光伏发电+农业解锁农业发展新模式

吴 楠，张耀邦，佘 炜，张存斌，袁 婧

（协鑫新能源控股有限公司，山西 太原 030000）

1893年，法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。1930年，德国科学家朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，将太阳能转化为电能。1954年，美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅光伏电池，效率为6%。

太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳电池（类似于晶体二极管的半导体器件）的光伏效应直接把太阳的辐射能转变为电能。太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染。太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术。

随着全球化石能源的逐渐枯竭以及因化石能源过度消耗而引发的全球变暖和生态环境恶化，人类生存面临威胁；因此大力开发可再生能源是解决这个问题的主要措施之一。截至2016年底，全球可再生能源装机容量达到2006 GW，其中水电占总装机份额最大，达到1122 GW，风能和太阳能发展强劲，装机量分别为467 GW和296 GW。自2009年起，可再生能源发电容量年均增速为8%～9%，其中太阳能发展最快，2016年增速32%，新增装机71 GW；与此同时，风能发电量同比增长了12%，新增装机51 GW，这是自2013年以来太阳能增速首次超过风能。

1 我国太阳能光伏行业发展概况

我国政府在2013年密集推出了一系列光伏产业相关政策，以支持国内太阳能光伏发电行业快速发展。在此背景下，2013年下半年我国光伏发电装机容量呈现快速增长，大规模光伏电站投入建设，呈现东、西部共同推进，并逐渐形成由西向东的发展格局，大幅拉动了我国太阳能电池组件制造行业的需求，主要光伏制造企业自2013年下半年以来经营状况整体回暖。截止到2017年2月底，国内在产多晶硅企业为17家，有效产能共计22万t/年。

据预测，2020年前，我国仍然处于工业化高级阶段向初级发达经济阶段转型的过程中，电力需求将继续保持增长。国家能源局《太阳能利用十三五发展规划征求意见稿》认为在“十三五”及未来较长一段时期，我国能源总需求仍将刚性增长，对清洁可再生能源的需求增长较快，太阳能利用市场前景广阔。

2 光伏农业产生的背景及发展意义

2.1 光伏农业产生的背景

我国光伏行业正在如火如荼的发展之中，2016年更是以新增装机超20 GW收官。在建设规模快速增加的同时，根据电力消纳能力的不同，建设区域呈现出由西部向东部集中的趋势，东部地区可以消纳新增电量，但有限的土地资源无法容纳如此大规模的常规的荒山荒坡类型的地面光伏电站，这也就促使产生了“光伏+”的模式。

“光伏+”的模式种类很多，比如光伏+农业、光伏+林业、光伏+渔业、光伏+治沙、光伏+美丽乡村等，其中以光伏+农业的结合最为典型和广泛。光伏+农业，顾名思义是指在光伏电站设计、建设、运营中，预留给农业种植、养殖所必需的空间，确保在光伏电站正常发电的同时，满足植物、动物的生理需求，达到农光互补的效果，实现生态农业、循环农业技术模式集成与创新，为农业可持续发展提供有力的技术支撑。

2.2 光伏农业的发展意义

首先是缓解土地资源与光伏发电发展的矛盾。光伏发电被很多人诟病的一个重要因素就是一些地区光伏发电占用大面积的耕地，虽然国家明令禁止，但仍不乏打擦边球者。光伏行业要不断发展，农业要固本，光伏农业的出现在一定程度上打破传统发展格局，很大程度上解决了光伏发电与种植业争地的矛盾。

其次是节约传统矿石能源，源源不断地提供能源供给。以光伏农业大棚为例，实现了棚顶发电、棚下种植，棚内的瓜果蔬菜、植被苗木在生长过程需要灌溉、一定的温度、灯光，而这些电力需求都可以通过光伏发电来满足。

三是提高农户经济收益，改善农民的生活水平。农户通过光伏农业往往可以达到一举多得的效果，不管是光伏农业大棚，还是渔光互补，农户除了获得原有的收入外，还能通过光伏发电获得国家补贴和卖电收益。

