光伏现代农业大棚现状与分析

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【摘 要】光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统。大棚的“升温、保温”一向是搅扰农户的重点问题。“光伏现代农业大棚”，有望解决这一难题。

【关键词】光伏；发电系统；光伏现代农业大棚

一、前言

目前我国的能源结构以煤为主，是世界上最大的煤炭消费国，相对于巨大的人口基数，面临的能源资源形势十分严峻。矿产资源能源等非可再生能源的生产和消费，对环境造成了极大的破坏和污染，节能减排形势严峻。农业大棚地理位置以农村、郊区为主，电力等能源非常短缺，传统电网难以到达这些地区。能源问题，农业问题越来越受到国家重视及相应的政策倾斜。《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》已将太阳能光伏生态大棚电站的模式划定为BIPV（光伏建筑一体化）示范项目，享受国家财政补贴。

二、光伏农业大棚介绍

光伏是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统。大棚的“升温、保温”一向是搅扰农户的重点问题。“光伏农业大棚”，有望解决这一难题。由于夏季的高温，在6-9月份众多品类的蔬菜无法正常成长，而“光伏农业大棚”如同在农业大棚外表添补了一个分光计，可隔绝红外线，禁止过多的热量进入大棚；在冬季和黑夜的时候，则能禁止大棚内的红外波段的光向外辐射，降低晚上温度下跌的速度，起到保温的作用。

“光伏农业大棚”能供给农业大棚内照明等所需电力，剩余的电还能并网。在“光伏农业大棚”离网体系中，可与LED体系相调配，白天发电保障植物的成长；黑夜LED体系可应用白天发的电，给植物供给光照。

三、光伏发电系统原理

四、应用原理

选用光伏组件：以半透明非晶薄膜电池为主，可以根据需要做透光度。太阳光入射到地球表面包括：紫外线、可见光及红外线。紫外线占7%（改变植物物质结构，具有破坏性）可见光占71%（提供照明、供植物光合作用）红外线占22%（产生热能）

太阳光谱在280～315nm时，对植物形态与生理过程的影响极小；

太阳光谱在315～400nm时，植物对叶绿素吸收减少，影响光周期效应，阻止植物茎伸长；

太阳光谱在400～520nm（蓝光）时，植物对叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；

太阳光谱在520～610nm时，植物对色素的吸收率不高；

太阳光谱在610～720nm（红光）时，植物对叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响；

太阳光谱在720～1000nm时，吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽；

太阳光谱大于1000nm时，太阳能将转换成为热量。

总结：因此太阳光谱在400～520nm（蓝光）和太阳光谱在610～720nm（红光）这两个区间最有利于植物生长。为了增加植物所需要的光谱，可以采用两种方式：屋顶薄膜太阳能电池板和普通透明白玻璃间隔排列；采用LED灯补充植物需要的光谱，达到植物生长的光环境。同时，非晶硅薄膜太阳能组件发电需要的主要光谱为600nm，对紫外线几乎不透过，能有效阻挡紫外线对植物的生长影响。发电的同时确保植物光合作用有效进行，并起到有效的保温作用。

五、建筑方案

类型一：棚顶南侧：发电组件（柔性透光性较差）和专属附框与钢骨架柔性连接。

棚顶北侧：棚顶部位采用普通夹胶玻璃。

大棚南北侧：立面采用钢化玻璃。

类型二：棚顶：隐框单坡采光顶结果。

主钢结果：钢桁架形式。

前后钢结构立柱基础：钢筋混凝土基础

顶棚支撑结果：主次檩条方格布置形式。

六、光伏大棚温室系统可选配置

1.开窗系统（以达到通风降温的效果）

例如湿帘—风机降温系统：利用水的蒸发降温原理实现降温目的。特制的湿帘能确保水均匀地淋湿整个降温湿帘墙，当空气穿透湿帘介质时，与湿润介质表面进行水气交换以实现对空气的加湿与降温。

