新型光伏農牧場設計

潘 慧，徐亞鉑，陳雪峰，潘文海

(1.河南城建學院，河南 平頂山 467036；2.平頂山市農業農村局，河南 平頂山 467036；3.河南大學，河南 開封 475004；4.商丘市柳河實驗小學，河南 商丘 476711)

1 引言

太陽能是一種清潔能源，加大對太陽能資源的利用也成為了世界發展的主流目標。近年來，國際上對光伏與農牧業的結合模式相繼開展了深入研究，既促使了國內外相關研究人員對“光伏+”經濟模式的重新定位與思考，也在一定程度上推動了社會的可持續發展。由于傳統的農牧業養殖模式太過單一，環境污染較為嚴重，資源得不到充分利用，可將光伏與農業、牧業進行全方位協調，統籌“光-住-農-牧”之間的關系，為中小型農牧場設計出“光伏+農業+現代牧業”可循環的綠色生態系統。這將有助于實現緩解能源緊缺、促進資源高效利用，進行環境保護和營造良好生態氛圍的目的。

2 光伏農牧場的規劃

在中小型農牧場中融入分布式并網光伏發電裝置，為農牧場提供日常生活、生產所必要的電力。多余電能可輸送至電網，不足的電能也可直接從電網獲取；光伏可與畜牧業中的沼氣相結合，從而實現光-沼互補發電；協調農牧場中農業、牧業兩者之間的生產關系，使資源得以循環利用；完善農牧場內部協調機制，促進資源充分利用和生態保護。

3 農牧場發電系統的設計

3.1 系統用電量分析

因為中小型農牧場是含農牧戶住房、農業、牧業的統一體，光伏發電在農牧業中應用時，既要保證農牧戶基本日常生活用電情況，也要保障畜牧區和農業區負載的用電情況，所以應綜合考慮各方面負載使用。通過表1各區負載用電量匯總可得，整個農牧場負載總功率8030W，每日總耗電量19270 W·h，這就為接下來的系統容量設計提供了理論依據。

表1 負載用電量匯總

3.2 系統容量的配置

3.2.1 光伏組件的選型

產品型號：PVM-300，電池片：72pcs，6×12 nn；峰值功率：300 W，尺寸：1956 mm×992 mm×50 mm；峰值電壓：36 V，峰值電流：8.33 A；開路電壓：43.2V，短路電流：9.2A。

3.2.2 容量設計

電池組件串并聯的數量可根據負載需求量計算，由下列公式可計算出電池組件的并聯數、電池組件的串聯數、電池組件總功率，以滿足系統的需求[1]。

電池組件的并聯數=

農牧場內負載日均用電量為19270(Wh)，換算可得負載日均用電量為88(Ah)；組件日平均發電量由組件參數數據可得為8.33A；由氣象條件分析可得當地峰值日照時數為4.28h；電池組件效率：包含電路損失、光照衰減、組件表面潔凈程度等因素，一般取0.9；交流逆變器轉換效率，一般取0.85。

系數1.43通常是指光伏電池組件的最大工作電壓與系統運行電壓的比值。

電池方陣的總功率 = 組件并聯數×組件串聯數×選定組件的峰值輸出功率 = 4×9×300 = 10800W。

由此可知此發電系統需要9塊太陽能電池板進行串聯，4組太陽能電池板進行并聯，共需36塊電池板。因為太陽能電池板在工作時，除自身之外其他外界因素也會對發電量產生一定的影響，因此其實際總功率會稍有損耗。

3.3 光伏系統優勢

充分利用畜牧舍頂棚空間資源，節省了占地面積和頂棚材料的費用。并網發電節省了蓄電池的儲能環節，有效降低了更換蓄電池的昂貴成本。采用“自發自用、余電上網、不足補充”的發電模式，緩解了電網傳輸和分配的壓力。該發電系統能提供10 kW左右的電量，用于保證農牧場內住戶日常基本生活、養殖區和種植區的正常運轉。光伏發電還可與下述畜牧業(沼氣)建立相關聯系，促進牧業的發展。

