光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

蔣高中， 徐 跑， 劉輝芬， 吳宗文， 曹 玲， 章 瓊

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)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(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)的意義，從光伏發(fā)電、光伏大棚、光伏養(yǎng)殖3個(gè)方面綜述了光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)生產(chǎn)中的應(yīng)用，最后指明了光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)。

光伏；農(nóng)業(yè)；光伏農(nóng)業(yè)；應(yīng)用前景

能源是促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，而太陽能資源有著安全可靠、充足、無污染、制約少、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，在新能源中最具發(fā)展?jié)摿1]，在全球新能源形式的驅(qū)動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。光伏(PV or photovoltaic)是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(Photovoltaic Power System)的簡稱，是一種利用半導(dǎo)體材料將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏效應(yīng)，是一種新型發(fā)電系統(tǒng)[2]。光伏效應(yīng)最早由法國科學(xué)家貝克雷爾提出，即光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位產(chǎn)生電位差形成電流[3]。從貝克勒爾光伏效應(yīng)的提出，到愛因斯坦對(duì)光伏效應(yīng)的試驗(yàn)證實(shí)，再到貝爾第一個(gè)單晶硅光伏電池的制成，直至如今“光伏屋頂計(jì)劃”和“新陽光計(jì)劃”的全面實(shí)施，光伏產(chǎn)業(yè)以朝陽企業(yè)的姿態(tài)發(fā)展迅速，已成為世界上發(fā)展最快發(fā)電能源之一[4]。農(nóng)業(yè)光伏(Agriculture Photovoltaic)是光伏和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，最先由日本農(nóng)業(yè)機(jī)械工程師阿基拉·中島具夫提出。將光伏效應(yīng)產(chǎn)生的電能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，如養(yǎng)殖、灌溉、病害防控、農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力等，實(shí)現(xiàn)“一地多用”，同時(shí)多余的電量可以余電上網(wǎng)出售給國家，最終實(shí)現(xiàn)“太陽能共享”。筆者綜述了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，以期為促進(jìn)新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

1　光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)顯示，這幾年，全球主要光伏市場新增裝機(jī)容量的光伏市場呈指數(shù)型上升，市場競爭格局正發(fā)生變化，德國逐步失去光伏主導(dǎo)地位，中國、日本、美國市場逐步升溫，近兩年，英國的增長勢(shì)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(fā)生以來，在外部市場需求和政策的刺激驅(qū)動(dòng)下，我國光伏產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入良性循環(huán)、穩(wěn)步發(fā)展，2014年新增裝機(jī)容量也穩(wěn)居第一(圖2)。2016年初統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，新一輪的光伏熱襲來，2015年我國光伏累計(jì)裝機(jī)量約43 GW，也躍居全球第一，但補(bǔ)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(duì)華“雙反”，2015年12月歐盟委員會(huì)聲明將延長對(duì)我國的光伏“雙反”至2017年，來自發(fā)達(dá)國家的外部壓力一直存在。此外，一些發(fā)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(chǎn)能過剩問題嚴(yán)峻，我國亟需改變依賴出口的發(fā)展方式，擴(kuò)大內(nèi)需，將農(nóng)業(yè)與光伏產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，走新型“農(nóng)村包圍城市”之路。

農(nóng)業(yè)光伏，是應(yīng)用光伏的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，能做到資源節(jié)約“一地多用”，即在同一塊土地或者水面上，既可以經(jīng)營發(fā)展基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，又可以為光伏發(fā)電提供空間。專家推算，倘若在全國大面積地推廣光伏農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，如太陽能殺蟲燈、光伏生態(tài)大棚、光伏養(yǎng)殖場、光伏污水凈化系統(tǒng)等，其市場產(chǎn)值將呈一種裂變式的增長，5年內(nèi)可達(dá)到萬億元規(guī)模。

注：數(shù)據(jù)來源于彭博新能源財(cái)經(jīng)。Note：Data were from Bloomberg New Energy Finance.圖1　2006～2014年光伏新增裝機(jī)容量發(fā)展趨勢(shì)Fig. 1　Development trend of newly installed photovoltaic capacity from 2006 to 2014

注：數(shù)據(jù)來源于彭博新能源財(cái)經(jīng)。Note：Data were from Bloomberg New Energy Finance.圖2　2014年全球光伏新增裝機(jī)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(fā)展農(nóng)業(yè)光伏的意義

