農業光伏技術在現代農業生產中的實踐與挑戰

摘要：農業光伏技術作為農業與新能源融合發展的重要方向，在提高土地利用率、優化農業生產模式、減少碳排放等方面發揮著重要作用。該技術通過在農田、溫室、牧場及漁場等場景安裝光伏發電系統，實現農業生產與可再生能源利用的協同發展，提高農業智能化水平，降低傳統能源消耗。本文分析了農業光伏在提高農業生產效率、減少碳排放等方面的作用，并指出在實際應用中面臨的技術挑戰，包括光伏組件對作物生長的影響、儲能與并網技術的限制及經濟成本等問題。研究旨在為農業光伏技術的進一步推廣和發展提供理論依據與實踐指導。

關鍵詞：農業光伏；光伏溫室；光伏灌溉；光伏畜牧；可持續發展

隨著全球能源結構的轉型和農業現代化進程的加快，農業光伏技術在農業生產中的應用逐漸受到關注。這一技術通過在農田、溫室、牧場及漁場等農業場景安裝光伏發電系統，實現農業與新能源的協同發展。農業光伏不僅能為農業生產提供清潔能源，還能改善農業生產環境，提高土地利用效率，助力農業低碳化發展。然而，農業光伏技術在實踐中仍然面臨諸多挑戰，包括光伏板遮光對作物生長的影響、儲能與電網接入的技術難題以及初始投資較高等問題，亟須探索科學合理的優化策略，以提高其經濟性和可推廣性。

1 農業光伏技術的基本原理

農業光伏系統由光伏組件、支架系統、儲能裝置、并網設備和智能監測系統構成。光伏組件是核心部分，通常采用單晶硅或多晶硅材料，將太陽能轉化為電能，部分系統使用半透明光伏板，兼顧光伏發電與作物生長所需的光照。支架系統的設計與農業特點緊密結合，確保作物在光照適宜的環境中生長，同時減少光伏板對農作物的遮光影響。儲能裝置能夠提高能源利用效率，確保系統在光照不足時仍能穩定供應電力。并網系統使得多余電力可反饋至電網，并在農業生產高峰期補充電力[1]。智能監測系統通過傳感器、自動調光系統等手段，實時監控環境變化，優化光伏板的透光率與角度，保障農業生產的持續性。

2 農業光伏技術在現代農業生產中的實踐應用

2.1 光伏溫室的應用

光伏溫室是在傳統溫室農業的基礎上集成光伏發電系統的一種現代農業模式。溫室頂部安裝光伏組件，在提供農業生產能源的同時，通過智能光照調節技術優化溫室內的光環境、溫濕度條件，提高農作物的生長效率?，F代光伏溫室通常采用半透明光伏板，其光照透過率可調節在20%～50%，以滿足不同作物對光照的需求。例如，黃瓜、番茄等果蔬類作物適宜透光率在30%～40%，而蘑菇、葉類蔬菜則可適當降低光照需求，提高光伏發電效率。

光伏溫室的能源管理系統配備智能調節裝置，可根據外界光照條件調整光伏板的傾角，使透光量與作物生長需求相匹配。在陰天或夜間，光伏儲能系統可提供備用電力，維持溫室的自動灌溉、通風、加溫等設備的運行。例如，一座裝機容量為100 kW的光伏溫室，每年可提供電量約1.2×105 kW·h，足以維持1.33 hm2溫室的全年運行，并向電網輸送富余電量。

2.2 光伏灌溉系統的應用

農業灌溉是農業生產的重要環節，傳統灌溉方式受限于電網覆蓋范圍及能源成本，而光伏灌溉系統能夠有效解決偏遠地區的農田灌溉問題。光伏灌溉系統由太陽能電池組件、水泵、儲水池、智能控制系統等組成，利用太陽能直接驅動水泵取水，提供穩定的灌溉水源。

光伏水泵的功率根據水井深度、灌溉面積和水需求量進行匹配，例如，在北方干旱地區，一臺3 kW的光伏水泵可滿足約0.33～0.67 hm2農田的日常灌溉需求，而10 kW的光伏水泵系統則可覆蓋3.33 hm2以上的灌溉面積。光伏灌溉系統結合土壤濕度傳感器和遠程監測系統，實現精準灌溉，當土壤濕度低于設定值時自動啟動水泵供水，提高水資源利用率。

光伏滴灌技術的推廣進一步提高了灌溉效率，通過低壓太陽能供電系統驅動滴灌管道，將水分直接輸送至作物根部，實現水分高效吸收。相比傳統漫灌方式，光伏滴灌可節水50%以上，顯著減少地下水資源消耗，提高農業生產的可持續性。

2.3 光伏畜牧場的應用

光伏畜牧場主要應用于牧區和規?；B殖場，在牧場空地或養殖場屋頂安裝光伏組件，為畜牧業提供穩定電力供應，并改善牧場生態環境。光伏組件的遮陰作用可降低牲畜熱應激，提高生產性能[2]。例如，夏季高溫環境下，光伏板可降低地表溫度3～5℃，減少牛羊因高溫導致的食欲下降和產奶量降低現象，提高牧場經濟效益。

