農(nóng)光互補應用技術(shù)與解決方案

陳江恩

晶科能源有限公司

農(nóng)光互補應用技術(shù)與解決方案

陳江恩

晶科能源有限公司

介紹了農(nóng)光互補的發(fā)展階段、設(shè)計與施工要點、設(shè)備選型和運營維護。農(nóng)光互補項目不僅可以有效解決土地性質(zhì)的限制，而且還可以與種植、養(yǎng)殖、觀光、科教等產(chǎn)業(yè)共贏。文章旨在對于農(nóng)光互補的應用和推廣提供借鑒。

農(nóng)光互補；晶體硅光伏組件；陰陽棚；架高敞開式；電勢誘發(fā)衰減

近年來，由于日益嚴重的能源危機和環(huán)境危機，可再生能源應用技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，尤其是資源豐富、適應性強、技術(shù)成熟的太陽能光伏應用技術(shù)[1-3]。2013年以來，隨著中國光伏應用市場的大規(guī)模啟動，土地問題已經(jīng)成了限制光伏發(fā)電建設(shè)的重要問題之一。在此背景下，土地綜合利用成了光伏應用技術(shù)的主旋律，如農(nóng)光互補、林光互補、牧光互補及漁光互補等[4,5]，其中農(nóng)光互補是發(fā)展最早且最成熟的“光伏+”應用技術(shù)。

2014年9月，國家能源局下達了《于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知》，指出因地制宜利用荒山荒坡、農(nóng)業(yè)大棚、灘涂、魚塘、湖泊等建設(shè)就地消納分布式光伏電站，鼓勵分布式光伏發(fā)電與農(nóng)戶扶貧、新農(nóng)村建設(shè)、農(nóng)業(yè)設(shè)施相結(jié)合，促進農(nóng)村居民生活改善和農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展。目前農(nóng)光互補主要有3種運營模式：（1）僅為光伏發(fā)電，適應當?shù)氐耐恋卣撸瑵M足土地性質(zhì)要求；（2）光伏電站及農(nóng)業(yè)收益同等看重，設(shè)立農(nóng)業(yè)公司更具有優(yōu)勢；（3）根據(jù)當?shù)匾蠼ㄔO(shè)光伏農(nóng)業(yè)大棚，其中電站自持，農(nóng)業(yè)出租的模式。本文從農(nóng)光互補的發(fā)展階段、設(shè)計與施工要點、設(shè)備選型和運營維護做了一個較為系統(tǒng)的介紹，希望能為其發(fā)展提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 發(fā)展階段

1.1 第一階段（2009～2011年）

2009年10月，臺灣光寶集團在江西上饒承建了中國第一個薄膜硅光伏農(nóng)業(yè)大棚，至此，這種特殊的“光伏+”應用形式引起了業(yè)界廣泛關(guān)注。光伏農(nóng)業(yè)大棚可分為薄膜硅光伏農(nóng)業(yè)大棚和晶體硅光伏農(nóng)業(yè)大棚，其主要特點為建材型結(jié)構(gòu)，即光伏組件作為一種建筑材料替代了原有的玻璃、采光板或塑料薄膜，如圖1所示。為了保證農(nóng)作物的生長，兩類大棚多可采用“光伏組件+間隔玻璃”方式實現(xiàn)透光。

入射到地球表面的太陽光包括紫外線、可見光及紅外線三種，最適合植物生長的太陽光為可見光波段，其中藍光和紅橙光是光合作用的有效能量區(qū)，是植物用來進行光合作用的最重要可見光部分，如圖2。薄膜硅光伏農(nóng)業(yè)大棚有效利用了植物光合作用的特點，采用semi-transparent系列薄膜硅光伏組件（采用透明PVB膜/EVA膜封裝，無鈦白粉反射層，通過硅薄膜材料實現(xiàn)選擇性透光），其不同波長的透光率情況如圖3所示，藍光波段透光率較低，主要被光伏組件吸收用來發(fā)電，紅橙光波段透光率較高，可用于植物的光合作用。而晶體硅光伏農(nóng)業(yè)大棚，需要采用雙玻結(jié)構(gòu)并通過拉大光伏電池間距的組件，同時結(jié)合間隔玻璃的形式實現(xiàn)透光。