2.喷雾系统（对于温室不仅起灌溉作用，还可以起到降温，调节湿度，叶面施肥等作用）

3.LED植物生长灯（400～520nm--蓝色的光线以及610～720nm--红色光线，对于光合作用最大。520～610nm--绿色的光线，被植物色素吸收的比率很低）

通过改变电流可以使LED发出不同颜色的光，LED还可以方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。选择蓝红LED灯，两种波长的光线，覆盖光合作用所需的波长范围。蓝色（470nm）和红色（627nm）的LED灯，可以提供植物所需的光线。

七、应用优点

1.光伏发电效益

一部分对棚内设施供电，多余部分可以并网出售或蓄电池储存夜间使用。

2.社会经济效益

（1）提高土地利用率：可以在向阳面和背阴面根据不同的光照条件配置以对光照要求不同的植物；较高的大棚可以构建立体农业，借用LED进行补光，例如在育苗时，可以把育苗床上架等。在一定的土地空间上，光伏农业大棚实现了农业作物经济和能源发电效益的“双赢”。

（2）促进农民再就业：可以解决一部分农民以及40-60农村留守人员的就业。

（3）农业高效规模化的示范作用：温室大棚与屋顶技术相结合的光伏大棚，不仅可以保证棚内设施的正常运转，还可以储存雨水、雪水等循环利用，是集低碳、节能、环保、旅游于一身的新型高科技农业生态建设项目。这极大地促进了传统农业向工业化农业的发展，也对地区的农业发展起到了良好的示范作用。实现了农民、企业、政府的“多赢”局面。

（4）观光旅游和生态农业一体化：“光伏生态大棚”还可与旅游结合构建观光农业，与社区农产品需求结合，构建社区农场，与市民体验结合构建开心农场等集高效种植、农业科普、休闲观光于一体的新型农业项目。

八、经济效益分析

目前我国政策为：金太阳工程补贴：约11元/W；光伏建筑一体化补贴：7.5元/W；农业清洁能源补贴上限10元/W；分布式光伏电价标准：1元/kwh。

《太阳能光伏产业“十二五”规划》已将太阳能光伏生态大棚电站的模式划为光伏建筑一体化示范项目，享受国家财政补贴，根据电费收入、作物利润等，华盛绿能、保定天威、东方日升等进军光伏大棚的公司给出的结论是—6-8年收回成本。光伏大棚的经济效益主要由光伏发电并网补贴和农作物经济效益构成。一般农业蔬菜大棚造价不超过100元/平方米，而光伏农业大棚造价目前大概为每亩15万元。

九、风险分析

1.政府扶持政策变动

——目前财政补贴政策的变化不会给公司生产经营业绩带来很大的风险，但是对于光伏农业大棚，若补贴政策发生变动，将对企业的经营成果产生不利影响。

2.自然灾害的影响

——台风、洪水等突发性灾害；地面沉降、土地沙漠化、干旱等在较长时间中才能逐渐显现的渐变性灾害都将是影响光伏大棚正常作物生长的风险因。

十、现存问题

由于薄膜光伏太阳能农业大棚模式在我国才刚刚启动，而且多为示范区，太阳能装机容量普遍较小，目前并没有大规模推广，还存在诸如前期投入成本较高、太阳能发电与农作物生产相结合关键技术不成熟、运营保障技术不到位以及国家扶持资金比例不高等问题。具体体现为：

（一）前期投入成本很高，农业企业或农民独自承担不起。

（二）薄膜光伏太阳能电池与农作物生产相结合关键技术不成熟。

（三）已建成的薄膜光伏太阳能农业大棚多为示范工程，与农业生产结合不紧密。

（四）配套设施不完善及运营保障技术不到位，导致实际应用效果不理想。

（五）太阳能发电量与农业生产用电量不相匹配，与当地电网并网存在较大困难。

（六）国家补贴比例不高，影响大规模的推广应用。

（七）薄膜光伏太阳能大棚结构承重要求严格，现有农业大棚改造成本高。