光伏供電系統在養殖場中的應用涵蓋飲水供給、自動飼喂、環境控制等多個方面。在新疆、內蒙古等大型牧區，光伏發電系統為自動化供水設備提供電力支持，使牲畜能夠在遠離固定水源的牧場自由放牧，提升放牧效率。對于規模化畜禽養殖場，光伏發電系統為溫控、通風、照明等設備提供電力，減少傳統燃煤或柴油發電機的使用，降低能源成本。在一座占地3.33 hm2的牛羊養殖場，配置裝機容量50 kW的光伏系統，每年可發電約6×104 kW·h，能夠滿足所有用電需求，并顯著減少碳排放。

2.4 光伏漁場的應用

光伏漁場是在水產養殖水面上方安裝光伏板，使光伏發電與漁業生產結合的一種模式。光伏板覆蓋部分水面后，能夠減少水分蒸發，穩定水體溫度，提高水體溶氧水平，為水產養殖創造更適宜的生長環境。在光伏組件覆蓋50%的魚塘水面時，可使水溫波動幅度減少1～2℃，降低魚類因高溫或低溫引發的應激反應，提高成活率。

光伏漁場的能源供應主要用于水質調控設備，如增氧機、循環水泵和自動投餌機等。例如，3 kW的光伏系統可驅動一個1.5 kW的增氧機連續運行8 h，滿足0.2～0.33 hm2水面的增氧需求，保證魚蝦生長的水質穩定性。部分智能光伏漁場還配備了水質監測傳感器和遠程控制系統，可時實檢測水體溶氧量、pH和氨氮濃度，并自動調整增氧設備的運行狀態，提高水產養殖管理的智能化水平。

光伏漁場的經濟效益也較為可觀，以一座6.67 hm2的養殖水域為例，安裝500 kW的光伏組件，每年可發電6×105 kW·h，在滿足養殖設備用電的同時，富余電量可并入電網，每年可額外創造數十萬元的電力收益。這種模式的推廣，不僅提高了漁業的經濟效益，也促進了水域資源的高效利用，為水產養殖業提供了一條可持續發展路徑。

3 農業光伏技術在現代農業生產中面臨的挑戰

3.1 技術挑戰

光伏組件對農業生產環境的影響是農業光伏技術面臨的主要技術挑戰之一。尤其在農光互補系統中，光伏板的遮光效應可能降低作物的光照，影響光合作用，特別是對光照需求較高的作物，如小麥和玉米等，光伏覆蓋面積若過大，可能導致產量下降。當光伏組件覆蓋率超過40%時，農作物的光合效率可能下降10%～20%。解決這一問題需要優化光伏組件的透光率、角度及排列方式，盡管采用半透明光伏板或可調角度支架能部分緩解遮光問題，但這些技術仍面臨高成本的挑戰。

儲能和并網問題同樣制約農業光伏系統的穩定性。由于光伏發電受天氣影響較大，農業生產通常要求穩定的電力供應。當前儲能系統的鋰電池雖然能夠調節電力波動，但成本較高，且壽命有限[3]。而在偏遠地區，由于電網基礎設施薄弱，農業光伏系統的并網問題依然難以解決。微電網技術的應用雖有潛力，但尚處于初步階段，仍需要完善能源調控與儲存系統以提高能源的穩定性。

此外，光伏板長期暴露在戶外環境中，灰塵、泥沙及鳥糞等污染物會降低其發電效率，積塵率超過10%時，發電功率可下降5%～15%。在高溫環境下，光伏板的熱衰減效應更加顯著，溫度每升高1℃，發電效率會降低0.3%～0.5%。因此，光伏農業系統的日常維護，包括定期清潔光伏板和檢修設備，成為長期運行中的一大挑戰。

3.2 經濟挑戰

農業光伏項目的初期投資成本較高。安裝光伏組件、支架、儲能設備和智能控制系統等設備的總成本通常為6 000～10 000元/kW。對于中小型農業經營者而言，一套50 kW的小型光伏系統的投資可能超過30萬元，這對于資金有限的農戶來說是一項較大開支。雖然農業光伏項目的回本周期通常在6—10年，但較長的回收周期仍可能影響農戶的投資積極性。

光伏電價補貼政策的不確定性加劇了這一挑戰。隨著光伏產業發展，國家對光伏上網電價補貼逐漸減少，部分地區的分布式光伏發電項目已無法獲得高額補貼，進而影響項目的經濟效益。若光伏發電的收益無法覆蓋初期投資及維護成本，農業光伏的推廣將面臨困境。目前，大多數農業光伏項目的盈利模式仍依賴電力銷售，電價的變化直接影響項目的經濟可行性。

土地資源利用問題也給農業光伏項目帶來經濟壓力。部分地區因農田用地性質問題難以通過審批，建設光伏設施需要變更土地用途，審批過程漫長且復雜。另外，高光照地區的土地租金較高，增加了項目建設成本，因此合理規劃光伏設施的布局，提升土地利用效率，是降低成本和提高經濟效益的關鍵。