3 发展光伏农业的优势

3.1 政策支持

目前，光伏农业在我国已经具备一定的发展基础。基于光伏农业在帮助地方政府调整农业产业结构、提高土地利用率、增加就业、促进农业经济发展及生态文明建设、保护环境等方面起到了很大的支撑作用，近年来国家连续出台多项扶持政策。

2016年5月5日，国家能源局、国务院扶贫办联合印发《光伏扶贫实施方案编制大纲的通知》。此次联合发文的目的是为了进一步指导地方编制光伏扶贫实施方案，推进光伏扶贫工程建设，保障光伏扶贫项目有效实施。

2017年2月5日，中共中央、国务院公开发布《关于深入推进农业供给侧结构性改革 加快培育农业农村发展新动能的若干意见》（以下简称《意见》），对农村发展进行了指导。《意见》指出，要实施农村新能源行动，推进光伏发电，逐步扩大农村电力、燃气和清洁型煤供给。这是光伏发电首次被列入中央一号文件，可见国家鼓励支持 “光伏+”模式的发展。

2017年9月25日，国土资源部、国务院扶贫办、国家能源局联合印发《关于支持光伏扶贫和规范光伏发电产业用地的意见》（国土资规〔2017〕8号），强化光伏扶贫用地保障，进一步细化、规范光伏发电产业用地管理，切实加强光伏发电项目用地的监管。

根据相关政策要求，在坚持“公开申报、竞争立项、自下而上、先建后补”原则下2018年对蔬菜种植的扶持政策是：普通钢架大棚每667 m2补助6000元；连栋大棚补助75元/m2；彩钢大棚补助75元/m2；玻璃温室每667 m2补助15万元。

各个地方的补贴也不尽相同。上海对全市范围内从事蔬菜生产、年度种植6670 m2以上的农户和农业经营组织进行补贴，每667 m2标准为130元。北京对全市设施菜田年用水量每667 m2不超过500 m3、露地菜田年用水量每667 m2不超过200 m3的菜田进行补贴，平均每667 m2可以获得500元的政府补贴，持续到2020年末，其中对土地经营规模相当于当地户均承包地面积10～15倍、务农收入相当于当地二三产业务工收入的，会给予重点扶持；并且对温室大棚等设施菜田会相应提高补贴标准。福建省对设施农业温室大棚进行补贴，申报对象为福建省内的农户、专业大户、农民合作社、家庭农场、农业企业等，每667 m2补贴标准为0.5万～10万元。

3.2 技术支持

光伏农业的飞速发展除具备各种政策支持外，相关技术的不断更新也给予了光伏农业强有力的支撑。

大数据监控系统：通过在各大区域建立不同规模的监控系统，不仅能够对光伏电站进行全天候地监控，同时也可以及时进行农事管理，借助于电力系统的技术优势，完成对农业的促进与发展。

物联网系统：通过数据拾取系统、信息传感系统、互联网、运输系统、终端用户的有效连接，使得农业从传统的点、线、面向更广阔的多端口网络发展。

光伏发电设备不断创新，从传统的晶硅电池组件，到透光性能更好的薄膜、双玻等电池组件；从传统的固定支架系统，到光伏大棚、光伏畜舍、可调支架、追日跟踪系统等；从集中式逆变器到组串式逆变器等，设备的进步都给农业创造了更好的实施空间，也使得光伏农业有了长足的发展。

目前，中国科学技术大学先进技术研究院研发了一项新技术——农作物智能光照技术，它能够分离植物萌芽、生长、开花、结果和育种所需的约10%的可见光，同时将剩余80%以上的光通过槽形发光器进行反射，集中到一块标准的太阳能电池板上，用于发电[1]。

现有光伏农场及光伏植物大棚都没有很好解决农作物光照需要与发电的矛盾。从这一点上来说，农作物智能光照技术则是一种可以实现种植与光伏发电“两不误”的创新方案。与过去国内外光伏农业系统相比，该系统由简单的几何分光或者强度分光升级到光谱分光，在实现光伏发电的同时，还优化了植物生长的光照条件，可以使太阳能的利用“最大化”。

