淺析甘肅河西走廊地區發展光伏農業的前景及思路

趙玲霞，盛海龍

河西學院 物理與機電工程學院，甘肅 張掖 734000

根據國家能源局的統計信息，2017年上半年，西北五省（區）新增光伏發電并網容量422.49萬kW，截至2017年上半年，累計并網容量3 458.9萬kW，占全網總裝機的13.88%。2017年上半年，光伏發電量186.34億kW·h，占全網總發電量的5.61%；利用小時數620h，棄光電量34.29億kW·h，棄光率15.5%。西北及五?。▍^）棄光率依次為：陜西9.7%、甘肅24.1%、青海5.3%、寧夏5.6%、新疆26.5%。

由上述數據可以看出，棄光現象主要集中在新疆和甘肅。2016年光伏發電裝機規模出現向中東部區域轉移的現象，雖然光伏裝機向中東部轉移在一定程度上會降低棄光率，但會使中東部地區對于西部地區的光伏消納需求降低，進一步加劇了西部地區消納光伏發電的難題。在目前電力外送逐步減少的情況下，實現就近消納將是西部光伏產業發展的長久之道。

一、甘肅河西走廊地區光伏產業發展的困難與瓶頸

（一）自然條件

河西走廊包括酒泉市、嘉峪關市、張掖市、金昌市和武威市的19個縣、區，總面積為27.9萬km2，占全省的60%左右，而耕地面積約占全省的19%。地處東經93°51’～103°46’，北緯36°31’～40°21’，當地云量稀少，日照時間較長，光照資源較豐富，年平均日照時數在2 600～3 319h之間，太陽總輻射量在5 400～6 350MJ/m2之間，從太陽能可利用開發的地域來看，河西地區屬于我國太陽能資源較豐富的地區。

（二）光伏產業發展的困難與瓶頸

甘肅省光伏產業發展過程中存在的困難和問題主要有以下幾個方面，一是棄光限電問題突出，由于近年來光伏發電建設速度快、規模大，全省并網裝機容量已超過500萬kW，居全國之首，但是在光伏電站快速發展的同時，出現了嚴重的棄光限電情況；二是受電網接入制約；三是受電力輸出制約；四是光伏電站規模化發展受制約，受全省電力市場消納和項目資源分配因素影響，國家對光伏電站建設實行規模控制，以電力送出和消納空間為前提布局光伏電站項目，對張掖、武威、金昌、酒泉和嘉峪關等棄光限電嚴重地區，除配合特高壓外送通道安排的項目外，嚴格控制新建規模，主要消化已建項目和在建項目的發電能力。

光伏產能過剩問題嚴峻，為擴大內需，實現就近消納，可將光伏產業與農業相結合，發展光伏農業。光伏產品在農業中的應用，不僅有利于現代農業的轉型及產業結構的調整，也可以解決光伏產業遇到的困境問題。因此，發展光伏農業可以實現光伏產業與現代農業的共贏。

二、光伏農業的概念、優勢及發展現狀

（一）光伏農業介紹

光伏農業就是將太陽能發電廣泛應用到現代農業種植、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，常見的光伏農業模式有光伏種植、光伏養殖、光伏水利等。

光伏種植有玻璃溫室、日光溫室與敞開式三種方式，對這三種方式進行比較分析，結論是日光溫室在光伏發電與農業收益方面能夠較好結合，是目前最有前景的發展形式[1]。光伏溫室大棚棚頂發電，棚下進行農作物種植，目前主要種植作物有蔬菜、花卉、菌類、藥材及觀賞類苗木等[2]；智能型光伏溫室大棚中，集通風、光照、滴灌及溫控為一體，通過對室內溫度、濕度、CO2濃度及光照等作物生長環境因素的控制，提高生產效率及經濟效益；光伏設施農業的滴灌技術的主要優點是可利用自動控制技術根據作物生長情況及棚內溫度進行智能灌溉，既節省了人力，又提高了水資源利用率；不足之處在于造價高、建造標準不統一等[3]。

光伏養殖有光伏畜禽大棚養殖和漁光互補的水產養殖兩種方式，前者將光伏發電技術與大棚養殖結合，把開放式或半開放式畜禽圈舍改造為透光或半透光的太陽能光伏板蓋頂，利用光伏板所發電能提高舍內溫度，保證畜禽順利過冬，同時提供棚內照明、消毒，清洗設備等所需電力，余電上網，以此提高畜禽養殖經濟效益[4]；后者利用魚塘或灘涂濕地，在水面支上光伏組件，建成光伏電站，建設模式主要有固定式和漂浮式，其優點是光伏組件在發電的同時，還可為池塘遮光，以減少水分蒸發，漁光互補模式在國外早有應用[5]。

