎(chǔ)上合理安裝光伏裝置，在一定的空間內(nèi)高效利用資源，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)豐收、獲得額外發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[7]。

1.2 常見(jiàn)的光伏農(nóng)業(yè)大棚種類

1.2.1 陽(yáng)光房式光伏農(nóng)業(yè)大棚。通常，在陽(yáng)光房式農(nóng)業(yè)大棚的南側(cè)，發(fā)電組件和專用附框與鋼骨架柔性連接；北側(cè)屋頂部位采用普通夾膠玻璃；南北側(cè)立面采用鋼化大板玻璃。此類型大棚成本較高，但裝機(jī)量大，可添加其他輔助設(shè)備，建成觀光旅游和生態(tài)農(nóng)業(yè)一體化的智能新型農(nóng)業(yè)大棚。

1.2.2 塑料大棚外加裝太陽(yáng)能組件式。通常，大棚頂棚采用普通塑料薄膜，棚內(nèi)支撐采用普通鋁合金，組件支架采用熱鍍鋅鋼。此類型大棚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，裝機(jī)量較小，基本無(wú)附加智能設(shè)備。

1.2.3 簡(jiǎn)易式光伏大棚。通常，此類大棚頂棚采用隱框單坡采光頂結(jié)構(gòu)，主鋼結(jié)構(gòu)采用鋼桁架形式，前后鋼結(jié)構(gòu)立柱基礎(chǔ)為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，頂棚支撐結(jié)構(gòu)為主次檁條方格布置形式。此類型大棚成本和裝機(jī)量適中，可選安裝的智能設(shè)備不多，屬于經(jīng)濟(jì)適用型大棚。

1.2.4 連棟式光伏大棚。此類型大棚保溫性能較差，適用于中、低緯度的南方地區(qū)使用，一般用于種植花卉和育苗。

1.2.5 光伏養(yǎng)殖大棚。將光伏大棚與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)合，保溫性能一般要求不高，光伏組件可以安裝在棚頂，組件之間的間隙采用密封條做防水處理，并根據(jù)需要增加采光帶。

1.3 光伏農(nóng)業(yè)大棚的優(yōu)勢(shì)

相比普通農(nóng)業(yè)大棚，光伏農(nóng)業(yè)大棚在種植周期、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能環(huán)保方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如表1所示[8]。

2 國(guó)內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)光伏的應(yīng)用起步較晚。與此同時(shí)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量及面積高居世界第一，除了簡(jiǎn)易的小拱棚外，塑料及日光溫室大棚面積超過(guò)250萬(wàn)hm2，為光伏農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展及普及奠定了基礎(chǔ)。

我國(guó)《太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》已將太陽(yáng)能光伏生態(tài)大棚電站的模式劃為光伏建筑一體化示范項(xiàng)目，享受國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼。2017年，進(jìn)軍光伏大棚的公司如華盛綠能、保定天威、東方日升等得出的結(jié)論是6～8年能回收成本[4]。在目前太陽(yáng)能電池價(jià)格下降的情況下，這個(gè)時(shí)間會(huì)更短。吳楠等通過(guò)對(duì)國(guó)家政策及我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展現(xiàn)狀的分析，指出“新能源+新農(nóng)業(yè)”代表了農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，代表了國(guó)計(jì)民生的根基，光伏為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)注入了新的生命力[3]。

祁娟霞等針對(duì)寧夏回族自治區(qū)不同光伏溫室和大棚冬季室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行比較，綜合分析得出，光伏日光溫室環(huán)境總體優(yōu)于普通大棚，光伏陽(yáng)棚與普通大棚接近，光伏日光溫室、光伏陽(yáng)棚、普通大棚均適宜果菜越冬生產(chǎn)，光伏雙膜雙網(wǎng)大棚冬季溫度低于0℃，不適宜食用菌栽培，光伏陰棚溫室環(huán)境仍適宜食用菌栽培[5]。

雖然光伏在我國(guó)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用日趨成熟，但大部分光伏農(nóng)業(yè)大棚仍為實(shí)驗(yàn)性光伏農(nóng)業(yè)大棚。2009年，我國(guó)光伏在農(nóng)業(yè)上裝機(jī)容量約為0.9 MW，2014年超過(guò)了1100.0 MW。截至2015年年初，我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)大棚項(xiàng)目已接近500個(gè)。2015年7月，20 MW光伏農(nóng)業(yè)科技大棚發(fā)電站在山東省章丘市現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園全面竣工，總占地面積11.33 hm2。2016年4月，位于貴州省安龍縣興隆鎮(zhèn)的大秦光伏農(nóng)業(yè)科技示范園全面建成。山東省鄆城鑫華40 MW光伏扶貧電站于2017年3月并網(wǎng)發(fā)電，是2016年山東省第一批國(guó)家級(jí)扶貧項(xiàng)目[6]，建設(shè)之初就設(shè)計(jì)為農(nóng)光互補(bǔ)模式。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合開(kāi)始的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于我國(guó)。目前，國(guó)外的光伏農(nóng)業(yè)大棚主要集中在日本及歐美國(guó)家，不僅科技水平高，而且有政策支持。歐美地區(qū)多應(yīng)用晶硅電池、玻璃溫室大棚，可以通過(guò)數(shù)字化管理提高生產(chǎn)效率。

