周博士考察拾零（一百一十五）幾種光伏食用菌設(shè)施模式

周長(zhǎng)吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

曾幾何時(shí)，光伏農(nóng)業(yè)的概念叫響了祖國(guó)的大江南北。筆者曾調(diào)研過(guò)多個(gè)光伏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)園區(qū)[1-4]，但基本都是以種植蔬菜為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。由于蔬菜生產(chǎn)對(duì)光照強(qiáng)度要求高，而光伏發(fā)電為獲得更多的發(fā)電量需要截獲一定量的光照，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和光伏發(fā)電因?yàn)楣庹召Y源產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)中通常是犧牲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而保全光伏發(fā)電，一是因?yàn)楣夥l(fā)電一勞永逸，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成后基本可以坐收盈利；二是光伏板實(shí)際上阻截了陽(yáng)光，直接影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益不高或者說(shuō)基本沒(méi)有效益。盡管園區(qū)生產(chǎn)者們?cè)谙朕k法保全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如選用耐弱光的作物[2]、光伏板設(shè)置在日光溫室的后屋面[3]、采用具有一定透光率的非晶硅光伏板、減小光伏板在溫室采光面上的布置密度、改變光伏板在溫室屋面上的布置方式等[5]，但光伏發(fā)電和作物生產(chǎn)爭(zhēng)光、爭(zhēng)地的矛盾一直沒(méi)有妥善解決。

食用菌生產(chǎn)僅需要極弱的光照或不需要光照，工廠化食用菌種植是在完全人工補(bǔ)光的廠房中生產(chǎn)，而一些喜光的食用菌一般也是在強(qiáng)烈遮光的溫室或大棚內(nèi)種植，用光伏板遮光不僅滿足了食用菌生產(chǎn)遮光的要求，而且光伏發(fā)電額外創(chuàng)造了工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，使土地生產(chǎn)的效益向空間延伸，大大提升了土地開(kāi)發(fā)利用效益，是真正意義上的光伏農(nóng)業(yè)。

早期光伏食用菌種植設(shè)施是將光伏板滿鋪在設(shè)施屋面上，將其作為設(shè)施的屋面板，四周設(shè)置保溫圍護(hù)墻，形成封閉的食用菌種植設(shè)施（圖1）。這種設(shè)計(jì)使設(shè)施處于全封閉狀態(tài)，設(shè)施的保溫性能好，但通風(fēng)和降溫性能較差，尤其到了夏季，由于光伏板背板的熱輻射將光伏板吸收的大量熱量直接釋放到設(shè)施中，使設(shè)施內(nèi)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，增設(shè)通風(fēng)降溫設(shè)施又增加了建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用，因此設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用較高，大大降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際收益。

圖1 屋面覆蓋光伏板四周保溫板圍護(hù)的食用菌生產(chǎn)設(shè)施

2020 年8 月，筆者在貴州省黔西南苗族布依族自治州安龍縣調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)在群山林立的平壩區(qū)內(nèi)建設(shè)了大片的光伏設(shè)施（圖2）。在貴州這種山多地少的地區(qū)，難得有如此寬闊的平壩面積，怎么能夠建設(shè)如此規(guī)模的光伏發(fā)電廠呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)筆者走進(jìn)了光伏設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)，原來(lái)這是在光伏板下安裝塑料大棚，并在塑料大棚中種植香菇的大面積光伏種植設(shè)施。

圖2 安龍縣平壩區(qū)內(nèi)的光伏食用菌設(shè)施

貴州在“十三五”期間提出發(fā)展“十二大產(chǎn)業(yè)”，食用菌產(chǎn)業(yè)位列其中。利用光伏板下塑料大棚種植食用菌，可在光伏板下形成敞開(kāi)空間，有效降低了光伏板背板輻射傳熱在塑料大棚內(nèi)的集聚，塑料大棚依靠自然通風(fēng)解決了夏季的通風(fēng)降溫問(wèn)題，塑料大棚又保證了冬季的保溫問(wèn)題，而且大棚建造的成本還不高，由此實(shí)現(xiàn)了在較低投資的條件下獲得光伏發(fā)電和食用菌生產(chǎn)的雙重經(jīng)濟(jì)效益，在不破壞耕地和符合國(guó)家耕地政策的前提下，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最大化，因此是一種真正意義上的光伏農(nóng)業(yè)模式。在此，筆者將這種設(shè)施形式做一介紹，供業(yè)界同仁們研究和借鑒。

連棟雙坡面光伏支架下的設(shè)施模式

為保證光伏板之間互不擋光，傳統(tǒng)的光伏板都是坡面向南、南北間隔布置。光伏板向南的傾斜坡度主要取決于建設(shè)地區(qū)的地理緯度，以單位面積光伏板周年截獲最大太陽(yáng)輻射為目標(biāo)，根據(jù)太陽(yáng)光的周年輻射強(qiáng)度和輻射角度，按照太陽(yáng)能理論進(jìn)行計(jì)算確定。南北相鄰光伏板之間的間距以當(dāng)?shù)貢r(shí)間冬至日9:00 以后南側(cè)光伏板不遮擋后側(cè)光伏板采光為原則，按照該時(shí)刻的太陽(yáng)高度角計(jì)算確定。