光伏在水利上的應用有光伏揚水系統和光伏節水灌溉系統，光伏揚水系統一般建在邊遠地區或常規電力難以到達的地區，作為農林灌溉、荒漠治理、草原畜牧、生活用水等的動力電源。另外，光伏還可用于太陽能水情監測報告系統、林業監測報告系統、太陽能殺蟲燈等。

綜上所述，隨著光伏農業的發展，越來越多的光伏產品被用于農業生產中，促進了農業的現代化進程和農村經濟的發展，提高了農民的收入，同時也拓展了光伏產品在國內的應用市場。

（二）光伏農業的優勢

作為現代農業的重要呈現形式，光伏農業不僅符合國家發展新能源的戰略，將受到補貼等政策福利，更是能夠在一定程度上解決當前農村面臨的諸多問題：一是緩解農村的人力矛盾，例如智能化光伏溫室大棚，通過自動化技術的應用，在提高生產效益的同時，也減輕了大棚管理人員的工作量；二是提高了土地利用率，無論是光伏種植還是光伏養殖，均不占用額外的土地資源，通過對現有資源的改造，實現了對土地的二次利用和增值；三是可以為不同農作物創造適宜的生長環境，種植有機且高附加值的農產品，如藥材、食用菌、珍貴苗木等；四是太陽能所發電量在滿足農業用電的同時，可將多余電量賣給電網公司，為農業參與者和投資者提供盈利的機會。

光伏農業的發展前景是廣闊的，但目前光伏農業仍處于初期階段，還面臨著諸如標準不統一，商業模式不明朗，多方利益有機協調，農民積極性不高等等問題。對普通的農戶來說，光伏發電成本依然較高，但是，相信未來隨著國家政策、財政補貼的保駕護航，經驗的成熟，光伏在農業上的應用會越來越廣泛，農戶將從中受益越來越大。

（三）光伏農業在國內的發展現狀

2009年10月，臺灣光寶集團在江西上饒承建了中國第一個薄膜硅光伏農業大棚，2012年后出現了光伏養殖和光伏種植等應用形式，2013年3月，國內首批17座光伏大棚在“蔬菜之鄉”山東壽光建設完成，并于當年11月并網發電。目前，光伏大棚模式已逐漸在山東、江蘇、江西、內蒙、寧夏等多省乃至全國范圍內進行推廣。

2009年，我國光伏農業電站裝機容量不到1MW，2014年則達到1 182MW，呈現爆發式增長。到2014年3月，經相關部門立項的光伏農業大棚、漁光互補的水產養殖、光伏畜禽養殖大棚等項目已達400多個。

據統計截至2014年底，我國已建成的農業設施總面積410.9萬hm2，其中塑料大棚占46%，日光溫室占25%，小拱棚等占29%，未來光伏農業市場潛力巨大。

三、甘肅河西走廊地區發展光伏農業的前景分析

（一）可利用資源

1.無公害蔬菜。甘肅省已成為我國“西菜東調”“北菜南運”五大商品蔬菜基地之一，“高原夏菜”在國內市場需求旺盛，前景廣闊。2017年全省蔬菜種植面積達868萬畝，產量突破2 000萬t。目前，全省有40多個縣區成為蔬菜重點產區，年產量均在5萬t以上，年產值達370億元以上。河西走廊灌區是甘肅省蔬菜主產區之一，作為蔬菜種植區域，河西地區以其獨特的地理位置，豐富的資源優勢，成為國內發展無公害蔬菜生產的最佳區域之一。太陽能殺蟲燈等新型綠色植保產品在綠色無公害蔬菜上應用前景廣闊。

2.設施蔬菜。目前，全省大棚面積在80萬畝以上。高效節能日光溫室蔬菜生產優勢區域，主要集中在中部沿黃灌區和河西走廊兩大區域，面積27.33萬畝，占全省日光溫室總面積的88.16%。近年來，河西5市利用戈壁等非耕地已建成高效節能日光溫室5萬畝，其中酒泉市建成了以肅州區、玉門市為主的2個萬畝戈壁農業蔬菜生產基地，建成戈壁農業產業園39個，全市戈壁農業面積達2.79萬畝；張掖市初步發展形成以甘州區巴吉灘“綠涵公司”為龍頭的非耕地設施蔬菜生產示范園，以民樂縣六壩灘“榮善公司”為龍頭的設施食用菌生產示范園和以臨澤縣北部灘板橋鎮“紅溝葡萄”為龍頭的設施林果栽培示范基地，全市累計開發戈壁農業2.2萬畝；嘉峪關市累計建成戈壁日光溫室1 200畝，畝均效益均穩定在2萬元以上。同時，戈壁農業的種植作物也由原來的蔬菜逐步拓展到現在的葡萄、西瓜、甜瓜、食用菌、沙蔥等，光伏產業可利用空間巨大。

