探討：光伏農(nóng)業(yè)中電站光資源分布研究

　　光伏農(nóng)業(yè)是近年來光伏電站投資建設(shè)的熱門話題。為了突破光伏電站用地的困境，農(nóng)光互補光伏電站項目在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，國家政策對光伏農(nóng)業(yè)項目給予補貼支持。

　　在光伏農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展中，令光伏從業(yè)者、設(shè)計院等比較困惑的事情是，普通的光伏電站下、農(nóng)業(yè)大棚下種植什么最合適，效益最大。而目前作為農(nóng)光互補主要形式的光伏大棚工程狀況令人震驚，如《光能》2015年5月刊，第85期張喆《光伏大棚or大棚光伏》中提到，某山地食用菌生產(chǎn)基地，其實是假借種蘑菇圈了一大片山地。某國企江蘇的1000畝農(nóng)業(yè)大棚已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，但是大棚地下卻是野草……因此，光伏電站與農(nóng)業(yè)等如何完美結(jié)合，迫切需要解決農(nóng)作物種植問題，該問題亟待深入研究，本文以光資源分析作為主題探討相關(guān)問題。

　　一、光對萬物的意義

　　關(guān)于上帝用六天創(chuàng)造宇宙萬物，《創(chuàng)世記》是這樣記載的：第一天，上帝說要有光，就有了光；第二天，上帝說要有天空，就有了天空；第三天，上帝說要有陸地和海洋，就有了陸地和海洋；第四天，上帝說要有太陽和月亮，就有了太陽和月亮；第五天，上帝說要有魚和飛鳥，就有了魚和飛鳥；第六天，上帝說要有動物和人，就有了動物和人。

　　從上帝創(chuàng)造萬物的過程，我們可以看到，有了光才可以生萬物。光是太陽輻射能以電磁波形式投射到地球表面上的輻射線。光主要來自太陽輻射，其他星體的光僅占極小部分。光是生命的極為重要的生態(tài)因子之一。地球上所有生命都是依靠進入生物圈的太陽輻射能流來維持的。太陽輻射對地球表面和水體不僅帶來光照，還直接產(chǎn)生熱效應(yīng)。光能影響有機體的理化變化，從而產(chǎn)生各種各樣的生態(tài)學(xué)效應(yīng)。

　?。?）光對動物和植物的生存提供能量的來源。動植物對光的刺激都會產(chǎn)生一定的反應(yīng)，如視覺、繁殖、發(fā)育、行為、分布等。

　?。?）光直接影響植物的光合作用和色素的形成。沒有光，綠色植物難以生存。水環(huán)境的光照條件遠遠不及陸地，即使在水的上層，光照強度也較空氣中小得多，在水體的深處則是永遠黑暗的。因此光在水生植物的生活中具有特別重要的生態(tài)意義。沒有陽光，綠色植物就不能進行光合作用，也就不能生存。光不僅影響植物的生活，還影響植物的分布。在陸生植物中，有些只有在強光下才能生長得好，如松、杉、柳、槐、玉米等；有些只有在密林下層的若光下才能生長得好，如藥用植物人參、三七等。

　　（3）光對于動物的重要意義，一方面是通過植物和影響其他環(huán)境因素的動態(tài)而產(chǎn)生的間接關(guān)系，另一方面主要起著信號作用，對于動物的行為和生理上有很大影響。在有些情況下光是動物生活中所需要的環(huán)境因子之一。陽光，對動物的影響也很明顯。陽光能夠影響動物的體色。例如，大多數(shù)魚身體背部的顏色較深，腹部較淺，這就與陽光的照射有關(guān)系。光照還能影響動物的生長發(fā)育。有人做過這樣的實驗：把蚜蟲培養(yǎng)在連續(xù)無光照的條件下，所產(chǎn)生的個體大多沒有翅；把蚜蟲培養(yǎng)在明暗交替的條件下，所產(chǎn)生的個體大多有翅。然而，光對動物的深刻影響在許多方面還沒有充分的了解，因為光對有機體的作用可能是直接的，也可能是間接的，還有可能是通過對其他環(huán)境因子的影響而起作用。

　　光資源是光伏電站建設(shè)的核心要素，當(dāng)場地、電網(wǎng)等條件合適，即可建設(shè)光伏電站，戈壁灘、山地等均可，但戈壁灘、山地等缺水的地方可能并不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。影響動植物生長的因素有很多，陽光、溫度、水、空氣濕度、土壤中的養(yǎng)分、空氣的成分等等。其中陽光和溫度對作物的影響最大，而光伏電站對環(huán)境溫度的影響有限，光伏大棚的溫度也是可調(diào)的，因此本文主要分析光伏電站中、農(nóng)光大棚中光資源的分布。

　　二、項目所在地光資源分析

　　2.1 我國光資源分布

　　我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時。

我國太陽能資源分布圖

　　按照日照輻射強度上圖中將我國分為四類地區(qū)。

　　一類地區(qū)（最豐富帶）

　　全年輻射量在6300MJ/m2以上。主要包括青藏高原、甘肅北部、寧夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部等地。