4 光伏與牧業的結合

4.1 光-沼結合分析

在光伏與牧業相結合的過程中，光伏發電除了保證畜牧區負載的用電，如照明、水泵等設施外，還可與牧業中產生的沼氣相聯系。光-沼互補一體化智能發電系統由太陽能發電模塊和沼氣發電模塊等組成，它可以根據功能需要完成光伏發電和沼氣發電兩路供電的自動切換[2]，為我們提供了一種新的發電思路。

4.2 光-沼互補發電優勢

在光伏發電的基礎上，結合沼氣發電技術，共同為基區負載供電，實現了光伏發電和沼氣發電兩個供電系統，形成了一種新型的光沼互補發電模式。

白天主要以光伏發電為主，沼氣發電為輔[3]；當太陽板發電不足，在陰雨天或者夜晚的時候，則以沼氣發電為主，光伏發電為輔；有效保證了晝夜發電。

5 農業與牧業的結合

5.1 農牧業協調分析

在畜牧業養殖過程中會產生大量的廢污，這些廢污會造成嚴重的生態破壞。如果協調農業、牧業兩者之間的生產關系，讓廢污經過一定的發酵處理并重新轉化為成三沼(沼氣、沼渣、沼液)，可以促進農業利用和資源循環。這種措施延長了產業鏈，既發展了畜牧業，又較好的培育了土地種植，減少了能量損失[4]。

5.2 農牧業循環系統設計

沼氣發酵裝置是連接農牧業中養殖業和種植業的橋梁(圖1)。可以裝置一套排污系統，每天定時將這些畜類糞污引入到沼氣池中，經沼氣池發酵后轉變為三沼。利用三沼給農作物、大棚蔬菜及牧草提供有機肥，然后牧草可作為飼料用于養殖，農作物秸稈又可為沼氣發酵提供原料。如此反復運行便可使農牧業間資源得到循環利用。此種循環模式可歸結為“草-畜-加工-沼-種”[5]。

圖1 農牧業循環結構

6 光-住-農-牧的整體優化

經過前期兩兩組合，現將光伏與牧業結合模塊、牧業與農業結合模塊整合在一起，并完善農牧場內部協調機制，便可規劃出以光-住-農-牧為主導的現代新型化農牧場(圖2)。

由此便可以很好地將光能、農牧戶、牧業和農業結合起來，打造出“光-住-農-牧”四位一體的循環農牧場系統。這種生態模式不僅有利于節約資源、保護環境，而且農牧場內的光伏發電、飼養的畜類和種植的農作物、蔬菜等可以在滿足農牧戶自身需求的同時輸送至市場，從而為農場主增加一定的效益。

圖2 光-住-農-牧的整體優化

7 社會應用

“光伏+農業+現代牧業”生態環保系統的設計對社會的發展有著巨大的應用價值和推廣前景，如下。

7.1 大型養殖企業建設

企業以生產效率和利潤為基準，現有大型企業主要集中在畜牧業或農業的單一發展管理上，這樣會使他們的收益大打折扣。如果在大型企業的基礎上建立大型光伏電站、擴大養殖規模、輔助農業大棚，循環利用資源，就可利用三者共同達到較高的收益。

7.2 邊遠山區的開發

西部地區地理位置優越，但產業和設備相對落后，如果在西部地區開發此種生態模式，不僅可以解決他們的用電問題，也可以因地制宜并發展屬于他們的特色產業，促進西部地區的發展。

7.3 農村扶貧

農村農牧業資源豐富，也可以根據空間適當縮小模式。以農業和養殖為能源的原材料基地，將豐富的沼氣資源與光、電、熱結合在一起，按照“自發自用、余電上網、自給自足、面向市場”的模式構建新型農村扶貧的應用示范點。這樣既增加了農民的收益，也美化了鄉村，是解決農村貧困的較好項目之一。

此種“光伏+農業+現代牧業”的模式有著很大的優勢，有效地為農牧業的發展提供了一種新的經營理念。我相信隨著時代的發展，科技的進步和人們思維的開闊，此種生態模式將會變得深受人們歡迎。