3.畜牧建設。甘肅是全國六大牧區之一。近年來，省委、省政府高度重視畜牧業的發展，“十二五”時期，連續出臺了一系列扶持政策，不斷加大基礎設施投入，為現代畜牧發展提供了強有力的保障。河西地區為牧區半牧區畜牧業，是甘肅的肉牛、肉羊、奶牛的主要生產基地之一，例如酒泉、張掖的奶?；兀C南、天祝等沿祁連山北麓縣區為主的河西百萬只細毛羊生產基地，酒泉的絨山羊基地等。有關市、縣級政府相繼出臺了扶持肉牛、肉羊、奶牛產業發展的相關政策，把肉牛、肉羊、奶牛作為推動畜牧業突破性發展的主導產業來抓。

在農區和半農半牧區種草養畜，提高農作物秸稈飼料化利用率，加大草畜產業開發力度，以標準化規模養殖場（小區）建設為主攻方向，大力推廣綜合配套生產技術，提高科學養畜水平和規模化經營水平；牧區為保護草原生態、維護草畜平衡、推進可持續發展，強化養殖暖棚建設，推進舍飼養殖。不同規模的養殖場發展迅速，牛舍羊圈數量猛增。

4.灌溉設施。河西走廊是甘肅乃至西北地區重要的商品糧、蔬菜、瓜果和肉類的生產基地，灌溉農業歷史悠久，是甘肅省重要農業區之一。農業灌溉用水量占總用水量的80%以上，張掖、武威等地甚至達到90%。該地區屬干旱少雨區，農業灌溉用水主要來祁連山冰雪融水，水資源開發利用程度高。近年來，受自然氣候變化和人類生產活動的共同影響，在水資源開發利用過程中引發了一系列生態問題，導致水源來水量減少；同時，水資源利用方式落后，傳統的大水大地塊漫灌仍很普遍，造成水資源浪費和土壤的鹽堿化；另外，基礎設施和管理水平落后、高效節水的噴、滴灌等農業節水科技成果轉化率低，推廣應用遲緩。綜上所述，河西走廊水資源短缺與浪費并存，為實現該地區生態、經濟的可持續發展，需加快改變傳統農業用水方式，大力發展高效節水灌溉，提高水資源利用效率。

為此，甘肅省2014年正式啟動建設河西走廊高效節水灌溉示范區項目，這一項目總投資91.7億元，規劃發展高效節水灌溉面積727.22萬畝。項目實施范圍包括整個河西地區及其他市縣，分兩期實施，其中2013-2016年為一期，規劃發展高效節水灌溉面積500萬畝；2017-2018年為二期，規劃發展高效節水灌溉面積227.22萬畝，加上以前已經建成的高效節水灌溉面積，截至2018年，項目區高效節水灌溉面積將達到1 000萬畝，占項目區有效灌溉面積的70%以上[6]。光伏節水灌溉設施應用前景廣闊。

（二）光伏農業對現有資源的改造利用

1.在無公害蔬菜種植區安裝太陽能殺蟲燈。對無公害蔬菜及日光溫室，安裝太陽能殺蟲燈設備，取代農藥或少用農藥，有效解決傳統農業中因大量使用農藥而帶來的蔬菜、瓜果農藥殘留嚴重、農業廢棄物大量增加的問題，從而達到保護農村生態環境，減少食品安全事故，保證蔬菜安全的目的。

2.以新型薄膜光伏太陽能電池替換傳統大棚面料。新型薄膜光伏太陽能電池的最大優點是可以透光，而且溫度系數低，在陰天、雨天和霧天也能發電，常年累計發電量比晶硅電池發電效率提高20%左右。據調查，這種薄膜太陽能電池的最大吸收波峰為400～600nm，而植物進行光合作用的有效光譜為440nm的藍光和660nm的紅光區，在理論上薄膜太陽能電池的最大吸收波峰與植物光合作用的吸收波峰并不沖突。這種新型農業大棚能完全實現能源自給，既節能環保，又極易維護[7]，與普通農業大棚相比，光伏農業大棚的抗風、雨、雪，抗腐蝕能力大大提高，具有較高強度和抗腐蝕性，可減輕自然災害對植物的傷害，有助于農產品品質的提高；不利影響主要為光伏板對植物遮光影響，但這種影響可通過選擇不同喜光類型的植物及采用LED燈補光措施來減緩。

3.將現有養殖場改造建設為太陽能光伏養殖場。將現代清潔能源工程與傳統養殖業相結合，建造太陽能光伏養殖場。在現有養殖場屋頂建設光伏電站，以改造和提升傳統畜牧養殖業，既可以為養殖基地提供能源供給，還可以給牲畜、養殖場所提供熱量和電力，以確保牲畜能順利過冬。