3.3 環境與生態挑戰

光伏設施對農業生態環境的影響需要科學評估。在光伏溫室、農光互補系統中，光伏板的存在可能改變農田的小氣候環境，影響土壤濕度、溫度和風速，進而對作物的生長特性產生影響。在牧光互補系統中，大面積光伏板的安裝可能減少地表植被的光合作用，影響牧草生長。在漁光互補系統中，光伏組件覆蓋水面后，雖然能減少水體蒸發，穩定水溫，但如果光伏板覆蓋率過高，可能影響水體的光照透過率，影響水生植物的生長，并可能降低水體的自凈能力。

光伏設備的生產、使用及報廢處理的環境影響同樣不容忽視。目前，光伏組件的主要材料包括硅片、玻璃、鋁框架等，生產過程中涉及高能耗及一定的污染物排放。光伏組件的使用壽命一般在20～30年，退役后的光伏板處理成為一個潛在的環境問題。如何實現光伏組件的高效回收利用，減少其對環境的影響，是農業光伏可持續發展需要解決的重要課題。

農業光伏項目的生態影響還涉及水資源的合理配置。在干旱半干旱地區，光伏農業模式依賴光伏水泵供水，但如果水資源管理不當，可能導致地下水超采問題[4]。部分農業光伏示范項目已開始配套水資源調控系統，通過智能監測技術優化灌溉方案，確保水資源的可持續利用。

4 農業光伏技術在現代農業生產中的優化策略

4.1 加強技術研發與創新

農業光伏技術的進一步發展依賴于技術的持續創新，尤其是在光伏組件的性能提升和智能化管理方面。開發新型半透明光伏組件是提高光照透過率并適應不同作物需求的關鍵，當前市場上的光伏薄膜材料已能在20%～50%的透光率范圍內調節光照強度，以保證作物的生長條件與光伏發電效率的平衡。儲能技術的進步同樣至關重要，特別是鈉離子電池和液流電池等新型儲能設備，具有較低的成本和更長的循環壽命，為大規模農業光伏系統提供了更好的儲能解決方案。微電網技術的發展將進一步優化電力調度，使農業光伏項目能夠更好地適應電力需求波動[5]。智能管理系統的應用，結合物聯網技術和人工智能算法，能夠精準調控光伏溫室和灌溉系統中的各項數據，自動調整設備運行參數，最大化能源使用效率和農業產出。

4.2 降低成本

降低農業光伏系統的投資和運維成本是實現其廣泛應用的關鍵。隨著光伏技術的進步，光伏組件的成本持續下降，預計未來幾年內每瓦的成本將進一步降低至1元以下，極大地降低了整體投資門檻。在運維方面，自動清潔機器人和智能防污涂層的應用有效減少了光伏板的清潔需求，提升了發電效率并降低了人工維護成本。無人機巡檢技術也能快速識別故障組件，減少檢修時間，提升系統的運行效率。此外，政府的財政補貼、低息貸款和綠色基金等融資支持政策能夠減輕農業經營者的投資壓力。通過電價補貼和稅收減免等措施，降低項目的投資風險，使更多農戶和農業企業能夠負擔光伏設施的建設和維護。

4.3 生態與可持續發展路徑

農業光伏的可持續發展需兼顧生態環境保護。光伏設施的建設應根據區域氣候特點優化布局，避免因光伏板遮光影響作物生長。特別是在干旱地區，光伏板的遮陰作用能有效減少水分蒸發，提升土壤濕度，而在濕潤地區則應控制光伏覆蓋率，避免土壤濕度過高影響作物根系。對于大型光伏基地的建設，應優先選擇荒地和鹽堿地等低效用地，避免占用高產農田。牧光互補系統在草原牧區的應用需關注草場生態的保護，合理設計光伏組件布局，減少對草場植被的遮擋，以保證生態平衡。光伏設備的回收與再利用是實現綠色發展的另一個重要環節，光伏組件通常由玻璃、硅片和金屬框架等材料制成，報廢后的光伏板應進行資源化處理，減少環境污染。通過推動光伏廢棄物的回收與再利用，提高資源循環利用率，有助于減少光伏產業的環境影響，推動農業光伏的綠色發展。

5 結語

農業光伏技術作為推動農業綠色轉型的重要手段，正在全球范圍內逐步實現技術突破和產業化應用。盡管面臨技術、經濟和生態等多重挑戰，但通過不斷的技術創新和政策支持，農業光伏的應用前景仍然廣闊。未來，隨著智能化、低成本光伏系統的普及，以及能源與農業的深度融合，農業光伏將不僅為農業生產提供穩定的能源保障，也將為農業可持續發展貢獻重要力量。推動農業光伏技術的發展，需要持續加強生態保護、優化資源利用，并在技術創新的基礎上尋求經濟可行性，確保農業與新能源的協同共贏。

參考文獻

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[3] 姚程.光伏發電技術在農業智能化灌溉系統的應用探討[J].建材與裝飾，2021，17（29）：155-156.

[4] 秦燕蘭.光伏技術在農業生產與工程領域中的應用[J].太陽能學報，2024，45（7）：752-753.

[5] 陳永亮.“光伏+”助力農業綠色化[J].江蘇農村經濟，2024（6）：46.