發(fā)展農(nóng)業(yè)光伏，一方面打破了我國光伏產(chǎn)業(yè)萎靡不振進(jìn)入“寒冬”的僵局；另一方面，利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。農(nóng)業(yè)光伏創(chuàng)造性地結(jié)合第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)這種“類工業(yè)”化的道路緩解了農(nóng)業(yè)用地和工業(yè)用地的矛盾，在滿足城市工業(yè)化發(fā)展的同時(shí)不占用農(nóng)業(yè)用地。不僅創(chuàng)新了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式，而且優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，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(shí)也擁有廣闊的農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)可以看出，將光伏技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，農(nóng)業(yè)光伏無疑是光伏產(chǎn)業(yè)的新出路。

3　光伏產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電形式相比，光伏發(fā)電不用架設(shè)電網(wǎng)和儲(chǔ)能裝置[6]。此外，光伏發(fā)電能解決偏遠(yuǎn)山區(qū)供電難的問題，并應(yīng)用于荒漠治理、取水灌溉、草原畜牧、魚塘供氧等領(lǐng)域中[7]。目前，對(duì)光伏發(fā)電研究較多的是地面發(fā)電項(xiàng)目，農(nóng)業(yè)光伏起步較晚，涉及農(nóng)業(yè)光伏的研究較少。我國光伏的研究起步較晚，農(nóng)業(yè)光伏研究也比較欠缺。近年來，隨著光伏市場的發(fā)展，我國對(duì)農(nóng)業(yè)光伏的研究有所提升，研究方向主要偏向于農(nóng)業(yè)光伏實(shí)際應(yīng)用的可行性、意義、存在問題及建議等方面。

國外對(duì)農(nóng)業(yè)光伏研究較多的是日本和歐洲，研究內(nèi)容大多集中于農(nóng)業(yè)與光伏的結(jié)合方式、光伏組件安裝類型及模式、光伏發(fā)電效率等方面。20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者就對(duì)太陽能光熱、風(fēng)能、光伏三者發(fā)電潛能進(jìn)行了比較研究，得出太陽熱能部分功能在經(jīng)濟(jì)效益上可行，風(fēng)力發(fā)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(xué)者指出，光伏水泵在農(nóng)業(yè)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(duì)光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展開了研討會(huì)，會(huì)議集中討論光伏電板的技術(shù)研究及在德國農(nóng)業(yè)應(yīng)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(nóng)業(yè)，論述光伏電板在農(nóng)業(yè)中使用的可能性，并對(duì)農(nóng)業(yè)光伏電站做了經(jīng)濟(jì)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(jié)果顯示，后者雖稍微減少了光照強(qiáng)度，但更利于作物生長，光伏片的分布方式對(duì)室內(nèi)陰影情況和光照分布有著重要影響[14]。光伏發(fā)電是一個(gè)投資大、維修率低、保證收益的模式，與其他農(nóng)業(yè)(如沼氣)相比，太陽能光伏發(fā)電沒有農(nóng)民的勞動(dòng)需求，節(jié)約了生產(chǎn)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(chǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大棚已用于花卉栽培、水果生產(chǎn)、林業(yè)育苗、養(yǎng)殖動(dòng)物等。光伏大棚是結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚，將電池鋪設(shè)在大棚上，充分利用空間資源的同時(shí)，還能解決棚內(nèi)照明、灌溉、通風(fēng)、供暖等問題，此外光伏大棚抗腐蝕能力、風(fēng)、雨、雪能力強(qiáng)，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(nèi)蒙古等全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)光伏大棚進(jìn)行了研究，黃勇研究表明，光伏大棚不僅可以解決傳統(tǒng)大棚“升溫、保溫”、電力供應(yīng)、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(chǎn)品，對(duì)大棚的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行維護(hù)，避免農(nóng)業(yè)殘留等問題的產(chǎn)生，具有生態(tài)環(huán)保的作用[16]。嚴(yán)聚仁從“光伏雙反”論證了將光伏轉(zhuǎn)向本土消化，發(fā)展光伏大棚產(chǎn)業(yè)的可行性和必要性[17]。馮秀萍等[18]以北京農(nóng)業(yè)科技學(xué)院和西北農(nóng)林科技大學(xué)的農(nóng)業(yè)科技園為案例，論述了在農(nóng)業(yè)大棚中應(yīng)用光伏技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，為今后光伏大棚的發(fā)展指明了思路[19]。楊月梅等[19]最新研究顯示，光伏大棚發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)行對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)利大于弊，并指出外國學(xué)者對(duì)光伏大棚的研究內(nèi)容多傾向于光伏組件的類型、結(jié)合方式及發(fā)電效率的提升等方面。

