光伏發(fā)電式桑基魚塘的可行性方案研究

何士威 胡辰 劉妍 郭涵語(yǔ) 王晨晨

摘 要： 起源于明代后期的“桑基魚塘”是對(duì)能量充分利用的典范，如今“桑基魚塘”這一模式已成為了集多種循環(huán)類型為一體的、完整的生態(tài)系統(tǒng)。本項(xiàng)目在傳統(tǒng)模式的桑基魚塘系統(tǒng)上融入光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，以達(dá)到提高能源利用率，減少成本，增加收益。使新型系統(tǒng)更加環(huán)保，低碳，經(jīng)濟(jì)的目的。

關(guān)鍵詞： 桑基魚塘；光伏發(fā)電；能源；可持續(xù)發(fā)展

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201610370022）

引言

“桑基魚塘”于明代后期興起，于廣東省珠江三角洲地區(qū)，是珠三角勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生產(chǎn)勞動(dòng)中創(chuàng)造出來(lái)的一種特殊耕作模式。這種獨(dú)具地方特色的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式的出現(xiàn)絕非偶然，主要原因是在當(dāng)時(shí)這里地少人多，而這種農(nóng)業(yè)模式可以吸納更多的勞動(dòng)力，又有極高的經(jīng)濟(jì)效益。在全球商品貿(mào)易大潮的推動(dòng)下，它一步步走向成熟，最終成為理想的生態(tài)農(nóng)業(yè)典范。

但是由于進(jìn)30年來(lái)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的觀念不斷地被商品價(jià)值觀沖擊，桑基魚塘逐漸被人們認(rèn)為是產(chǎn)值落后的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，種桑養(yǎng)魚的收入低下，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代人們的經(jīng)濟(jì)需求。故此桑基魚塘漸漸消逝了，以往興旺的盛況不在，老一輩的“漁工”“蠶娘”也相繼老去。年輕人大多急于追求做最現(xiàn)實(shí)的利益，不愿意將自己的時(shí)光投身于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的復(fù)興上。

那么我們真的要看著這樣的傳統(tǒng)文明沒(méi)落下去嗎？我想這不僅是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的衰退，更是一種資源循環(huán)利用可持續(xù)發(fā)展觀念的確實(shí)。現(xiàn)如今科技的發(fā)展迅猛，在新能源開(kāi)發(fā)方面更有重大突破，那么我想可以是否用科技帶動(dòng)傳統(tǒng)，在此間喚醒哪似乎已經(jīng)陷入沉睡了的對(duì)資源循環(huán)利用的美好觀念。

新能源是二十一世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽(yáng)能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀(jì)中，各國(guó)政府都將太陽(yáng)能資源利用作為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。從能源利用的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光伏發(fā)電最終將以替代能源的角色進(jìn)入電力市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2030年，光伏發(fā)電在世界的總發(fā)電量中將占到5%-20%。

1、桑基魚塘

陸地種桑，塘里養(yǎng)魚蠶沙（蠶糞）喂魚，塘泥肥桑，栽桑、養(yǎng)蠶、養(yǎng)魚三者結(jié)合，形成桑、蠶、魚、泥互相依存、互相促進(jìn)的良性循環(huán)，避免了水澇，還可以加入沼氣池，為系統(tǒng)提供燃料，沼氣渣可以做肥料。營(yíng)造了十分理想的生態(tài)環(huán)境，收到了理想的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)資源達(dá)到了多重利用，同時(shí)減少了環(huán)境污染。桑基魚塘模式圖（生態(tài)原理）如圖1所示，其特點(diǎn)如下：

2、光伏發(fā)電

光伏發(fā)電其實(shí)就是太陽(yáng)能發(fā)電的一種，其直接能量來(lái)源就是太陽(yáng)。這里是指利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。其核心元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能電池方陣了。太陽(yáng)能電池有很大的應(yīng)用前景，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。而且使用壽命長(zhǎng)，只要有太陽(yáng)的存在，太陽(yáng)能電池就可一次投資長(zhǎng)期使用。而且相比較其他發(fā)電方式而言，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染。

基于以上描述，可以考慮在桑基魚塘系統(tǒng)中加入光伏發(fā)電的系統(tǒng)，利用魚塘水面，在豐富的養(yǎng)殖水面上架設(shè)光伏組件進(jìn)行發(fā)電，形成上可發(fā)電下可養(yǎng)魚的創(chuàng)新發(fā)展模式，既能充分利用空間節(jié)約土地資源，又能利用光伏電站調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，還能優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)改善環(huán)境，并可提高單位魚塘產(chǎn)量增產(chǎn)增收，在水產(chǎn)養(yǎng)殖和光伏產(chǎn)業(yè)上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域共享。另外光伏發(fā)電的應(yīng)用更是可以在陸地上，在建筑物的屋頂上，非晶硅太陽(yáng)能電池是可以制成半透明的，用其作為作為建筑的一部分，白天既能發(fā)電又能使部分光線透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)提供十分柔和的照明（紫外線被濾掉）能擋風(fēng)雨，又能發(fā)電；美國(guó)，歐洲和日本的太陽(yáng)能電池廠家已生產(chǎn)這種非晶硅瓦。桑基魚塘的根本能量來(lái)源是太陽(yáng)能，如今在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入的光伏發(fā)電系統(tǒng)，更是對(duì)太陽(yáng)能的直接利用。兩者的結(jié)合大大提高了桑基魚塘對(duì)太陽(yáng)能的利用率。

