光伏農業的發展概況

張小杭　崔壽福　劉福平

摘要 介紹了我國發展光伏農業的政策，論述發展光伏農業的意義，概述國內外光伏農業研究應用進展，指出我國發展光伏農業存在的問題及對策。

關鍵詞 光伏農業；政策；意義；應用；對策

中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-229-03

太陽能是迄今為止最為安全、可靠、清潔的天然能源，目前太陽能的最佳利用方式是利用光伏轉換效應，將照射到多晶硅電池上的太陽熱輻射能轉換成電能。光伏農業是迅速發展的新興行業，它是將太陽能光伏轉換發電應用到農業生產活動如種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械動力提供等領域的一種新型農業[1]。光伏農業為低碳節能的農業發展帶來了新模式，造就了一場農場變工廠、田間變車間的農業變革，在現代農業中有著廣泛的應用前景和重大的現實意義，具有良好的生態效益和經濟效益。

1 我國發展光伏農業的政策

鑒于光伏產業的巨大前景，我國政府在政策上予大力支持，如2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，同時國家發展改革委為此頒布了《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》配套文件。在政策上、財政上為發展可再生能源給予大力支持，光伏產業作為可再生能源的重要部分，進入了發展的新階段；2012年2月工業和信息化部為促進太陽能光伏產業可持續發展，制定了《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》，明確規定太陽能光伏生態大棚電站的生產模式可獲得國家財政補貼的扶持[2]。

光伏技術作為現代高新技術，雖然我國已經開發出具有國際競爭力的光伏產品，但是光伏設施建造成本高、投入大，國內企業接受能力有限，以致光伏產品過度依賴國外市場。2013年7月，為加速我國光伏技術本土市場的應用，實現國內光伏產業的持續發展，國務院頒布了《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》，提出到2015年我國總裝機容量達到35 GW以上的目標，這對我國光伏產業的發展起到重要的推動作用。

光伏農業是現代農業技術與光伏技術的有機結合，在創造生態效益、經濟效益共贏的基礎上，實現農業生產可持續發展，與當前我國農業產業發展政策相符合。2013年7月，國務院下發通知，要求“完善中央財政資金支持光伏產業發展的機制，對太陽能資源測量、關鍵技術裝備材料研發及產業化、農村和牧區光伏發電應用、無電地區光伏發電項目建設等方面加大支持”，體現了我國政府發展光伏農業的決心。2014年6月5日原農業部國際合作司司長馮玉林指出：“光伏和農業的結合，一定要摸索出一套適合不同地區、不同地點、不同形式的農業發展模式。不僅要讓農民看得懂、學得會，還要讓他們了解光伏大棚發電的社會效益和增加的農業價值。只有農業與光伏達到共贏，國內光伏農業才會有希望”。 可見，我國政府對于光伏農業的支持可謂是不留余力。

2 發展光伏農業的意義

光伏應用于農業，既節能環保，又推進設施農業轉型，還可實現土地、陽光資源的立體高效利用，經濟效益相當突出，具有許多傳統農業無可比擬的優勢。

2.1 光伏農業可加快解決三農問題，推動我國農業迅速發展 目前，光伏農業大致有5種模式，可謂與我國三農問題密切相關，各個模式都有其獨特的優勢。①太陽能光伏農業大棚：支持大棚灌溉系統，對植物進行補光，滿足大棚作物冬季供暖需求等；②太陽能動力水泵：與傳統的氣柴油抽水機比較，太陽能動力水泵具有無需蓄電環節，節省運營成本，實現二氧化碳零排放等優勢；③太陽能殺蟲燈：不用架設常規供電設施，代替傳統的化石燃料，節能環保，是目前太陽能農業機械產品中推廣應用力度較大的一類產品；④太陽能光伏養殖場：由于工廠化水產養殖已經取代了傳統的池塘、流水、網箱等養殖方式，太陽能光伏養殖場運用提供綠色能源，促進養殖模式轉型，提升傳統養殖業；⑤太陽能污水凈化系統：當前我國農村地區的環境污染日益嚴峻，污水是其中一大問題，太陽能污水凈化系統能量供給全部來自太陽光，運行費基本為零，基本沒有二次污染。所以，光伏農業的普及可謂與我國三農問題密切相關。