傳統(tǒng)的地面光伏發(fā)電站都是采用單柱支撐光伏板，為了最大限度降低工程造價(jià)，光伏板的架設(shè)高度一般距地面1 m 左右。由于光伏板架設(shè)比較矮，在光伏板下安裝塑料大棚的高度將受到限制，大棚內(nèi)的種植空間小，不僅不便于種植操作，而且環(huán)境調(diào)控的難度也較大。為此，園區(qū)的建設(shè)者在建設(shè)光伏支架時(shí)，將光伏板的下沿提高到了距離地面3.5 m 的高度，保證了光伏板下塑料大棚的建設(shè)空間。為了使光伏板的布置完全不影響板下塑料大棚的建設(shè)和生產(chǎn)，設(shè)計(jì)者將支撐光伏板的支架設(shè)計(jì)成了連棟雙坡面門式剛架結(jié)構(gòu)（圖3～4），將光伏板布置在門式剛架結(jié)構(gòu)的南側(cè)屋面，北側(cè)屋面鏤空（圖5），一是不影響北側(cè)屋面的散射輻射進(jìn)入大棚；二是在熱壓和風(fēng)壓的自然作用下南側(cè)屋面上光伏板背板的輻射熱將會(huì)很快散失不會(huì)在光伏板下集聚大量的熱量而造成下部塑料大棚內(nèi)的熱量集聚，從而有效降低了塑料大棚運(yùn)行的降溫負(fù)荷。

圖3 連棟雙坡面光伏支架結(jié)構(gòu)圖

圖4 連棟雙坡面光伏支架實(shí)景圖

圖5 連棟雙坡面光伏支架下的單棟塑料大棚

在連棟雙坡面門式剛架光伏支架下一般建設(shè)單棟的塑料大棚（圖5），每個(gè)門式剛架下建設(shè)一座塑料大棚。這種建設(shè)模式保證了種植塑料大棚之間的通風(fēng)間距和安裝或更換塑料薄膜以及遮陽(yáng)網(wǎng)的操作空間。為了保證食用菌種植對(duì)遮光的要求，在塑料大棚外表面還進(jìn)一步覆蓋了黑色遮陽(yáng)網(wǎng)。由此可以看出，光伏板對(duì)塑料大棚內(nèi)食用菌的種植完全沒(méi)有影響，在“光”這一共需資源上最大限度將其用于光伏發(fā)電，不會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成任何影響，農(nóng)光互補(bǔ)是完全可行的。

和沒(méi)有光伏支架的傳統(tǒng)塑料大棚設(shè)施生產(chǎn)區(qū)一樣，單棟的塑料大棚由于大棚棟與棟之間需要留有一定的通風(fēng)和作業(yè)空間，從土地高效集約利用的角度來(lái)講，還存在一定的土地浪費(fèi)現(xiàn)象。為提高土地利用率，設(shè)計(jì)者采用了連棟溫室的設(shè)計(jì)思想，直接借用連棟雙坡面光伏支架的立柱，在立柱上設(shè)天溝，用天溝支撐大棚屋面，即形成土地面積高效利用的連棟塑料溫室（圖6）。從外形看（圖6a），這種結(jié)構(gòu)是一種雙層屋面的連棟溫室，其中上層屋面南側(cè)鋪設(shè)光伏板，北側(cè)鏤空，下層屋面為溫室屋面，用塑料薄膜覆蓋保溫遮雨，用遮陽(yáng)網(wǎng)遮陽(yáng)進(jìn)一步降低溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。和傳統(tǒng)的連棟塑料薄膜溫室一樣，溫室通風(fēng)采用屋面卷膜通風(fēng)，在溫室天溝兩側(cè)屋面設(shè)置手動(dòng)或電動(dòng)卷膜開(kāi)窗，可有效降低溫室內(nèi)的空氣溫度，保證室內(nèi)種植作物的正常生長(zhǎng)。

圖6 連棟雙坡面光伏支架下的連棟塑料溫室

單棟單坡面光伏支架下的設(shè)施模式

無(wú)論是連棟雙坡面光伏支架下單棟塑料大棚還是連棟雙坡面光伏支架下連棟塑料薄膜溫室，都需要連片的平整且規(guī)則的土地，但在山區(qū)或丘陵地帶，找到大片的平整土地并不容易，或者雖有平整土地但也不一定很規(guī)則。為了能有效利用每一寸土地，彌補(bǔ)連棟雙坡面光伏支架不能充分利用零碎、邊緣或不規(guī)則土地的缺陷，建設(shè)者設(shè)計(jì)了一種單棟單坡面的光伏支架（圖7）。這種支架只有一個(gè)朝南的屋面，上鋪光伏板，光伏板下和連棟雙坡面光伏支架下單棟塑料大棚一樣布置一棟塑料大棚。為了避免光伏板過(guò)多遮光，設(shè)計(jì)者在本應(yīng)布置4 塊光伏板的屋面上有意少鋪了1 塊，即在光伏屋面的中部開(kāi)設(shè)了一個(gè)窗口，可使部分直射陽(yáng)光照射到光伏板下部的塑料大棚，從而有效保證了塑料大棚的采光。