20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家Chapin等首次成功使用單晶太陽(yáng)能電池，預(yù)示著光伏供電技術(shù)的成立。1996年，美國(guó)學(xué)者Elsevier Journal介紹了一種可用于單軸太陽(yáng)集中系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)，并將該新系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)補(bǔ)光，該系統(tǒng)將光伏組件的接收率提高了15%。2019年，John Robertson等發(fā)現(xiàn)混合光伏熱系統(tǒng)可以將紅外線與可見(jiàn)光分離，允許通過(guò)光譜優(yōu)化機(jī)制單獨(dú)收集，以提高總效率，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)透射光譜分裂集中器光伏模塊，最大化轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能。

荷蘭是世界光伏農(nóng)業(yè)大棚強(qiáng)國(guó)之一，擁有歐洲最大、生產(chǎn)效率最高的光伏農(nóng)業(yè)大棚，而且均實(shí)施自動(dòng)化管理。而且荷蘭擁有獨(dú)立自主的光伏農(nóng)業(yè)大棚建筑公司、電子設(shè)備，形成了完善的溫室產(chǎn)業(yè)。意大利、西班牙等國(guó)家光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展同樣迅速。日本是亞洲光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展程度最高的國(guó)家。日本溫室大棚多采用非晶體硅薄膜電池。自2011年福島核泄漏事件后，日本在福島建立復(fù)興太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)園，為當(dāng)?shù)匕惭b了約2100個(gè)太陽(yáng)能電池板，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促使農(nóng)業(yè)產(chǎn)量大幅度上升，不僅供給當(dāng)?shù)鼐用裼秒?，而且出售給當(dāng)?shù)氐碾娏尽?/p>

美國(guó)是世界上第一個(gè)采用光伏發(fā)電的國(guó)家，于20世紀(jì)90年代就提出了“百萬(wàn)屋頂陽(yáng)光計(jì)劃”。這是一個(gè)大型光伏工程，計(jì)劃總發(fā)電量高峰時(shí)可供超過(guò)9萬(wàn)家庭使用。

3 我國(guó)光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展存在的問(wèn)題

相比傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚，雖然光伏農(nóng)業(yè)大棚具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一些不足，如成本較高、發(fā)展政策不完善等，嚴(yán)重阻礙了光伏農(nóng)業(yè)大棚的推廣、應(yīng)用。

3.1 成本較高

建設(shè)光伏農(nóng)業(yè)大棚前期的成本投入較高，大多數(shù)農(nóng)民無(wú)法承擔(dān)前期高昂的投入成本。在農(nóng)業(yè)大棚運(yùn)營(yíng)期間，檢測(cè)、維修設(shè)備也需要一定的資金投入。國(guó)家對(duì)光伏農(nóng)業(yè)大棚的補(bǔ)貼較低，從而間接影響了光伏農(nóng)業(yè)大棚的推廣、應(yīng)用。對(duì)此，需政府加大補(bǔ)貼力度，支持農(nóng)戶投入光伏農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)。

3.2 技術(shù)體系不完善

光伏農(nóng)業(yè)大棚的相關(guān)技術(shù)不夠成熟是導(dǎo)致其推廣、應(yīng)用受阻的重要因素。晶體硅電池板、非晶體硅電池板透光率極差，嚴(yán)重影響了作物光合作用。要想增加太陽(yáng)能電池板的功率，就需要增大電池板面積，這便會(huì)降低大棚內(nèi)部的透光率。對(duì)此，需要經(jīng)過(guò)更多模型的測(cè)定及檢測(cè)，形成標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)體系。

3.3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策不完善

目前，光伏農(nóng)業(yè)大棚項(xiàng)目在我國(guó)仍屬于新興項(xiàng)目，光伏與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)還處在研究階段，光伏農(nóng)業(yè)大棚沒(méi)有得到大幅度推廣。而且國(guó)家僅僅只是單一地對(duì)農(nóng)業(yè)或光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行補(bǔ)助，沒(méi)有對(duì)光伏與農(nóng)業(yè)融合發(fā)展進(jìn)行政策補(bǔ)貼。對(duì)此，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，在不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)光伏與農(nóng)業(yè)融合發(fā)展提供支持政策，才能更好地推動(dòng)光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。