2.2 光伏農業可促進我國設施農業發展，提高環境控制及裝備水平 將薄膜太陽電池做成透光材質安裝在塑料大棚頂部，在不影響動植物生長對光需求的情況下提供電能，實用性強，見效快，也可節約用地，是最符合我國國情的可優先發展的光伏農業模式。過去30年，我國設施農業的快速發展主要是依靠擴大設施規模，占用了大量的耕地資源，生產效益低的問題非常明顯，在極端天氣（如低溫、雪災、連陰天及霧霾等頻發條件下），逆境抵御能力差。太陽能板安裝在塑料大棚頂部發電，對大棚內植物進行補光、冬季滿足大棚供暖需求，抵御天氣災害，保持農作物快速生長，從而提高大棚環境控制及裝備水平，推進了設施農業轉型。

2.3 光伏設施可實現一室多用 光伏電池除了能供電支持農業生產外，在防風、防雨、防雪、防雹，甚至在收集雨水、生產淡水等方面具有可擴展的功能，此外還可以拓展應用到養殖、農民日常生活等方面。光伏設施在林業生產、水利建設、水利灌溉系統中都可以利用，可以將蒸發量太大的不毛之地轉變為受保護的可耕地。光伏農業的經濟效益十分顯著。

2.4 太陽能光伏發電技術經濟效益高 太陽輻射熱能巨大，就目前的熱轉換效率測算，一塊發電板平均每天能發電0.7°，一年理論上能發電4.21萬°。以一個8 000 hm2蔬菜種植地為例，假如這些菜地全都建成溫室大棚，在溫室大棚棚頂安裝太陽能多晶硅電池，日發電量最低限度達1 000萬°以上。這些電能既可以為農業生產提供電源動力，還可以為工業、商業及居民生活供電，從而節省水電、煤電資源，一舉雙得。據統計，光伏農業溫室大棚投資年收益率超過10%，回收期為6～10 a。光伏設施在空曠地隨處可建，可在農地直接送電滿足農業生產需要，節省電力輸送成本。光伏設施使不通電偏遠地區的農民用上電，還可將多余電能送入國家電網，取得農產品收入和光伏發電收入雙收益，將極大地改善農民生活。

太陽能是最清潔、最安全和最可靠的能源，太陽能的利用又不受地理位置的限制，我國是農業大國，農業是我國經濟命脈，我國已經高度重視光伏農業的發展，未來我國必將迎來光伏農業快速發展的新時代。

3 國內外光伏農業研究應用進展

光伏應用到農業在國外尤其歐美國家發展迅速，2010年上海舉辦的世博會上，太陽能光伏發電技術被應用到中國館、德國館、法國館、城市未來館等多個場館。以色列作為現代農業強國，太陽能資源豐富，可用于地面安裝太陽能系統的非耕地廣闊，政府非常重視光伏太陽能建設，頒發大批建設許可證，是世界上光伏農業發展最快的國家，已經形成了一套完整的光伏農業體系，在光伏農業的應用普及方面取得突出成果，值得我國借鑒[3]。日本借助強大的技術和財政支撐，把光伏在農業上的應用發揮得淋漓盡致，對未來光伏農業發展方向具有良好的示范作用。2011年日本福島地震核事故摧毀了當地所有的社區，當地民眾因而對核電產生巨大的恐懼，因此日本科學家加速開展太陽能替代核能的研究、發展、應用。在福島，他們建造了福島復興太陽能農業園，安裝了2 000多個光伏太陽能電磁板，給當地蔬菜大棚基地提供電力用于溫室蔬菜生產，已經有64 t生菜提供給當地一家大型連鎖超市。通過電腦系統進行精確的溫度和濕度控制，農作物能比普通條件下生長的更快，與傳統的溫室大棚相比，產量和效率都提高了1倍。此外，農業園太陽能發電產生的多余電力除了滿足當地170戶家庭的用電需求，剩余的電力還出售給了東京電力公司，為受災地區的工、農業重建樹立了典范。據報道，當地政府正在積極推動太陽能農業參與福島當地的工業商業建設，如海上風電廠和日本最大的太陽能工業園等，進而幫助福島實現2040年可再生能源自給自足的目標”[4]。

