光伏产业的发展现状及其在农业中的应用

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摘要 分析了国内外光伏产业的发展现状，阐述了发展光伏农业的意义，从光伏发电、光伏大棚、光伏养殖3个方面综述了光伏产业在农生产中的应用，最后指明了光伏产业在农业中的应用前景及发展趋势。

关键词 光伏；农业；光伏农业；应用前景

中图分类号 S214文献标识码

A文章编号 0517-6611（2016）20-060-03

Abstract 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.

Key words Photovoltaic； Agriculture； Photovoltaic agriculture； Application prospect

能源是促进人类社会进步和经济发展的重要物质基础，而太阳能资源有着安全可靠、充足、无污染、制约少、维护简单的优点，在新能源中最具发展潜力[1]，在全球新能源形式的驱动下，光伏产业蓬勃发展。

光伏（PV or photovoltaic）是太阳能光伏发电系统（Photovoltaic Power System）的简称，是一种利用半导体材料将太阳光直接转换为电能的光伏效应，是一种新型发电系统[2]。光伏效应最早由法国科学家贝克雷尔提出，即光照能使半导体材料的不同部位产生电位差形成电流[3]。从贝克勒尔光伏效应的提出，到爱因斯坦对光伏效应的试验证实，再到贝尔第一个单晶硅光伏电池的制成，直至如今“光伏屋顶计划”和“新阳光计划”的全面实施，光伏产业以朝阳企业的姿态发展迅速，已成为世界上发展最快发电能源之一[4]。

农业光伏（Agriculture Photovoltaic）是光伏和农业生产的结合，最先由日本农业机械工程师阿基拉·中岛具夫提出。将光伏效应产生的电能应用于农业各个领域，如养殖、灌溉、病害防控、农用机械动力等，实现“一地多用”，同时多余的电量可以余电上网出售给国家，最终实现“太阳能共享”。笔者综述了光伏产业的发展现状及其在农业中的应用，以期为促进新型农业产业发展提供借鉴。

1 光伏产业的发展现状

数据显示，这几年，全球主要光伏市场新增装机容量的光伏市场呈指数型上升，市场竞争格局正发生变化，德国逐步失去光伏主导地位，中国、日本、美国市场逐步升温，近两年，英国的增长势头迅猛，成为光伏新兴市场新贵（图1）。自2012首次光伏“双反”事件发生以来，在外部市场需求和政策的刺激驱动下，我国光伏产业逐步进入良性循环、稳步发展，2014年新增装机容量也稳居第一（图2）。2016年初统计结果显示，新一轮的光伏热袭来，2015年我国光伏累计装机量约43 GW，也跃居全球第一，但补贴、土地、限电“三座大山”压力短期难除，仍存在问题。然而，2014年12月美国公布第2次对华“双反”，2015年12月欧盟委员会声明将延长对我国的光伏“双反”至2017年，来自发达国家的外部压力一直存在。此外，一些发展中国家等新兴光伏市场的兴起，也是无形的竞争压力，光伏产能过剩问题严峻，我国亟需改变依赖出口的发展方式，扩大内需，将农业与光伏产业相结合，走新型“农村包围城市”之路。

农业光伏，是应用光伏的现代农业，能做到资源节约“一地多用”，即在同一块土地或者水面上，既可以经营发展基础的农业活动，又可以为光伏发电提供空间。专家推算，倘若在全国大面积地推广光伏农业产品，如太阳能杀虫灯、光伏生态大棚、光伏养殖场、光伏污水净化系统等，其市场产值将呈一种裂变式的增长，5年内可达到万亿元规模。

2 发展农业光伏的意义

发展农业光伏，一方面打破了我国光伏产业萎靡不振进入“寒冬”的僵局；另一方面，利于现代农业的转型及产业结构的调整。农业光伏创造性地结合第一产业、第二产业和第三产业，促进各产业协调发展，同时这种“类工业”化的道路缓解了农业用地和工业用地的矛盾，在满足城市工业化发展的同时不占用农业用地。不仅创新了光伏产业的发展模式，而且优化了产业结构，提高了土地利用率。

我国幅员广阔，有着丰富的太阳能资源，同时也拥有广阔的农业用地，耕地面积约0.99亿hm2，森林面积约1.15亿hm2，草原面积约3.19亿hm2，草山草坡约0.48亿hm2，淡水水面面积约0.17亿hm2，海水滩涂面积约199.80万hm2，农业占地总面积约6.01亿hm2，约占我国国土面积的62.57%[5]。从以上数据可以看出，将光伏技术应用于农业领域有着广阔的产业化前景，农业光伏无疑是光伏产业的新出路。

3 光伏产业在农业生产中的应用

3.1 光伏发电

与传统的发电形式相比，光伏发电不用架设电网和储能装置[6]。此外，光伏发电能解决偏远山区供电难的问题，并应用于荒漠治理、取水灌溉、草原畜牧、鱼塘供氧等领域中[7]。目前，对光伏发电研究较多的是地面发电项目，农业光伏起步较晚，涉及农业光伏的研究较少。我国光伏的研究起步较晚，农业光伏研究也比较欠缺。近年来，随着光伏市场的发展，我国对农业光伏的研究有所提升，研究方向主要偏向于农业光伏实际应用的可行性、意义、存在问题及建议等方面。

