典型光伏大棚投資效益比較分析研究

章榮國

隨著我國光伏扶貧工程的大面積推廣，農村地區配電網逐步出現了無法就地消納光伏電量的問題，大量光伏電量通過農村地區較為薄弱的配電網反送至電網主網，對電網的網損和投資改造成本造成較大影響[1]，為此國務院在“十三五扶貧規劃”中提出農村分布式電源應與設施農業協調發展的方向[2]，通過設施農業用能與分布式電源供電相結合，負荷與電源同步發展，實現分布式電源與設施農業協調發展，并增強光伏發電效益，為現代農業發展提供能源支撐。

目前光伏發電與設施農業相結合的主要形式是光伏大棚[3-4]，該種方式目前已經在不同地區和不同經濟作物品種上開始了實踐，包括北方地區與南方地區不同氣候類型的省份[5-7]，作物品種包括傳統的蔬菜大棚和初步探索的香菇、茶樹及有機蔬菜[8-10]。而在大棚形式上包括較為常見的日光溫室和玻璃溫室，也包括新近探索的敞開式大棚，同時為了考慮用能與發電的匹配，初步開展了溫室用能智能控制[11]，以期探索互補消納模式[12]。

1 典型光伏大棚光伏布置方式

光伏大棚是在溫室或溫室周圍布置光伏發電設備，從而達到農業生產與光伏發電同步進行，設施農業用能與光伏供電互補運行，但在具體布置形式上具有多種方案。較為常見的為玻璃溫室、日光溫室與敞開式3種方式。

1）玻璃溫室型光伏大棚

玻璃溫室在觀光農業應用較多，結構較為堅固，通過與無邊框晶硅組件或薄膜組件的結合可有效開展光伏發電，但需要根據光伏發電調整朝向。同時要考慮光伏發電效益，不應再采用外遮陽機構。主要布置形式如圖1所示。

圖1 玻璃溫室型光伏大棚布置示意圖

2）日光溫室型光伏大棚

日光溫室是我國最為常見的設施農業載體，在結構上有著較大差別，包括竹竿骨架、焊管骨架及冷彎骨架。前兩者一般不適合用作光伏發電，在安裝光伏組件后所增加的風荷影響溫室的結構強度，一般采用冷彎結構。

為了避免對光伏組件的遮擋，一般安置于后墻，如圖2（a）所示。對于該種方式布置的光伏大棚棚內作物采光不存在影響，從安裝來看，可充分利用后墻通道或后墻腳手架，安裝簡便易于保證工程質量。該種方式由于具有后墻維護通道，清掃和外觀檢查較為便捷，維護成本低。

在光伏大棚實踐中，該種方式還可用于種植菌類、有機蔬菜或育苗等方面，由于該類種植不需要較強的陽光，一次前坡可將薄膜或陽光板替換為無邊框組件，提高發電收益，在內部配置補光設備保證作物正常生長。該種布置方式如圖2（b）所示。

圖2 日光溫室型光伏大棚布置示意圖

3）敞開式光伏設施農業

敞開式光伏設施農業從農業角度看是一般光伏陣列與大田種植相結合的產物，該種方式可用于種植低矮的作物，如綠葉蔬菜、苗木或茶樹等，該種方式最有利于光伏組件布置，無需溫室調控，但該種方式不具備或較少具備光伏發電的消納能力，重點是保證發電效益，在未來面對高滲透率的農村配網不具備競爭力，其布置示意圖如圖3所示。

圖3 敞開式光伏設施農業組件布置示意圖

2 單位面積光伏發電量比較

針對3種光伏設施農業形式，玻璃溫室的屋頂面積利用最為充分，發電效益最為顯著，而敞開式次之，日光溫室最低。

1）玻璃溫室型光伏大棚

該類溫室的光伏組件被布置于屋頂，鑒于原有的采光考慮，可不調整頂部傾角，直接布置組件，不會產生傾角對發電量的影響，但需要注意朝向，設計中要求組件正南朝向。該類方式由于日光溫室高度，無需考慮前方遮擋，面積利用率最為充分，每平米在65～95Wp之間，隨著緯度而有所變化。

2）日光溫室型光伏大棚

日光溫室具有兩種形式，在利用后墻方式情況下，每平米溫室的光伏裝機為 40Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米為20Wp，而如種植菌類采用前坡布置光伏組件，每平米溫室的光伏裝機為200Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實際光伏裝機約為每平米為100Wp。

3）敞開式光伏設施農業

該種方式類似于玻璃溫室型光伏大棚，前后兩排考慮遮擋因素，并考慮不同緯度下對前后間距的影響，每平米設施的光伏裝機在75～125Wp/m2。

通過發電量比較可知，以上3種光伏與農業結合的方式，敞開式的發電效益最好，對比情況見表1。

表1 光伏設施農業結合類型裝機比較表

3 投資效益分析

光伏與農業結合的投資效益包括發電設備投入、光伏發電效益、設施農業投資成本與農業種植收益4部分，其中光伏收益比較固定，其效益主要取決于單位面積的光伏裝機，裝機容量越大，發電效益越大，而農業投資效益主要取決于溫室類型和種植作物類型。

本文以華北地區為例，考慮土地面積10畝，綜合對比不同形式光伏與設施農業相結合的投資效益。光伏收益在屋頂電價在1.05元/kW·h水平上按收益0.2元/kW·h計算。三類光伏與設施農業結合方式共有4種實施方式，4種方式的比較見表2，農業產出來自4種環境下都能生長的葉菜，如生菜、油菜、雞毛菜等，表2中實際選用生菜。

表2 光伏與設施農業結合方式投資效益比較

光伏裝機容量按表1中的每平米裝機容量與土地面積相乘得到，土地面積折合6667m2。

年發電收益B由式（1）計算得到

式中，S為裝機容量；T為年發電小時數，本例中取1200h；p為度電收益；此處按0.2元/kW·h計算。

玻璃溫室每平米投資為750元，日光（后坡）溫室每平米投資為350元，日光（前坡）溫室每平米投資為550元，敞開式每平米投資為100元。

農業收入以生菜為例，市場收購價格為4元/kg，溫室可保證四季生長，敞開式為1年2季，但由于光伏組件遮擋，僅有50%面積可用。

綜合比較開看，玻璃溫室高投入高產出，但考慮到冬季供暖增加成本顯著，不宜推廣，而日光溫室投入產出效益適中，適合大范圍推廣，可根據市場情況選擇后墻或前坡布置方式。敞開式雖然發電效益現狀，但農業收入較低，考慮到夏季除草成本，不建議大面積推廣。

4 結論

本文針對玻璃溫室、日光溫室及敞開式3種形式的光伏與農業相結合方式進行了比較分析，3種方式中玻璃溫室的發電效益最高，但玻璃溫室的建設投資較大，冬季供暖需求大，投入產出比不高，而敞開式光伏農業形式農業產出較低，對更低利用不充分。綜合來看，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。

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