我國幅員遼闊，光伏農業起步較晚，但在政府的支持下，因地制宜迅速普及，成果卓越。

2009年青海省樂都建成該省第一個太陽能發電與設施農業結合項目，是太陽光伏與高原特色農業相結合的典范。樂都全縣有5萬多農民從事溫棚蔬菜生產，由于光伏農業所帶來的經濟效益，使當地許多農民擺脫了貧困。

2010年寧夏中衛市沙綠寶農業科技公司和中國恩菲工程技術公司合作建設的光伏生態大棚，在中衛市沙漠設施農業科技示范基地落成，這是我國首座在西部高原利用光伏發電技術的作物溫室大棚。該系統屬于與屋頂技術結合的太陽能發電系統，由20多塊晶矽太陽能電池組件和3臺逆變器組成，裝機容量為3.45 kW，發電量為370 kW·h，可以為沙漠溫室大棚提供可靠的常備電源，以保證棚內農業設備的正常運作，冬季還可以為大棚供暖，加快反季節作物生長。此外，還可以兼顧到雨水、雪水的收集、保存和應用，可謂是一種集節能、環保、低碳和觀光于一身的現代高科技農業生態項目。該光伏生態系統帶動了一大批包括花卉、水果等多個產業的發展，有著廣闊的市場發展空間。

目前，光伏農業主要應用于大棚農業生產，由于鋪裝在大棚頂部的薄膜電池是不透光的，或者透光率很低，影響大棚內采光，薄膜太陽能農業大棚的關鍵是開發分光技術，提高透光率，這將是一個新創舉，目前研究的很少。2009年10月，臺灣光寶集團綠色能資股份有限公司在江西上饒建造了國內首個薄膜太陽能農業大棚發電站，并已正式并網發電[5]。該公司還與江西鷹潭市政府簽約，雙方將合作建設薄膜太陽能農業大棚發電系統項目。2010年，在南京浦口的農田里，采用的電池板材質是雙面透明導電電極及半透明非晶硅，所以仍可以透進部分光線，將蔬菜大棚的屋頂變成了太陽能發電場，棚頂發電，棚內種菜，屋頂的電池板都接通棚內LED燈，燈只有紅色和藍色，燈下的托盤里種著小青菜。河北已經在平泉成立大柵光伏發電項目公司，把太陽能電池搬進設施蔬菜大棚。該項目總裝機功率為120 MW，總投資約在30億元左右，采用國產有自主知識產權的氫能燃料電池和光伏組件構成，在棚頂安裝光伏電池，可以為溫室供暖升溫，進一步提高蔬菜產量，延長生產周期，實現反季節生產，同時，還可解決補光照明、滅蟲、灌溉等問題。 2013年1月，我國首個具有完全自主產權的薄膜太陽能大棚發電系統由河北保定天威保變電氣股份有限公司研究成功，他們用透明薄膜太陽能光伏玻璃代替傳統的大棚薄膜，僅讓太陽的紅光部分穿透進大棚內，為綠色植物光合作用提供能量，而薄膜光伏玻璃還將光能轉化為電能，實現了低成本光能發電，已經在山東壽光17 kW薄膜太陽能溫室大棚中得到成功的應用。該項目年發電2.6萬kW·h，全部送入壽光當地電網，造福周邊群眾，而且成本比多晶硅太陽能電池低40%以上。該公司研發人員考慮到不同蔬菜種類、生長發育階段所需的光強不同，設計了60%、40%、20%、10%不同的透光率方案，包括電氣設計、光伏系統設計、逆變器的配置方案等[6]。

