光伏產業的發展現狀及其在農業中的應用

蔣高中， 徐 跑， 劉輝芬， 吳宗文， 曹 玲， 章 瓊

(1.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，南京農業大學無錫漁業學院，農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，江蘇無錫 214081；2. 通威股份有限公司，四川成都 610041)

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光伏產業的發展現狀及其在農業中的應用

蔣高中1， 徐 跑1， 劉輝芬2， 吳宗文2， 曹 玲1， 章 瓊1

(1.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，南京農業大學無錫漁業學院，農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，江蘇無錫 214081；2. 通威股份有限公司，四川成都 610041)

分析了國內外光伏產業的發展現狀，闡述了發展光伏農業的意義，從光伏發電、光伏大棚、光伏養殖3個方面綜述了光伏產業在農生產中的應用，最后指明了光伏產業在農業中的應用前景及發展趨勢。

光伏；農業；光伏農業；應用前景

能源是促進人類社會進步和經濟發展的重要物質基礎，而太陽能資源有著安全可靠、充足、無污染、制約少、維護簡單的優點，在新能源中最具發展潛力[1]，在全球新能源形式的驅動下，光伏產業蓬勃發展。光伏(PV or photovoltaic)是太陽能光伏發電系統(Photovoltaic Power System)的簡稱，是一種利用半導體材料將太陽光直接轉換為電能的光伏效應，是一種新型發電系統[2]。光伏效應最早由法國科學家貝克雷爾提出，即光照能使半導體材料的不同部位產生電位差形成電流[3]。從貝克勒爾光伏效應的提出，到愛因斯坦對光伏效應的試驗證實，再到貝爾第一個單晶硅光伏電池的制成，直至如今“光伏屋頂計劃”和“新陽光計劃”的全面實施，光伏產業以朝陽企業的姿態發展迅速，已成為世界上發展最快發電能源之一[4]。農業光伏(Agriculture Photovoltaic)是光伏和農業生產的結合，最先由日本農業機械工程師阿基拉·中島具夫提出。將光伏效應產生的電能應用于農業各個領域，如養殖、灌溉、病害防控、農用機械動力等，實現“一地多用”，同時多余的電量可以余電上網出售給國家，最終實現“太陽能共享”。筆者綜述了光伏產業的發展現狀及其在農業中的應用，以期為促進新型農業產業發展提供借鑒。

1　光伏產業的發展現狀

數據顯示，這幾年，全球主要光伏市場新增裝機容量的光伏市場呈指數型上升，市場競爭格局正發生變化，德國逐步失去光伏主導地位，中國、日本、美國市場逐步升溫，近兩年，英國的增長勢頭迅猛，成為光伏新興市場新貴(圖1)。自2012首次光伏“雙反”事件發生以來，在外部市場需求和政策的刺激驅動下，我國光伏產業逐步進入良性循環、穩步發展，2014年新增裝機容量也穩居第一(圖2)。2016年初統計結果顯示，新一輪的光伏熱襲來，2015年我國光伏累計裝機量約43 GW，也躍居全球第一，但補貼、土地、限電“三座大山”壓力短期難除，仍存在問題。然而，2014年12月美國公布第2次對華“雙反”，2015年12月歐盟委員會聲明將延長對我國的光伏“雙反”至2017年，來自發達國家的外部壓力一直存在。此外，一些發展中國家等新興光伏市場的興起，也是無形的競爭壓力，光伏產能過剩問題嚴峻，我國亟需改變依賴出口的發展方式，擴大內需，將農業與光伏產業相結合，走新型“農村包圍城市”之路。

農業光伏，是應用光伏的現代農業，能做到資源節約“一地多用”，即在同一塊土地或者水面上，既可以經營發展基礎的農業活動，又可以為光伏發電提供空間。專家推算，倘若在全國大面積地推廣光伏農業產品，如太陽能殺蟲燈、光伏生態大棚、光伏養殖場、光伏污水凈化系統等，其市場產值將呈一種裂變式的增長，5年內可達到萬億元規模。

注：數據來源于彭博新能源財經。Note：Data were from Bloomberg New Energy Finance.圖1　2006～2014年光伏新增裝機容量發展趨勢Fig. 1　Development trend of newly installed photovoltaic capacity from 2006 to 2014

