【干貨】光伏農業(yè)中電站光資源分布研究

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

　　在光伏農業(yè)的快速發(fā)展中，令光伏從業(yè)者、設計院等比較困惑的事情是，普通的光伏電站下、農業(yè)大棚下種植什么最合適，效益最大。而目前作為農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畝農業(yè)大棚已經并網發(fā)電，但是大棚地下卻是野草……因此，光伏電站與農業(yè)等如何完美結合，迫切需要解決農作物種植問題，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問題。

　　一、光對萬物的意義

　　關于上帝用六天創(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，還直接產生熱效應。光能影響有機體的理化變化，從而產生各種各樣的生態(tài)學效應。

　?。?）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生一定的反應，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。

　?。?）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)而產生的間接關系，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的核心要素，當場地、電網等條件合適，即可建設光伏電站，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業(yè)生產。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的，因此本文主要分析光伏電站中、農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氣候，是南北冷暖空氣交匯的過渡地帶，季風氣候明顯。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，非常適合建設太陽能光伏發(fā)電項目。

　　表2 宿州氣象要素

　　三、農光互補不同模式光資源分析

　　3.1 模式1光伏電站與農業(yè)的簡單結合

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

　　光伏電站建設方案

　　常規(guī)設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（一年當中物體在太陽下陰影長度最長的一天）上午900到下午300（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整。《光伏發(fā)電站設計規(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

　　式中L為陣列斜面長度，θ為組件傾角，Φ為項目所在地緯度。光伏陣列中心間距為陣列斜面投影D1與間距D2之和。陣列間距示意圖如圖3。

　　圖3 光伏陣列間距示意圖

　　根據(jù)光伏陣列南北陣列中心間距計算公式，計算得中心間距D=6.12米，本工程選用光伏陣列南北中心間距為7米。組件下端距離地面高度為1米（不考慮農業(yè)種植的，一般大型地面光伏電站中，組件下端距離地面高度為0.3—0.5米）。

　　組件傾斜面上輻射量為

　　表3 組件傾斜面上輻射量

　　對光伏陣列之間農業(yè)種植區(qū)的光資源分布，利用PVsyst建模，將光伏陣列下方和陣列之間的區(qū)域，模型的第三排和第四排陣列中間區(qū)域（黃綠色中間區(qū)域），按照1米一個寬度、0.5米一級高度劃分網格，模擬陣列之間不同高度的、位置的光資源，通過分析，全年的光資源立體分布圖如下

　　圖4 PVsyst內光伏陣列建模

　　圖5 光伏陣列間年輻射量立體分布圖

　　上圖為光伏陣列種植區(qū)內的全年的光資源立體分布圖，圖中，A區(qū)——G區(qū)每區(qū)的寬度為1米。由圖5中可以看到，光伏陣列之間的區(qū)域光資源最好，光伏組件的下方光資源較差。光伏陣列區(qū)的光資源分配與空間高度也有關系，從上圖中，我們可以看到，隨著高度的增加，光伏組件下方的光資源在減少，而陣列之間的光資源在呈上升趨勢，達到80%左右。

　　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?shù)卣嫣枙r冬至日900—1500之間，因此冬季農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，也就是農業(yè)大棚棚頂?shù)脑O計依據(jù)。

　　圖5和表4中的數(shù)據(jù)是農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光互補光伏電站光資源分布分析的基礎。

　　由于篇幅所限，本文無法對各種農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)關注下篇文章內容，同時歡迎業(yè)界朋友一起探討研究。