對于這種建材型的組件安裝，一般有兩種安裝方式：隱框安裝和粘接安裝。圖4給出了隱框安裝節(jié)點圖，按照玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[6]進行光伏組件安裝。圖5給出了粘接安裝方式節(jié)點圖，通過結(jié)構(gòu)膠將光伏組件粘接在大棚鋼結(jié)構(gòu)檁條上，然后通過密封膠將組件與組件/玻璃之間的縫隙進行密封，縫隙大小一般為15 mm。一般情況，如果項目現(xiàn)場風載較大，或者組件安裝傾角較大，建議采用隱框安裝方式；如果風載較小，或者組件安裝傾角較小，可采用粘接安裝方式，此方式成本上具有一定優(yōu)勢，但是安全性、可靠性相對較弱。

圖1 光伏農(nóng)業(yè)大棚

圖2 光合作用響應圖譜

圖3 semi-transparent系列薄膜硅光伏組件透光譜

圖4 隱框安裝節(jié)點圖

圖5 粘接安裝方式節(jié)點圖

“光伏組件+間隔玻璃”這種農(nóng)業(yè)大棚應用形式，多用來種植黃瓜、西紅柿、茄子等農(nóng)作物，但發(fā)現(xiàn)對這些農(nóng)作物的生長并沒有積極的促進作用，反而在一定程度上影響了它們的生長，如光伏組件下面的瓜果相比于透明玻璃下面的瓜果較為稀疏、個頭稍小等，這主要是由于光伏組件吸收或屏蔽了這類作物正常生長所需波段的光。通過研究，可以通過提高大棚高度（一般當大棚的高寬比大于2時），使太陽光得到充分的散射，從而有效解決這類大棚的透光不均的問題。但是這種應用方式成本較高，同時也并未對農(nóng)作物生長帶來幫助，因此在早期僅處于試驗示范階段，并未得到大規(guī)模的推廣。

1.2 第二階段（2012～2015年）

2012年以后，汲取了前期的經(jīng)驗，農(nóng)光互補項目不僅僅只有光伏農(nóng)業(yè)大棚這種形式，還有光伏養(yǎng)殖、光伏種植等應用形式。另外，由于硅基薄膜組件效率過低，成本較高，絕大多數(shù)硅基薄膜組件制造商破產(chǎn)，農(nóng)光互補項目基本上都是采取晶體硅光伏組件。

圖6 優(yōu)化后的光伏農(nóng)業(yè)大棚形式

通過優(yōu)化后的光伏農(nóng)業(yè)大棚，不再采用“光伏組件+間隔玻璃”這種形式，多采用陰陽棚的形式，陽面種植喜陽作物，陰面種植喜陰作物，如圖6所示?？紤]到經(jīng)濟性，陽面除了種植一般喜陽農(nóng)作物外，建議采用盆栽方式種植一些附加值較高的農(nóng)作物。陰面適宜種植蘑菇，還可以種植蘭花、三七、西洋參等喜陰藥材。

除了光伏農(nóng)業(yè)大棚，光伏種植和光伏養(yǎng)殖還有以下幾種具體的應用形式：架高敞開式、荒山互補式、集成建材式以及屋面構(gòu)件式等。其中，架高敞開式為近幾年最主要的農(nóng)光互補應用形式，通過PHC管樁將光伏組件支撐起來，并適當增加光伏陣列的間距，來保證農(nóng)作物的健康生長。根據(jù)所種植農(nóng)作物的種類，確定PH管樁高度以及組件陣列距離，同時還可以根據(jù)農(nóng)作物對光的需求，分區(qū)域種植不同類型的農(nóng)作物。近兩年架高敞開式迅速發(fā)展，主要是由于光伏項目建設(shè)用地越來越匱乏，在此前提下，一般農(nóng)用地轉(zhuǎn)為設(shè)施農(nóng)用地成為了解決光伏用地的重要途徑之一，這種農(nóng)光互補形式應運而生，如圖7（a）?；纳交パa式，則主要是利用荒山荒地，種植適宜生長的農(nóng)作物，實現(xiàn)土地的綜合利用，晶科能源在浙江縉云建設(shè)了20 MW農(nóng)光互補項目，種植了西瓜、南瓜、黃豆、決明子等作物，如圖7（b）所示。集成建材式，光伏組件作為建筑材料安裝在屋頂，主要采用隱框安裝方式（節(jié)點圖如圖4），如圖7（c）所示。屋面構(gòu)件式，光伏組件附加在屋頂上面，可采用壓塊安裝或螺栓安裝，與普通屋面光伏電站基本一致，如圖7（d）所示。