　　二類地區(qū)（很豐富帶）

　　全年輻射量在5040～6300MJ/m2。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇中北部和安徽北部等地。

　　三類地區(qū)（較豐富帶）

　　全年輻射量在3780～5040MJ/m2。主要是長江中下游、福建、浙江和廣東的一部分地區(qū)，春夏多陰雨，秋冬季太陽能資源還可以。

　　四類地區(qū)（一般帶）

　　全年輻射量在3780MJ/m2以下。主要包括四川、貴州兩省。此區(qū)是我國太陽能資源最少的地區(qū)。

　　二、三類地區(qū)，年輻射量不小于3780MJ/m2，是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，面積較大，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。四類地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價值。

表1 我國光資源分布劃分

　　2.2 項目所在地光資源分析 

　　本農(nóng)光互補項目位于安徽宿州。宿州簡稱為“宿”，安徽省地級市，宿州市位于安徽省北部。地理位置東經(jīng)116°09′-118°10′、北緯33°18′-34°38′。襟連沿海，背倚中原，素有安徽省北大門之稱。

　　宿州市位于黃淮平原南端，屬北溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，是南北冷暖空氣交匯的過渡地帶，季風(fēng)氣候明顯。宿州四季氣候變化大，冬季的時間比較長，有四個月之久，比較寒冷；夏日炎熱，持續(xù)時間較長；春秋兩季很短，氣候適宜，雨水適中，空氣潮濕。宿州多年平均降雨量為840mm左右，降水量的年際變化大，最大年降雨是最小年降雨的3．2倍，5-9月份降雨占年降雨量的四分之三，常以大雨、暴雨、特大暴雨形式出現(xiàn)，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

　　根據(jù)宿州的水平面光資源分析，該市年輻射量為1351.9kWh/m2，即4866.84MJ/m2。屬我國第三類太陽能資源區(qū)域，非常適合建設(shè)太陽能光伏發(fā)電項目。

表2 宿州氣象要素

　　三、農(nóng)光互補不同模式光資源分析

　　3.1 模式1光伏電站與農(nóng)業(yè)的簡單結(jié)合

　　光伏和農(nóng)業(yè)的簡單結(jié)合，是在光伏陣列間距中，種植農(nóng)作物，兩者結(jié)構(gòu)上是獨立的，在空間布局上相互結(jié)合，選擇種植低矮的農(nóng)作物，或者提高光伏組件高度，保證種植的農(nóng)作物的高度低于光伏陣列，避免影響光伏發(fā)電。

　　光伏電站建設(shè)方案：

　　常規(guī)設(shè)計的大型地面光伏電站常采用光伏組件豎向雙排布置。該地建設(shè)的光伏電站可采用260Wp的光伏組件豎向雙排2X22安裝在一個支架單元上設(shè)計，22塊光伏組件串聯(lián)為一個組串。1MW光伏電站，配置兩臺500kW逆變器和1臺1000KVA的就地變壓器。每臺逆變器接入96串光伏組串共549.12kWp。通過PVsyst進行模擬，宿州地區(qū)的光伏組件最佳角度為27度。

　　方陣傾角確定后，要注意南北向前后方陣間要留出合理的間距，以免前后出現(xiàn)陰影遮擋，前后排間距為：冬至日（一年當(dāng)中物體在太陽下陰影長度最長的一天）上午9：00到下午3：00（真太陽時），光伏組件之間南北方向無陰影遮擋。固定方陣安裝好后傾角不再調(diào)整?！豆夥l(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中給出平整場地光伏陣列不被遮擋的陣列中心間距公式：

　　各區(qū)域地面光資源占全年光資源的百分比如下：

表4 各個分區(qū)的地面月輻射量

　　給出了各個分區(qū)一年內(nèi)各個月份的光資源分析。由于光伏電站無遮擋規(guī)定的時間為當(dāng)?shù)卣嫣枙r冬至日9：00—15：00之間，因此冬季農(nóng)作物的高度要低于前排組件上端到后排組件下端兩者之間的連線。這一連線，也就是農(nóng)業(yè)大棚棚頂?shù)脑O(shè)計依據(jù)。

　　圖5和表4中的數(shù)據(jù)是農(nóng)光互補光伏電站中的時間、空間光資源分布數(shù)據(jù)。常規(guī)光伏電站中的時間、空間光資源數(shù)據(jù)模擬、分析方法，也是光伏大棚、光伏溫室等其他各種類型農(nóng)光互補光伏電站光資源分布分析的基礎(chǔ)。

　　由于篇幅所限，本文無法對各種農(nóng)光互補類型展開更多的討論，以及更加深入的分析光資源分布情況、陰影遮擋情況，后續(xù)文章擴展農(nóng)光互補類型和補充更多的光資源分析。歡迎業(yè)界朋友繼續(xù)關(guān)注下篇文章內(nèi)容，同時歡迎業(yè)界朋友一起探討研究。