国外对农业光伏研究较多的是日本和欧洲，研究内容大多集中于农业与光伏的结合方式、光伏组件安装类型及模式、光伏发电效率等方面。20世纪90年代，美国学者就对太阳能光热、风能、光伏三者发电潜能进行了比较研究，得出太阳热能部分功能在经济效益上可行，风力发电成本较高，而光伏能源局限于不能提供电力的阶段[8]。有学者指出，光伏水泵在农业灌溉、温室、围栏电源、鱼塘曝气等方面有很大作用[9]，同年德国对光伏技术在农业中的应用展开了研讨会，会议集中讨论光伏电板的技术研究及在德国农业应用的可能性[10]。此后意大利、罗马尼亚等国家也相继将光伏引入农业，论述光伏电板在农业中使用的可能性，并对农业光伏电站做了经济效益分析[11-12]。Yano等[13]研究了直线型和棋盘型的光伏电池排列方式，结果显示，后者虽稍微减少了光照强度，但更利于作物生长，光伏片的分布方式对室内阴影情况和光照分布有着重要影响[14]。光伏发电是一个投资大、维修率低、保证收益的模式，与其他农业（如沼气）相比，太阳能光伏发电没有农民的劳动需求，节约了生产力。

3.2 光伏大棚 我国是世界上温室栽培起源最早的国家[15]，温室大棚起初主要用于过季蔬菜的生产。随着经济的发展，大棚已用于花卉栽培、水果生产、林业育苗、养殖动物等。光伏大棚是结合太阳能光伏发电系统的农业大棚，将电池铺设在大棚上，充分利用空间资源的同时，还能解决棚内照明、灌溉、通风、供暖等问题，此外光伏大棚抗腐蚀能力、风、雨、雪能力强，寿命比普通的温室大棚长。光伏大棚模式已逐渐在山东、江苏、江西、内蒙古等全国范围内进行推广。

国内许多学者对光伏大棚进行了研究，黄勇研究表明，光伏大棚不仅可以解决传统大棚“升温、保温”、电力供应、效益的问题，多余的电量还可以通过太阳能杀虫灯等一些副产品，对大棚的生态环境进行维护，避免农业残留等问题的产生，具有生态环保的作用[16]。严聚仁从“光伏双反”论证了将光伏转向本土消化，发展光伏大棚产业的可行性和必要性[17]。冯秀萍等[18]以北京农业科技学院和西北农林科技大学的农业科技园为案例，论述了在农业大棚中应用光伏技术的设计方案，为今后光伏大棚的发展指明了思路[19]。杨月梅等[19]最新研究显示，光伏大棚发电项目的运行对生态农业利大于弊，并指出外国学者对光伏大棚的研究内容多倾向于光伏组件的类型、结合方式及发电效率的提升等方面。

3.3 光伏养殖

现代化的养殖是一门交叉学科，养殖场的设定在厂址选择、排污及外销的过程中不仅要考虑占地面积、水源等，还要顾及养殖过程中的疾病防疫、苗种管理、养殖环境的控制等问题，解决这些问题的关键在于能源的选择。光伏养殖是一种将现代光伏清洁能源与传统养殖相结合，实现屋内养殖屋顶设光伏发电站或者水下养殖水上光伏发电的新型养殖模式。而与其他农业光伏模式相比，渔光模式更有其特有的优势，由于水面环境温度小于地面环境温度，组件之间间距较其他模式大，形成良好的日照、通风、降温环境，对于延长光伏寿命及提高发电效率较为有利。

目前，光伏养殖在我国尚未全面推广，处于探索研究阶段。我国首个光伏屋顶“养猪场”在河北定州建成，恒温、通风设备齐全，所有的用电全靠屋顶光伏发电[20]。赵轶浩等[21]以湖北鄂州农业光伏科技园为例，论述了一种以水上养殖为主体，协同光伏发电，发展生态农业的“渔光互补”模式的应用。梁忠武[22]着重分析了海水养殖光伏发电项目实施中应注意的问题，同时表明我国渔光互补模式开发应用存在的问题，并提出了解决方案。近年来，我国渔光互补项目发展迅速，2012年我国第一个“渔光一体”项目在江苏建湖县建成，利用鱼塘及芦苇荡滩涂实现并网发电，此后东部地区相继建成多个“渔光一体”电站，“渔光一体”已成为东部地区建设光伏电站的首要选择。合肥庐江县白湖镇20 MW渔光互补光伏电站，年发电2 200 kW·h；浙江桐乡市洲泉镇，年发电量1 800～2 000 kW·h；浙江省宁波市宁海县计划建设渔光互补项目，建成后年发电量1亿kW·h。除此之外，还有江西鄱阳鸦鹊湖、天津宁河潘庄、湖北鄂州、宁夏石嘴市惠泽湖渔光互补项目等。

4 结语

农业与光伏相结合的发展模式节约了土地资源、水资源，充分利用现存空间，能通过光伏发电来调节种植、养殖环境，优化现有的能源结构，改善当地资源环境，同时还能改变当前粗放的产业结构，带来一定的经济效益和人文效益，是真正意义上的绿色可持续发展之路。尽管，目前农业光伏、渔光互补等模式还处于试验探索阶段，但是在国际减少石油能源消耗、能源结构调整的大背景下，国家各种农业光伏政策的鼓励和支持下，一定能摸索出适合农业生产和光伏发电的最优模式。

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