从实际示范及试验系统的效果来看，在经过人工选择的阳光条件下，即在3—5月光照充足的春季使用滤光膜，3种农作物（黄瓜、竹叶菜、生菜）的主要生理参数（可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、根活跃吸收面积）均有不同程度地提高，表明该技术对农作物生长有好处，可以帮助实现作物增收、改善作物品质等。在5月中旬晴朗天气条件下，中午时间单位面积发电能力可以达到87 W/m2。

4 光伏农业发展模式

目前光伏农业主要有四大模式，即光伏种植、光伏养殖、光伏水利、光伏村舍；八小模式，即菌菇光伏模式、渔光互补模式、蔬菜（瓜果）光伏模式、畜禽（牧业）光伏模式、林光模式、药材光伏模式、生态光伏模式、水利光模式。现对光伏+农业大棚、光伏+大田种植2种典型模式展开具体介绍。

4.1 光伏+农业大棚

光伏+农业大棚模式因农业大棚的种类较多，所以划分的种类比较多，主要有以下几种。

光伏+连栋大棚

连栋大棚利用棚顶倾角的变化，增加了南坡面的面积，减少了北坡面的面积，可以增加光伏组件的铺设，可以在南坡面全部铺设或者间隔式铺设光伏组件，这取决于大棚的功能，即棚内作物需要自然光的多少。如图1所示，该棚为育苗棚，因苗期作物所需光照较少，故组件铺设面积占南坡面的2/3，北坡面不铺设。

图1 光伏+连栋大棚

该模式不单独占用土地，会很大程度上降低棚内高温，但是因增加了组件的铺设，需要相应提高大棚的结构强度、承重能力，这样会增加基础投资30%～60%，同时运营管理难度增加，清洗难度大，对保持高效率发电造成极大影响，目前只作为光伏+农业项目的示范工程存在，一般功能设定为育苗、展示、加工等。

光伏+日光温室

日光温室是可以种植反季节蔬菜的有山墙的拱棚，拱面覆膜，冬季加覆保温层。该棚型是北方反季节蔬菜种植的主要棚型，每座规格一般为667～1000 m2。光伏组件和支架系统安装在山墙上（图2-a），也可以独立建设（图2-b）。

该模式适合在有大面积日光温室地区实施，但增加了支架的高度，进而增加了成本，而且清洗难度大，同时为了不影响蔬菜的种植，必然要增加日光温室的间距，目前这种模式应用较少。

光伏+普通蔬菜拱棚

该棚型由全拱支架和覆膜组成，结构简单，投资规模较小，也是大部分地区最常见的大棚，单层膜无法种植反季节作物，北方地区一般采取双层膜或加盖保温层来实现反季节种植。

该模式（图3）和光伏+日光温室类似，支架高度增加，棚间距增加，使得土地占用面积增加，光伏投入成本增加，而该拱棚种植效果只能实现提前种植时间约20 d，实际种植的投资回报率与大田种植相比并不明显，但相对投资较低，是目前推广较多的一种。

图2 光伏+日光温室

图3 光伏+普通蔬菜拱棚

光伏+食用菌棚

该棚型由支架、单层塑料薄膜、外遮阳网组成（图4），结构与普通蔬菜拱棚类似，为了方便食用菌的生长，棚内设置菌棒台架。该棚型南北方通用，北方入冬后不再生产。

该模式主要有以下2种类型，一种是菌棚在光伏组件正下方（图4-a），这样能够更好地完成遮光，也能有效避免夏季高温对生产的负面影响，但在春秋季不利于温度提升，影响一个自然年内的种植周期，而且这种温度影响是不可控的，不利于规模化生产，同时支架的升高增加了投资。

图4 光伏+食用菌棚

另一种是菌棚在组件阵列之间（图4-b），这种模式可以在光伏电站正常的建设完成后，根据间距、高度、遮光等要求进行菌棚的设计，从而实现光伏阵列与菌棚的完美结合，该模式是应用最多的。