根據不完全統計，全國已有近30個薄膜太陽電池農業大棚發電站的“示范點”，如江西、湖北、河北、江蘇、寧夏、廣西、山東、青海等地都已經開始積極的探索光伏溫室大棚，有些地區已經取得了成效，部分實現并網發電。這種薄膜太陽能大棚的開發應用，對于農業結構的調整、升級和“三農”問題的解決有重要作用和推廣意義。

太陽能光伏與物聯網技術應用于農場更是現代農業的前沿水平。2012年福建泉州百來太陽能有限公司探索與眾不同的農業太陽能應用研究。該公司計劃建成一個示范農場，把太陽能、物聯網技術應用于農場中，邊研發邊實踐，讓農戶們親眼見證高科技農業產生的奇跡。利用太陽能玻璃電池板搭建成的溫室大棚，不僅可以發電，還冬暖夏涼；埋在土壤中的傳感器會自動感知土壤溫濕度和土壤的肥力，在太陽能電力的趨動下自動為棚內的植物澆水施肥等，這是未來太陽能農場的生產場景，也是泉州百來太陽能有限公司目前攻關的重點。

4 發展光伏農業存在的問題及對策

光伏農業具有相當的經濟、生態、社會效益，因而具有廣泛的應用前景，但發展時間還不長，技術還不成熟，推廣普及還有困難。

太陽能光伏農業應用需要多學科融合，農業種植、機械制造、太陽能技術、傳感技術等多方面都有涉及，目前靠單一學科領域各自為政，重復研究現象嚴重，影響光伏技術在農業產業的發展與應用。

作為新能源與農業結合的新興產業，光伏農業還需要國家的大力扶持，包括政策、資金等。此外，太陽能農業應用所屬范圍不夠清晰，目前國家并沒有相關針對性的補貼標準。

通常使用的電源是交流電，而太陽能光伏發電則是直流電，目前市場上出售的農機設備大多是使用交流電，因此，需要對現有農機進行改造，使其與太陽能發電完美融合，目前這還是個難題。

建造成本高，投資回收期較長，不適合小規模的經營。由于透光問題，對種植的植物要求較高，在喜光植物上的應用還有待深入探討。

目前，光伏農業的建設還處在美好的規劃及小范圍的試點階段，擺在政府、科研人員面前的還有不少問題需要解決。光伏農業是龐大的產業鏈，產學研各個部門應通力合作，聯合攻關。太陽能光伏產品外銷受挫情況下，更應該積極推廣光伏產品在工農業個領域的應用，推動產業升級，開拓國內市場，使光伏產品這一高新技術推動我國環境質量提升，使地方老百姓受益。就光伏農業來說，國家應該宣傳光伏農業是農業現代化的重要組成部分，是實現美麗中國、美麗鄉村的標志，應該組織多學科專家解決太陽能光伏與傳統農業設施、器械對接等技術問題，提高電池產品性能，降低成本，研究作物對光伏設施的適應性問題。此外政府應該站在節省能源，保護環境高度，鼓勵光伏企業研發、生產光伏農業設施產品，加大財政補貼力度。

我國作為農業大國，光伏農業與當前經濟轉型的目標以及生態文明建設相契合，已成為現代農業發展的一種全新模式。光伏農業將是解決我國現代農業發展長期困境的發動機，是進一步發展農村經濟、改善農民生活的必然選擇，也是農業生產方式變革時勢所趨。

參考文獻

[1] 劉文科.迅速發展的光伏農業[J].中國農村科技，2014（8）：54-55.

[2] 夕月.光伏太陽能 農業發展的強心劑[J].綠色中國，2014（10）：67-69.

[3]中國儲能網新聞中心. 以色列：最具潛力的新興光伏市場[EB/OL].（2014-07-18） http：//www.escn.com.cn/news/show-154805.html.

[4]人民網，日本建起太陽能農業園[N].四川農村日報，2013-03-20.

[5] 我國首個太陽能大棚發電系統正式運行[EB/OL].（2009-10-27） http：//news.sina.com.cn/c/p/2009-10-27/092918917137.shtml.

[6]我國首個薄膜太陽能大棚發電系統投入使用[J].農業工程技術：溫室園藝，2010（10）：76.