3.3光伏養(yǎng)殖現(xiàn)代化的養(yǎng)殖是一門交叉學(xué)科，養(yǎng)殖場的設(shè)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(yǎng)殖過程中的疾病防疫、苗種管理、養(yǎng)殖環(huán)境的控制等問題，解決這些問題的關(guān)鍵在于能源的選擇。光伏養(yǎng)殖是一種將現(xiàn)代光伏清潔能源與傳統(tǒng)養(yǎng)殖相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)養(yǎng)殖屋頂設(shè)光伏發(fā)電站或者水下養(yǎng)殖水上光伏發(fā)電的新型養(yǎng)殖模式。而與其他農(nóng)業(yè)光伏模式相比，漁光模式更有其特有的優(yōu)勢(shì)，由于水面環(huán)境溫度小于地面環(huán)境溫度，組件之間間距較其他模式大，形成良好的日照、通風(fēng)、降溫環(huán)境，對(duì)于延長光伏壽命及提高發(fā)電效率較為有利。

目前，光伏養(yǎng)殖在我國尚未全面推廣，處于探索研究階段。我國首個(gè)光伏屋頂“養(yǎng)豬場”在河北定州建成，恒溫、通風(fēng)設(shè)備齊全，所有的用電全靠屋頂光伏發(fā)電[20]。趙軼浩等[21]以湖北鄂州農(nóng)業(yè)光伏科技園為例，論述了一種以水上養(yǎng)殖為主體，協(xié)同光伏發(fā)電，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的“漁光互補(bǔ)”模式的應(yīng)用。梁忠武[22]著重分析了海水養(yǎng)殖光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施中應(yīng)注意的問題，同時(shí)表明我國漁光互補(bǔ)模式開發(fā)應(yīng)用存在的問題，并提出了解決方案。近年來，我國漁光互補(bǔ)項(xiàng)目發(fā)展迅速，2012年我國第一個(gè)“漁光一體”項(xiàng)目在江蘇建湖縣建成，利用魚塘及蘆葦蕩灘涂實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，此后東部地區(qū)相繼建成多個(gè)“漁光一體”電站，“漁光一體”已成為東部地區(qū)建設(shè)光伏電站的首要選擇。合肥廬江縣白湖鎮(zhèn)20 MW漁光互補(bǔ)光伏電站，年發(fā)電2 200 kW·h；浙江桐鄉(xiāng)市洲泉鎮(zhèn)，年發(fā)電量1 800～2 000 kW·h；浙江省寧波市寧海縣計(jì)劃建設(shè)漁光互補(bǔ)項(xiàng)目，建成后年發(fā)電量1億kW·h。除此之外，還有江西鄱陽鴉鵲湖、天津?qū)幒优饲f、湖北鄂州、寧夏石嘴市惠澤湖漁光互補(bǔ)項(xiàng)目等。

4　結(jié)語

農(nóng)業(yè)與光伏相結(jié)合的發(fā)展模式節(jié)約了土地資源、水資源，充分利用現(xiàn)存空間，能通過光伏發(fā)電來調(diào)節(jié)種植、養(yǎng)殖環(huán)境，優(yōu)化現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，改善當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境，同時(shí)還能改變當(dāng)前粗放的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和人文效益，是真正意義上的綠色可持續(xù)發(fā)展之路。盡管，目前農(nóng)業(yè)光伏、漁光互補(bǔ)等模式還處于試驗(yàn)探索階段，但是在國際減少石油能源消耗、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，國家各種農(nóng)業(yè)光伏政策的鼓勵(lì)和支持下，一定能摸索出適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光伏發(fā)電的最優(yōu)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(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心與通威股份有限公司合作創(chuàng)新項(xiàng)目(TW2015R019)。

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

2016-06-22

S 214

A

0517-6611(2016)20-060-03