注：數據來源于彭博新能源財經。Note：Data were from Bloomberg New Energy Finance.圖2　2014年全球光伏新增裝機容量排名前10國家占比Fig. 2　Proportion of the top ten countries with newly installed photovoltaic capacity in 2014

2　發展農業光伏的意義

發展農業光伏，一方面打破了我國光伏產業萎靡不振進入“寒冬”的僵局；另一方面，利于現代農業的轉型及產業結構的調整。農業光伏創造性地結合第一產業、第二產業和第三產業，促進各產業協調發展，同時這種“類工業”化的道路緩解了農業用地和工業用地的矛盾，在滿足城市工業化發展的同時不占用農業用地。不僅創新了光伏產業的發展模式，而且優化了產業結構，提高了土地利用率。

我國幅員廣闊，有著豐富的太陽能資源，同時也擁有廣闊的農業用地，耕地面積約0.99億hm2，森林面積約1.15億hm2，草原面積約3.19億hm2，草山草坡約0.48億hm2，淡水水面面積約0.17億hm2，海水灘涂面積約199.80萬hm2，農業占地總面積約6.01億hm2，約占我國國土面積的62.57%[5]。從以上數據可以看出，將光伏技術應用于農業領域有著廣闊的產業化前景，農業光伏無疑是光伏產業的新出路。

3　光伏產業在農業生產中的應用

3.1光伏發電與傳統的發電形式相比，光伏發電不用架設電網和儲能裝置[6]。此外，光伏發電能解決偏遠山區供電難的問題，并應用于荒漠治理、取水灌溉、草原畜牧、魚塘供氧等領域中[7]。目前，對光伏發電研究較多的是地面發電項目，農業光伏起步較晚，涉及農業光伏的研究較少。我國光伏的研究起步較晚，農業光伏研究也比較欠缺。近年來，隨著光伏市場的發展，我國對農業光伏的研究有所提升，研究方向主要偏向于農業光伏實際應用的可行性、意義、存在問題及建議等方面。

國外對農業光伏研究較多的是日本和歐洲，研究內容大多集中于農業與光伏的結合方式、光伏組件安裝類型及模式、光伏發電效率等方面。20世紀90年代，美國學者就對太陽能光熱、風能、光伏三者發電潛能進行了比較研究，得出太陽熱能部分功能在經濟效益上可行，風力發電成本較高，而光伏能源局限于不能提供電力的階段[8]。有學者指出，光伏水泵在農業灌溉、溫室、圍欄電源、魚塘曝氣等方面有很大作用[9]，同年德國對光伏技術在農業中的應用展開了研討會，會議集中討論光伏電板的技術研究及在德國農業應用的可能性[10]。此后意大利、羅馬尼亞等國家也相繼將光伏引入農業，論述光伏電板在農業中使用的可能性，并對農業光伏電站做了經濟效益分析[11-12]。Yano等[13]研究了直線型和棋盤型的光伏電池排列方式，結果顯示，后者雖稍微減少了光照強度，但更利于作物生長，光伏片的分布方式對室內陰影情況和光照分布有著重要影響[14]。光伏發電是一個投資大、維修率低、保證收益的模式，與其他農業(如沼氣)相比，太陽能光伏發電沒有農民的勞動需求，節約了生產力。

3.2光伏大棚我國是世界上溫室栽培起源最早的國家[15]，溫室大棚起初主要用于過季蔬菜的生產。隨著經濟的發展，大棚已用于花卉栽培、水果生產、林業育苗、養殖動物等。光伏大棚是結合太陽能光伏發電系統的農業大棚，將電池鋪設在大棚上，充分利用空間資源的同時，還能解決棚內照明、灌溉、通風、供暖等問題，此外光伏大棚抗腐蝕能力、風、雨、雪能力強，壽命比普通的溫室大棚長。光伏大棚模式已逐漸在山東、江蘇、江西、內蒙古等全國范圍內進行推廣。

國內許多學者對光伏大棚進行了研究，黃勇研究表明，光伏大棚不僅可以解決傳統大棚“升溫、保溫”、電力供應、效益的問題，多余的電量還可以通過太陽能殺蟲燈等一些副產品，對大棚的生態環境進行維護，避免農業殘留等問題的產生，具有生態環保的作用[16]。嚴聚仁從“光伏雙反”論證了將光伏轉向本土消化，發展光伏大棚產業的可行性和必要性[17]。馮秀萍等[18]以北京農業科技學院和西北農林科技大學的農業科技園為案例，論述了在農業大棚中應用光伏技術的設計方案，為今后光伏大棚的發展指明了思路[19]。楊月梅等[19]最新研究顯示，光伏大棚發電項目的運行對生態農業利大于弊，并指出外國學者對光伏大棚的研究內容多傾向于光伏組件的類型、結合方式及發電效率的提升等方面。