4.2 光伏+大田种植

该模式推广应用较为广泛，利用光伏阵列间的土地进行大田种植，适用的作物品种较多，阵列间距足够机械化种植，可以达到农业的正常种植和收益。

协鑫新能源控股有限公司旗下的光伏农业项目众多，有些已取得成功。

图5中光伏蔬果示范区，试验品种多达25种，包括秋葵、辣椒、西瓜、甜瓜等，通过对生长期及产量进行对比后发现，光伏遮阴区蔬菜苗期长势较弱，盛果期推迟，产量基本持平。图6中的光伏白菜667 m2产量达到了5000 kg，与正常种植的白菜产量基本一致。从种植的全周期来看，前期小苗阶段，光伏组件垂直投影面区域苗较其他区域长势明显较弱；中期前后，同样水肥管理条件下，长势赶超其他区域；在采收阶段，从株高、球径、叶片数来说，基本无差异。

图5 太谷协鑫光伏蔬果

图6 太谷协鑫光伏白菜

5 光伏农业典型项目分析

2016年，国家发展改革委、国务院扶贫办等联合发布的《关于实施光伏发电扶贫工作的意见》要求，各地区应将光伏扶贫作为资产收益扶贫的重要方式，为打赢脱贫攻坚战增添新的力量。

光伏农业可持续发展需妥善处理好光伏电站阵列与农业生产间“争阳光、争空间、争土地”等问题，给农业生产留足要素。实践证明，通过合理设计的光伏农业可实现阳光与土地利用的最大化，是科技兴农富农的新路径。乡村振兴，产业兴旺是重点。光伏与农业相结合，是产业兴旺，实现精准扶贫、乡村繁荣的有效途径。

5.1 把扶贫项目做成精品工程

山东省郓城鑫华40兆瓦光伏扶贫电站于2017年3月并网发电，是山东省2016年第一批国家级扶贫项目，在建设之初就设计为农光互补模式。目前，这里已建成了173座三连栋大棚，保留了露天种植区，初步形成了“光伏+农业+扶贫”示范基地的规模。与以往的“输血式”扶贫不同，光伏扶贫项目属于持续“造血式”扶贫，老百姓脱贫之后不会返贫。该电站每年可扶持贫困户约1600户，帮助侯咽集镇近40%的贫困户脱贫。每年每户可获得3000元的光伏扶贫政策收入，此外，土地流转、务工收入等方式更是丰富了当地老百姓的创收渠道[2]。

5.2 打造绿色扶贫标杆

安徽金寨是集山区、库区和革命老区于一体的国家级扶贫开发重点县，也是首个国家高比例可再生能源示范县。汇金光伏扶贫电站是金寨县政府投资建设的兜底扶贫项目，建设工期紧、任务急、标准高，而选址又是在山坡荒地，山高路陡，地形和生态环境复杂，施工难度极大。最终，协鑫集成能源工程公司克服重重困难，高质量地如期完成项目建设；同时，植被恢复工作进展良好，最大限度地保护了生态环境，守护了绿水青山。金寨汇金光伏电站在2017年12月3日全容量并网，日均发电超过20万kW·h，最高发电纪录达到42.6万kW·h。每年除去各项成本后产生的收益约1500万元，可为4000个贫困户每户增收3750元。

5.3 一光多用 一地多收

在安徽宿州埇桥区灰谷镇付湖村，根据当地光照条件与土壤性质，设计建造了光伏大棚，实现立体化农业生产。667 m2大棚里种植茄子和辣椒，收益大概为1万元；棚外养的麻鸡，全部销给本地企业做地方名吃“刘老二烧鸡”；此外，露天种植了40 hm2油用牡丹，667 m2年收入4000～6000元。每年4月的牡丹花一开，还可吸引附近的城里人来观赏，又可带动村里农产品的销售。围绕光伏牡丹产业，还可以开发更多附加产品，如牡丹油、牡丹胶囊有助降低血糖，具有极高保健价值，牡丹籽榨油的废渣可作肥料等。

6 光伏农业的发展瓶颈

6.1 技术不成熟

技术是最重要的基础。技术不成熟是光伏农业受到质疑的主要原因之一，导致光伏与农业争光，农业减产，光伏在农业中的运用受到限制。所以要对光伏农业进行更多的实践与试验，用事实验证光伏农业的兼容性，用需求推动标准的建立。

