3種典型光伏大棚投資效益比較

:前言：針對(duì)我國(guó)大面積推行的光伏扶貧中遇到的土地問題，國(guó)家鼓勵(lì)光伏扶貧與設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，但傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)出于經(jīng)濟(jì)性考慮不能直接滿足光伏安裝要求，為此本文對(duì)比了敞開式、連棟溫室與日光溫室的光伏布置方式，并進(jìn)行了單位耕地面積的光伏發(fā)電量比較，最后完成了典型光伏大棚的投資效益分析，為進(jìn)一步開展與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合的光伏大棚設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

隨著我國(guó)光伏扶貧工程的大面積推廣，農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)逐步出現(xiàn)了無法就地消納光伏電量的問題，大量光伏電量通過農(nóng)村地區(qū)較為薄弱的配電網(wǎng)反送至電網(wǎng)主網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的網(wǎng)損和投資改造成本造成較大影響[1]，為此國(guó)務(wù)院在“十三五扶貧規(guī)劃”中提出農(nóng)村分布式電源應(yīng)與設(shè)施農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的方向[2]，通過設(shè)施農(nóng)業(yè)用能與分布式電源供電相結(jié)合，負(fù)荷與電源同步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)分布式電源與設(shè)施農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，并增強(qiáng)光伏發(fā)電效益，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供能源支撐。

目前光伏發(fā)電與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合的主要形式是光伏大棚[3-4]，該種方式目前已經(jīng)在不同地區(qū)和不同經(jīng)濟(jì)作物品種上開始了實(shí)踐，包括北方地區(qū)與南方地區(qū)不同氣候類型的省份[5-7]，作物品種包括傳統(tǒng)的蔬菜大棚和初步探索的香菇、茶樹及有機(jī)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(shí)為了考慮用能與發(fā)電的匹配，初步開展了溫室用能智能控制[11]，以期探索互補(bǔ)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(fā)電設(shè)備，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與光伏發(fā)電同步進(jìn)行，設(shè)施農(nóng)業(yè)用能與光伏供電互補(bǔ)運(yùn)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(nóng)業(yè)應(yīng)用較多，結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)固，通過與無邊框晶硅組件或薄膜組件的結(jié)合可有效開展光伏發(fā)電，但需要根據(jù)光伏發(fā)電調(diào)整朝向。同時(shí)要考慮光伏發(fā)電效益，不應(yīng)再采用外遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)。主要布置形式如圖1所示。

2）日光溫室型光伏大棚

日光溫室是我國(guó)最為常見的設(shè)施農(nóng)業(yè)載體，在結(jié)構(gòu)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(fā)電，在安裝光伏組件后所增加的風(fēng)荷影響溫室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一般采用冷彎結(jié)構(gòu)。

為了避免對(duì)光伏組件的遮擋，一般安置于后墻，如圖2（a）所示。對(duì)于該種方式布置的光伏大棚棚內(nèi)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(jiǎn)便易于保證工程質(zhì)量。該種方式由于具有后墻維護(hù)通道，清掃和外觀檢查較為便捷，維護(hù)成本低。

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

3）敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)

敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)從農(nóng)業(yè)角度看是一般光伏陣列與大田種植相結(jié)合的產(chǎn)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(diào)控，但該種方式不具備或較少具備光伏發(fā)電的消納能力，重點(diǎn)是保證發(fā)電效益，在未來面對(duì)高滲透率的農(nóng)村配網(wǎng)不具備競(jìng)爭(zhēng)力，其布置示意圖如圖3所示。

2 單位面積光伏發(fā)電量比較

針對(duì)3種光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)形式，玻璃溫室的屋頂面積利用最為充分，發(fā)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(diào)整頂部?jī)A角，直接布置組件，不會(huì)產(chǎn)生傾角對(duì)發(fā)電量的影響，但需要注意朝向，設(shè)計(jì)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(jī)為40Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實(shí)際光伏裝機(jī)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(jī)為200Wp，考慮到日光溫室前后的間距，實(shí)際光伏裝機(jī)約為每平米為100Wp。

3）敞開式光伏設(shè)施農(nóng)業(yè)

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(duì)前后間距的影響，每平米設(shè)施的光伏裝機(jī)在75～125Wp/m2。

通過發(fā)電量比較可知，以上3種光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的方式，敞開式的發(fā)電效益最好，對(duì)比情況見表1。

3 投資效益分析

光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合的投資效益包括發(fā)電設(shè)備投入、光伏發(fā)電效益、設(shè)施農(nóng)業(yè)投資成本與農(nóng)業(yè)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(jī)，裝機(jī)容量越大，發(fā)電效益越大，而農(nóng)業(yè)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(qū)為例，考慮土地面積10畝，綜合對(duì)比不同形式光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合的投資效益。光伏收益在屋頂電價(jià)在1.05元/kW˙h水平上按收益0.2元/kW˙h計(jì)算。三類光伏與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合方式共有4種實(shí)施方式，4種方式的比較見表2，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出來自4種環(huán)境下都能生長(zhǎng)的葉菜，如生菜、油菜、雞毛菜等，表2中實(shí)際選用生菜。

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

年發(fā)電收益B由式（1）計(jì)算得到

式中，S為裝機(jī)容量；T為年發(fā)電小時(shí)數(shù)，本例中取1200h；p為度電收益；此處按0.2元/kW˙h計(jì)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(nóng)業(yè)收入以生菜為例，市場(chǎng)收購(gòu)價(jià)格為4元/kg，溫室可保證四季生長(zhǎng)，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(chǎn)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(chǎn)出效益適中，適合大范圍推廣，可根據(jù)市場(chǎng)情況選擇后墻或前坡布置方式。敞開式雖然發(fā)電效益顯著，但農(nóng)業(yè)收入較低，考慮到夏季除草成本，不建議大面積推廣。

4 結(jié)論

本文針對(duì)玻璃溫室、日光溫室及敞開式3種形式的光伏與農(nóng)業(yè)相結(jié)合方式進(jìn)行了比較分析，3種方式中玻璃溫室的發(fā)電效益最高，但玻璃溫室的建設(shè)投資較大，冬季供暖需求大，投入產(chǎn)出比不高，而敞開式光伏農(nóng)業(yè)形式農(nóng)業(yè)產(chǎn)出較低，對(duì)更低利用不充分。綜合來看，日光溫室在光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)收益方面能夠較好結(jié)合，是目前最有前景的發(fā)展形式。

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原標(biāo)題:典型光伏大棚投資效益比較分析研究