3、兩者的結(jié)合

光伏發(fā)電在桑基魚塘系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3（a），（b）所示：

但是將兩個(gè)毫無(wú)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)完美的融合在一起并不是那么簡(jiǎn)單，這里需要攻克的難題有三個(gè)：一是將太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的電能應(yīng)用或者集中起來(lái)；二是克服太陽(yáng)能的隨機(jī)性和波動(dòng)性；三是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的安全問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)研究分析，想要在保留桑基魚塘的基礎(chǔ)上加入光伏發(fā)電系統(tǒng)，較為合適的選擇是將分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)加進(jìn)去。

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分中，并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵部件。其主要功能是把來(lái)自太陽(yáng)能電池方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，并把電力輸送給與交流系統(tǒng)連接的負(fù)載，同時(shí)還具有極大限度地發(fā)揮太陽(yáng)能電池方陣性能的功能和異常或故障時(shí)的保護(hù)功能。

逆變器是一種由半導(dǎo)體器件組成的電力調(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構(gòu)成。升壓回路把太陽(yáng)電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成，通過(guò)有規(guī)則地讓開(kāi)關(guān)元件重復(fù)開(kāi)-關(guān)（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當(dāng)然，這樣單純地由開(kāi)和關(guān)回路產(chǎn)生的逆變器輸出波形并不實(shí)用。一般需要采用高頻脈寬調(diào)制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開(kāi)關(guān)元件按一定頻率朝一方向動(dòng)作，這樣形成一個(gè)脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過(guò)簡(jiǎn)單的濾波器形成正弦波。

這里的逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池性能的功能和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。

首先逆變器的運(yùn)行方式可以跟隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而做出相應(yīng)改變：當(dāng)日出后，太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，太陽(yáng)能電池輸出功率增大，當(dāng)達(dá)到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)?shù)饺章鋾r(shí)，太陽(yáng)電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時(shí)，逆變器便處于待機(jī)狀態(tài)。期間逆變器會(huì)時(shí)刻監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的輸出，只要太陽(yáng)能電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續(xù)運(yùn)行，直到日落停機(jī)，即使陰雨天逆變器也能運(yùn)行。其次逆變器還有最大功率跟蹤功能、防單獨(dú)運(yùn)行功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、自動(dòng)電壓調(diào)整功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）、直流接地檢測(cè)功能（并網(wǎng)系統(tǒng)用）。因?yàn)檫@些功能的存在使得兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合成為可能。

但是新型系統(tǒng)的要保留桑基魚塘的，所以在地域上便有了限制。因?yàn)楣夥l(fā)電組件的架設(shè)要求地勢(shì)平坦，日照充足，氣候穩(wěn)定。另外在水上的光伏板的架設(shè)也是一個(gè)限制，是選擇漂浮式還是固定式，這也是要根據(jù)桑基魚塘的實(shí)況來(lái)決定的。桑基魚塘的實(shí)際規(guī)格與分布直接影響光伏板的架設(shè)。這些問(wèn)題可以視情況來(lái)解決。

傳統(tǒng)的桑基魚塘的最終主要產(chǎn)品是魚，副產(chǎn)品有蠶繭、桑果、牲畜等。以一個(gè)普通規(guī)格的桑基魚塘為例，魚塘占地面積10畝（大約6670平方米）。在理想狀態(tài)下，魚的年產(chǎn)量計(jì)算如下：每畝魚塘年產(chǎn)可以有1200尾魚（約1.2斤每尾），除去成本：魚苗300元+飼料1500元+電費(fèi)1200元（主要是增氧機(jī)工作耗電和日常用電）+其他200元，共3200元，以平均每斤5元的價(jià)格來(lái)售出的話可收入7200元，即每畝魚塘的純利潤(rùn)約4000元，那么十畝魚塘年純利潤(rùn)為40000元。這是主產(chǎn)品的利潤(rùn)，加上副產(chǎn)品的收益每年大約可以有60000元的純利潤(rùn)。

我們?cè)O(shè)想加入光伏發(fā)電組件后，首先系統(tǒng)中的電費(fèi)可以結(jié)余下來(lái)，其次，在魚塘上方加入了光伏發(fā)電組件后，每畝魚塘的年產(chǎn)量大約可以增產(chǎn)至1500尾（1.5斤每尾）。年收益增加到了80500元。普通規(guī)格下的桑基魚塘加入了光伏發(fā)電組件后副產(chǎn)品的年收益提高不多或基本不變。在普通規(guī)格的桑基魚塘系統(tǒng)中大約可以架設(shè)3000平方米的光伏發(fā)電板（水面2000平方米加地面1000平方米），成本在300萬(wàn)元左右。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析過(guò)后可以得出，3000平方米的光伏組件可有30個(gè)10千瓦的組串系統(tǒng)組成。預(yù)計(jì)年發(fā)電量在36萬(wàn)度電。在國(guó)家政策補(bǔ)貼下，每年的凈收益在45萬(wàn)元左右。那么預(yù)計(jì)在6至7年后就可以回本，之后的收入為純收益。而市面上一般的光伏組件的使用壽命在25年左右。也就是說(shuō)新型的桑基魚塘系統(tǒng)在接下來(lái)的18年左右的時(shí)間內(nèi)的收入比之前的收入提高了13倍以上。

如此，桑基魚塘系統(tǒng)收益倍增，而且與光伏發(fā)點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)合。也更加體現(xiàn)了對(duì)資源的循環(huán)利用，也達(dá)到了節(jié)能環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展以及高收益的目的。那承載著古人們智慧的產(chǎn)業(yè)也得以保留，新興技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。更重要的是原始的對(duì)資源循環(huán)利用的美好觀念被延續(xù)了下去。

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