6.2 理论体系不完善

光伏农业没有成熟系统性的产业研究成果与体系，商业模式、运营模式、盈利模式、管理模式等还处在探索与发展阶段[3]。没有合适的商业模式，农业部分建成后决策管理和市场的压力大，同时还要与光伏结合发展，合作、发展、运营、销售的商业模式需要摸索验证。要根据当地的资源禀赋和市场情况，确定光伏农业的发展定位，精准定位才能做到有针对性地生产，同时制定当地整体规划，选准品种，稳步推进。光伏农业最适合推广的模式是大棚下种植食用菌、药用菌、水产养殖、动物养殖及农副产品深加工、市场交易等子项目。

6.3 光伏与农业的融合还处于探索阶段

目前，大多数光伏农业项目中农业与光伏并没有真正融合，光伏农业企业的发展战略、光伏与农业产业布局、业务比重、管理制度、人员配置等偏重在光伏或农业，并没有将2个产业真正地同等对待。应该根据2个产业的特点与实际，制订、建立可行的发展战略、制度体系、专业团队等。只有做到这些，光伏农业才有真正发展与成功的可能性[4]。

6.4 光伏农业政策还需要进一步明确与丰富

国家对光伏农业的优惠政策还是停留在单一针对光伏发电或者农业上，没有针对光伏农业产业融合的相关优惠政策。而光伏农业的健康发展，绝不是仅对单一产业的扶持，更需要系统性、综合性地支持与推动。

7 光伏农业前景展望

农业现代化离不开设施农业，设施农业由于成本高、投入大，不适宜单户经营，需要形成规模化、专业化的经营模式。我国的光伏产业在迅速发展的同时也遇到了很多问题，例如资源丰富区与消纳区距离过远，长途输电经济性不足；东部人口密集区，虽然消纳能力强但土地匮乏。光伏农业为此应运而生，在不改变土地使用属性的情况下，实现光伏电站和设施农业成本共摊，共同高效发展。未来光伏农业发展趋势主要集中于以下3个方面。

7.1 高科技化

通过计算机终端控制，建立高精智能大棚，光伏发电稳定，农业高效、绿色。当前，我国农业大棚、渔业养殖的科技含量已有较大的提升，在光伏介入农业之后，带来了充足的资金流和能量流，农业的科技含量必将如虎添翼。

7.2 智能微网化

光伏地区有较多位于无电、少电地区，在构建智能微网之后，可以完善地解决无电、少电地区用电困难，形成有能源支持的农业高端系统环境。

7.3 社会效益最大化

光伏农业一定不能脱离农业基础，最终目标依然需要着眼于农业、农民、农村，这才能从根本上实现社会效益最大化。除了基本的光伏发电与农业生产外，还可结合观光采摘、乡村旅游、民俗文化游、科普基地、田园景观等形式，提高单位土地的收益，最大限度地利用土地资源，增加生态效益和社会效益，提高农民收入，有效带动地方经济发展。

“十三五”规划把光伏行业提高到一个更高的层面，与光伏扶贫结合到一起，并且鼓励光伏发电与种植业、养殖业相结合，充分利用荒山、荒坡、鱼塘、大棚等闲置资源，大力发展光伏农业，在当下光伏行业快速发展的浪潮下，光伏农业扮演着重要的角色，也被看作是行业发展的破冰之举，具有广阔的发展前景。从农业角度来看，光伏农业将打破我国传统农业发展的瓶颈，是进一步发展农村经济、改善农民生活的必然选择，也是农业生产方式变革时势所趋。基于光伏农业对我国农业发展具有重要意义，以及国家大力重视其政策扶持的现状，未来光伏农业有望成为一片“蓝海”。

[1] 刘文.光伏农场:种植和发电两不误[N/OL].光明日报,2016-11-18[2018-03-05].http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2016-11/18/nw.D110000gmrb_20161118_5-10.htm.

[2] 王伟健.协鑫光伏扶贫惠及3.8万农户[N/OL].人民日报,2018-02-14[2018-03-05].http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2018-02/14/nw.D110000renmrb_20180214_1-15.htm.

[3] 何勇.光伏农业产业发展探讨[J].现代农业科技,2017(7):185-186.

[4] 房玉双,铁生年.光伏农业发展中存在的问题及对策建议[J].甘肃农业科技,2015(5):61-63.