圖7 光伏種養(yǎng)殖方式

1.3 第三階段（2016年～）

由于光伏建設(shè)用地的緊缺，短期內(nèi)農(nóng)光互補項目還是會以架高敞開式和荒山互補式為主，但是農(nóng)光互補的核心依然還是以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，未來農(nóng)光互補項目必然是以種植、養(yǎng)殖、參觀旅游、生態(tài)住宿、生態(tài)餐廳、生態(tài)采摘為一體的大農(nóng)業(yè)、大光伏項目，不會僅僅局限于目前這種以偏向新能源發(fā)電的狀況。

2 設(shè)計與施工要點

農(nóng)光互補項目需要根據(jù)當?shù)氐霓r(nóng)作物市場和太陽能資源，進行項目定位并確定項目用途及農(nóng)作物產(chǎn)品，同時還要根據(jù)農(nóng)作物的屬性（喜陰、喜陽），確定項目的設(shè)計方案和施工方案，如透光率，陣列間距、大棚高度等。

農(nóng)光互補項目一般支架較高，組件安裝、接線及檢修需要高空作業(yè)，應避免直接踩踏組件，防止組件電池片的隱裂。另外，當采用PHC管樁時，多采用單立柱支撐形式，支架容易出現(xiàn)傾斜，建議采用雙抱箍安裝方式。

3 設(shè)備選型

農(nóng)光互補項目一般建設(shè)在中東部，由于種植和養(yǎng)殖現(xiàn)場環(huán)境一般比較潮濕，而且人們的生產(chǎn)勞動與項目密切相關(guān)，因此所選設(shè)備應至少具備防水、防腐蝕、耐老化能力以及較強的絕緣能力。光伏組件可選擇抗PID的單玻組件或者可靠性更優(yōu)的雙玻組件，同時還要求光伏組件具有氨氣腐蝕的能力（氨肥以及動物糞便含氨氣成分）。電氣設(shè)備應具備高等級的防塵防水能力（建議IP 67等級）以及抗腐蝕能力。鋼結(jié)構(gòu)支架需采用防腐蝕防銹能力更強的鍍鋅鋼或鋁合金型材。針對光伏組件的PID現(xiàn)象，除了選擇抗PID性能優(yōu)異的組件外，還建議從系統(tǒng)端進行預防和恢復，如進行負極接地并采用帶隔離變的逆變器，或者具有虛擬接地功能的逆變器，或者夜間補償PID盒子（夜間對組件負極施加正向電壓）。

4 運營維護

完善的電站監(jiān)控系統(tǒng)和定期日常檢查和運維是對電站發(fā)電量最有力的保證。農(nóng)光互補項目一般陣列比較分散，因此相比于地面電站，運維難度相對較大，建議采用以信息處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算以及大數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)的“智能運維”方式，將本地監(jiān)控和遠程集控相結(jié)合，進行電站故障的精準定位，從而實現(xiàn)高效的運維管理。

5 結(jié)語

相比于普通地面光伏電站，農(nóng)光互補項目不僅有效解決了土地的限制問題，并且可以與種植、養(yǎng)殖、旅游、科教結(jié)合在一起實現(xiàn)共贏，未來必定會有更為廣闊的前景。本文重點介紹了農(nóng)光互補項目發(fā)展的幾個階段，其中“光伏組件+間隔玻璃”這種農(nóng)業(yè)大棚應用形式并未對農(nóng)作物生長帶來幫助，并且成本較高，因此逐漸發(fā)展為陰陽棚形式。農(nóng)光互補項目短時間內(nèi)還是會以架高敞開式和荒山互補式為主，未來肯定是多元化的發(fā)展。農(nóng)光互補一定要堅持農(nóng)業(yè)經(jīng)營為導向，光伏發(fā)電為輔助，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)項目增值，光伏發(fā)電系統(tǒng)盡量減少對種植和養(yǎng)殖的影響，只有這樣才能保證農(nóng)光互補健康有序發(fā)展。

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[6] JGJ 102—2003,玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

Agriculture - PV Complementary Application Technology and Solutions

Chen Jiangen
Jinko Solar Limited Company

The author introduces development stage, design and construction key points, equipment selection and operation maintenance of agriculture PV complementary. Agriculture PV complementary can not only effective solve land constraints, but also combine with planting , breeding ,tourism, science and education. The article aims at putting forward reference to agriculture PV complementary application and promotion.

Agriculture PV Complementary, Crystalline Silicon PV Module, Shade Solar Shed, High Open Frame, Electric Potential Induced Attenuation

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.03.007

陳江恩：（1984-），女，碩士，工程師，主要從事光伏系統(tǒng)和光伏組件設(shè)計及應用等方面的研究。