3.3光伏養殖現代化的養殖是一門交叉學科，養殖場的設定在廠址選擇、排污及外銷的過程中不僅要考慮占地面積、水源等，還要顧及養殖過程中的疾病防疫、苗種管理、養殖環境的控制等問題，解決這些問題的關鍵在于能源的選擇。光伏養殖是一種將現代光伏清潔能源與傳統養殖相結合，實現屋內養殖屋頂設光伏發電站或者水下養殖水上光伏發電的新型養殖模式。而與其他農業光伏模式相比，漁光模式更有其特有的優勢，由于水面環境溫度小于地面環境溫度，組件之間間距較其他模式大，形成良好的日照、通風、降溫環境，對于延長光伏壽命及提高發電效率較為有利。

目前，光伏養殖在我國尚未全面推廣，處于探索研究階段。我國首個光伏屋頂“養豬場”在河北定州建成，恒溫、通風設備齊全，所有的用電全靠屋頂光伏發電[20]。趙軼浩等[21]以湖北鄂州農業光伏科技園為例，論述了一種以水上養殖為主體，協同光伏發電，發展生態農業的“漁光互補”模式的應用。梁忠武[22]著重分析了海水養殖光伏發電項目實施中應注意的問題，同時表明我國漁光互補模式開發應用存在的問題，并提出了解決方案。近年來，我國漁光互補項目發展迅速，2012年我國第一個“漁光一體”項目在江蘇建湖縣建成，利用魚塘及蘆葦蕩灘涂實現并網發電，此后東部地區相繼建成多個“漁光一體”電站，“漁光一體”已成為東部地區建設光伏電站的首要選擇。合肥廬江縣白湖鎮20 MW漁光互補光伏電站，年發電2 200 kW·h；浙江桐鄉市洲泉鎮，年發電量1 800～2 000 kW·h；浙江省寧波市寧?？h計劃建設漁光互補項目，建成后年發電量1億kW·h。除此之外，還有江西鄱陽鴉鵲湖、天津寧河潘莊、湖北鄂州、寧夏石嘴市惠澤湖漁光互補項目等。

4　結語

農業與光伏相結合的發展模式節約了土地資源、水資源，充分利用現存空間，能通過光伏發電來調節種植、養殖環境，優化現有的能源結構，改善當地資源環境，同時還能改變當前粗放的產業結構，帶來一定的經濟效益和人文效益，是真正意義上的綠色可持續發展之路。盡管，目前農業光伏、漁光互補等模式還處于試驗探索階段，但是在國際減少石油能源消耗、能源結構調整的大背景下，國家各種農業光伏政策的鼓勵和支持下，一定能摸索出適合農業生產和光伏發電的最優模式。

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Development status of Photovoltaic Industry and Its Application in Agriculture

JIANG Gao-zhong1, XU Pao1, LIU Hui-fen2et al

(1. Freshwater Fisheries Research Center of Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi Fisheries College of Nanjing Agricutlrual University, Key Laboroatory of Freshwater Fisheries and Germplasm Utilization of the Ministry of Agriculture, Wuxi, Jiangsu 214081; 2. Tongwei Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041)

Development stauts of photovoltaic industry was analyzed in China. The meaning of photovoltaic agriculture development was elaborated. Application of photovoltaic industry in agricutlral production was reviewed from three aspects of photovoltaic power generation, photovoltaic greenhouse and photovoltaic cultivation. Finally, the application prospect and development trend of photovoltaic industry in agricultural were pointed out.

Photovoltaic; Agriculture; Photovoltaic agriculture; Application prospect

中國水產科學研究院淡水漁業研究中心與通威股份有限公司合作創新項目(TW2015R019)。

蔣高中(1968- )，男，江蘇大豐人，研究員，博士，從事漁業文化與科技發展、漁業科技史等研究。

2016-06-22

S 214

A

0517-6611(2016)20-060-03