4.對現有灌溉設施進行改造。河西地區農業灌溉用電主要采用柴油機發電與農村低壓電網供電兩種方式，但該地區的太陽能資源較為豐富，可利用光伏發電系統代替燃油或電網給灌溉系統提供動力，實現低碳、節能及環保，并通過輔助自動控制技術提高節水灌溉效率。

光伏節水灌溉系統，由光伏陣列、蓄電池儲能系統、傳感器系統、太陽能水泵、灌溉控制系統等幾部分組成[8]，具有低能耗、節約用水、使用方便等優點，可實現高效節水灌溉，但投資、運行、維護成本相對較高，主要用于日光溫室。2015-2016年在新疆農墾科學院高效用水觀測站試驗地開展了大田光伏提水滴灌自動化控制技術的集成研究與應用示范[9]，河西地區相關部門對此應予以考察和借鑒，并在農業灌溉區建立示范區。

此外，可在河西的邊遠地區及牧區安裝光伏揚水系統。光伏揚水系統主要由光伏陣列+光伏揚水逆變器+交流水泵或光伏陣列+直流水泵構成[10]，一般出于經濟角度考慮，系統不采用蓄電池儲能環節，根據天氣狀況將“蓄電”改“蓄水”，以提高灌溉穩定性。該系統可實現自動運行，無人值守，可靠性高，系統的建設和維護成本較低，節水效果達到百分之二十至百分之六十，實現節水節能，抗旱保收。

四、發展光伏農業的思路

（一）做好光伏大棚扶貧試點建設工作

光伏大棚是光伏扶貧模式之一，2014年，張掖市的民樂縣列入全國30個首批光伏扶貧試點縣范圍，民樂縣在開展試點工作中，用貧困村鎮的荒山荒坡、農業大棚或設施農業、貧困戶的房屋屋面等建設光伏電站。其中，在民樂工業生態園內建設20MW光伏設施農業項目，在光伏發電的同時，進行食用菌生產；2016年7月，在酒泉玉門總投資8 494萬元的甘肅光彩新能源玉門5MW光伏扶貧試點項目開工建設，項目計劃建設高標準光伏溫室大棚100座，光伏電站裝機容量5MW，所發電量并入當地110KV變電站。當地政府應做好光伏扶貧試點項目建設，確保項目建設質量、后期運維及農戶收益，提高農民的積極性，將其建成市縣現代農業的樣板和窗口，以點帶面，推動光伏農業的發展。

（二）積極探索光伏農業發展模式

光伏農業的初期建設投資成本普遍較高，如果沒有有效的解決方案，農戶將難以承擔。以光伏發電扶貧為例，政府扶貧資金占到70%～80%，其余為農戶從銀行貸款或企業墊付，為減輕農戶負擔，對于農戶貸款自籌資金的一般由政府貼息，企業墊付或投資的將從收益中按照一定期限逐年收回。

在光伏扶貧及光伏農業發展過程中，出現了“政府+金融部門+貧困戶”、“政府+金融部門+合作社”及“政府+企業+合作社”等利益聯結機制及模式，政府通過培育龍頭企業，出臺獎補政策，加大資金投入，有力地促進了光伏農業產業的快速發展。同時應積極探索并推廣新的光伏農業模式，在企業獲利的同時，最大限度保證農戶的收益，例如光伏農業大棚，采用“企業+基地+農戶”模式，農戶除了獲得土地租金外，還可被雇傭進棚務工以獲得工資性收入。

（三）制定合理的發展規劃

發展光伏農業，應根據當地的自然條件和市場狀況，制定光伏農業的發展策略。以光伏種植大棚為例，首先對市場需求進行調研，然后結合當地自然條件和光伏大棚的特點確定光伏大棚內的種植作物及大棚建設方案，另外還需根據作物屬性及其對光照的要求確定光伏板透光率等。只有先做好充足的準備，精準定位才能做到有針對性的生產，不同作物生長規律不同，對光照的要求也不同，光伏大棚的設計和建造業不能一概而論，光伏養殖、光伏節水灌溉等其他光伏農業項目也一樣，應根據不同項目類型設計不同方案，建立不同的盈利模式。

（四）政府的政策和資金支持

國家、省級已分別出臺了光伏產業的資金補貼政策，市縣級地方政府也需要根據自身財政情況出臺相應的補貼政策，以利于發展和普及光伏農業產，如設置專項經費用于推廣光伏農業技術或產品，加快光伏農業的發展步伐，各地區相關部門應和甘肅省農業農村廳牽頭，打造光伏農業樣板和示范工程，帶動有條件的農業單位、企業發展光伏農業等。此外，應加強與科研院所、高校等的合作交流，在技術上予以指導，以推動光伏產品在農業生產中的應用進程，促進光伏與農業的深度融合，扶持光伏農業的快速發展。