圖7 單棟單坡面光伏支架及其塑料大棚

對(duì)于種植如香菇等食用菌而言，這種屋面天窗的設(shè)計(jì)是否有意義筆者似有一定的保留，但如果塑料大棚內(nèi)種植相對(duì)喜光的作物，這種對(duì)光伏發(fā)電的犧牲卻非常有利于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的功能，為今后改變種植作物的品種留出了一定空間。至于大棚內(nèi)光照的不均勻性以及適合哪些作物生產(chǎn)還有待不斷的探索和實(shí)踐。

獨(dú)立柱光伏支架下的設(shè)施模式

筆者在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，盡管有大量的光伏支架采用了門式剛架結(jié)構(gòu)，下面可根據(jù)需要建設(shè)單棟塑料大棚或連棟塑料溫室，但仍有不少的光伏支架采用了獨(dú)立柱支撐的地面光伏電站的結(jié)構(gòu)形式（圖8a）。這種光伏支架支撐光伏板的空間高度較低，光伏板下沿距離地面的高度為2.0 m。這是為種植羊肚菌而專門設(shè)計(jì)的。羊肚菌為地面種植，適宜生長(zhǎng)溫度為5～20℃，按照安龍縣的氣候資料，這里10 月～ 次年4 月室外溫度基本在這個(gè)范圍內(nèi)。為了充分利用自然條件并盡量減少建設(shè)投資，羊肚菌的生產(chǎn)選擇在室外氣溫適宜的每年10 月～ 次年4 月份期間完全依靠室外自然條件種植。種植期間的大部分時(shí)間內(nèi)只需要在光伏支架的相鄰立柱上設(shè)置縱向和橫向的鋼絲，并在鋼絲上搭設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)即可滿足基本生產(chǎn)要求（圖8b）。遇到極端氣候條件時(shí)，可在種植床面上臨時(shí)搭設(shè)小拱棚（圖8c），覆蓋塑料薄膜保溫即可安全越冬生產(chǎn)（因?yàn)楫?dāng)?shù)囟净緵](méi)有低于0℃以下的天氣條件），同時(shí)搭設(shè)小拱棚覆蓋塑料薄膜還可防止夏季的降雨，不會(huì)影響作物的有效灌溉和施肥。

圖8 獨(dú)立柱光伏支架及其種植設(shè)施

2.0m 高的光伏板檐口基本不影響操作人員的作業(yè)。前后兩排光伏板支柱的間距為5.0 m，按照1.2 m 寬種植床面（兩邊操作），兩排光伏板支架下可鋪置3 條種植床面。床面上的小拱棚可采用竹條做拱桿；也可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的鍍鋅鋼筋或鋼管做拱桿。塑料薄膜可采用一側(cè)固定，另一側(cè)活動(dòng)的安裝方式；也可以采用頂部固定，雙側(cè)可卷起的安裝方式。在需要通風(fēng)降溫時(shí)將塑料薄膜卷起，需要保溫時(shí)將塑料薄覆蓋即可。

大棚內(nèi)香菇種植模式

大棚內(nèi)的香菇種植采用菌棒直立地面栽培模式（圖9）。菌棒為15 cm×55 cm 的聚乙烯筒袋。大棚的跨度為6 m，標(biāo)準(zhǔn)種植床分為寬面和窄面兩種寬度（圖9b、圖9c），寬面寬度為1.4 m，窄面寬度為0.7 m，香菇棒之間凈距為5 cm，即每個(gè)菌棒的占地面積為20 cm×20 cm。種植床上每20 cm 間距拉一根鋼絲，菌棒靠立在鋼絲上即形成種植床。寬面床共靠立9 列菌棒，窄面床共靠立5 列菌棒，6 m 跨大棚共2 個(gè)寬面床和1 個(gè)窄面床，每跨共靠立23 列菌棒，60 m 長(zhǎng)大棚共靠立6900 個(gè)菌棒。

圖9 大棚內(nèi)香菇種植情況

大棚外表面覆蓋塑料薄膜和遮陽(yáng)網(wǎng)用于大棚的保溫、保濕和遮陽(yáng)，兩側(cè)安裝手動(dòng)或電動(dòng)卷膜器用于溫室的通風(fēng)。大棚內(nèi)安裝2 列噴頭用于降溫和增濕。需要指出的是在大棚的兩側(cè)山墻也應(yīng)覆蓋黑色遮陽(yáng)網(wǎng)，避免早晨和傍晚太陽(yáng)東、西斜射時(shí)大棚內(nèi)光照過(guò)強(qiáng)。