浅析甘肃河西走廊地区发展光伏农业的前景及思路

赵玲霞，盛海龙

河西学院 物理与机电工程学院，甘肃 张掖 734000

根据国家能源局的统计信息，2017年上半年，西北五省（区）新增光伏发电并网容量422.49万kW，截至2017年上半年，累计并网容量3 458.9万kW，占全网总装机的13.88%。2017年上半年，光伏发电量186.34亿kW·h，占全网总发电量的5.61%；利用小时数620h，弃光电量34.29亿kW·h，弃光率15.5%。西北及五省（区）弃光率依次为：陕西9.7%、甘肃24.1%、青海5.3%、宁夏5.6%、新疆26.5%。

由上述数据可以看出，弃光现象主要集中在新疆和甘肃。2016年光伏发电装机规模出现向中东部区域转移的现象，虽然光伏装机向中东部转移在一定程度上会降低弃光率，但会使中东部地区对于西部地区的光伏消纳需求降低，进一步加剧了西部地区消纳光伏发电的难题。在目前电力外送逐步减少的情况下，实现就近消纳将是西部光伏产业发展的长久之道。

一、甘肃河西走廊地区光伏产业发展的困难与瓶颈

（一）自然条件

河西走廊包括酒泉市、嘉峪关市、张掖市、金昌市和武威市的19个县、区，总面积为27.9万km2，占全省的60%左右，而耕地面积约占全省的19%。地处东经93°51’～103°46’，北纬36°31’～40°21’，当地云量稀少，日照时间较长，光照资源较丰富，年平均日照时数在2 600～3 319h之间，太阳总辐射量在5 400～6 350MJ/m2之间，从太阳能可利用开发的地域来看，河西地区属于我国太阳能资源较丰富的地区。

（二）光伏产业发展的困难与瓶颈

甘肃省光伏产业发展过程中存在的困难和问题主要有以下几个方面，一是弃光限电问题突出，由于近年来光伏发电建设速度快、规模大，全省并网装机容量已超过500万kW，居全国之首，但是在光伏电站快速发展的同时，出现了严重的弃光限电情况；二是受电网接入制约；三是受电力输出制约；四是光伏电站规模化发展受制约，受全省电力市场消纳和项目资源分配因素影响，国家对光伏电站建设实行规模控制，以电力送出和消纳空间为前提布局光伏电站项目，对张掖、武威、金昌、酒泉和嘉峪关等弃光限电严重地区，除配合特高压外送通道安排的项目外，严格控制新建规模，主要消化已建项目和在建项目的发电能力。

光伏产能过剩问题严峻，为扩大内需，实现就近消纳，可将光伏产业与农业相结合，发展光伏农业。光伏产品在农业中的应用，不仅有利于现代农业的转型及产业结构的调整，也可以解决光伏产业遇到的困境问题。因此，发展光伏农业可以实现光伏产业与现代农业的共赢。

二、光伏农业的概念、优势及发展现状

（一）光伏农业介绍

光伏农业就是将太阳能发电广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业，常见的光伏农业模式有光伏种植、光伏养殖、光伏水利等。

光伏种植有玻璃温室、日光温室与敞开式三种方式，对这三种方式进行比较分析，结论是日光温室在光伏发电与农业收益方面能够较好结合，是目前最有前景的发展形式[1]。光伏温室大棚棚顶发电，棚下进行农作物种植，目前主要种植作物有蔬菜、花卉、菌类、药材及观赏类苗木等[2]；智能型光伏温室大棚中，集通风、光照、滴灌及温控为一体，通过对室内温度、湿度、CO2浓度及光照等作物生长环境因素的控制，提高生产效率及经济效益；光伏设施农业的滴灌技术的主要优点是可利用自动控制技术根据作物生长情况及棚内温度进行智能灌溉，既节省了人力，又提高了水资源利用率；不足之处在于造价高、建造标准不统一等[3]。

光伏养殖有光伏畜禽大棚养殖和渔光互补的水产养殖两种方式，前者将光伏发电技术与大棚养殖结合，把开放式或半开放式畜禽圈舍改造为透光或半透光的太阳能光伏板盖顶，利用光伏板所发电能提高舍内温度，保证畜禽顺利过冬，同时提供棚内照明、消毒，清洗设备等所需电力，余电上网，以此提高畜禽养殖经济效益[4]；后者利用鱼塘或滩涂湿地，在水面支上光伏组件，建成光伏电站，建设模式主要有固定式和漂浮式，其优点是光伏组件在发电的同时，还可为池塘遮光，以减少水分蒸发，渔光互补模式在国外早有应用[5]。

光伏在水利上的应用有光伏扬水系统和光伏节水灌溉系统，光伏扬水系统一般建在边远地区或常规电力难以到达的地区，作为农林灌溉、荒漠治理、草原畜牧、生活用水等的动力电源。另外，光伏还可用于太阳能水情监测报告系统、林业监测报告系统、太阳能杀虫灯等。

综上所述，随着光伏农业的发展，越来越多的光伏产品被用于农业生产中，促进了农业的现代化进程和农村经济的发展，提高了农民的收入，同时也拓展了光伏产品在国内的应用市场。

（二）光伏农业的优势

作为现代农业的重要呈现形式，光伏农业不仅符合国家发展新能源的战略，将受到补贴等政策福利，更是能够在一定程度上解决当前农村面临的诸多问题：一是缓解农村的人力矛盾，例如智能化光伏温室大棚，通过自动化技术的应用，在提高生产效益的同时，也减轻了大棚管理人员的工作量；二是提高了土地利用率，无论是光伏种植还是光伏养殖，均不占用额外的土地资源，通过对现有资源的改造，实现了对土地的二次利用和增值；三是可以为不同农作物创造适宜的生长环境，种植有机且高附加值的农产品，如药材、食用菌、珍贵苗木等；四是太阳能所发电量在满足农业用电的同时，可将多余电量卖给电网公司，为农业参与者和投资者提供盈利的机会。

光伏农业的发展前景是广阔的，但目前光伏农业仍处于初期阶段，还面临着诸如标准不统一，商业模式不明朗，多方利益有机协调，农民积极性不高等等问题。对普通的农户来说，光伏发电成本依然较高，但是，相信未来随着国家政策、财政补贴的保驾护航，经验的成熟，光伏在农业上的应用会越来越广泛，农户将从中受益越来越大。

（三）光伏农业在国内的发展现状

2009年10月，台湾光宝集团在江西上饶承建了中国第一个薄膜硅光伏农业大棚，2012年后出现了光伏养殖和光伏种植等应用形式，2013年3月，国内首批17座光伏大棚在“蔬菜之乡”山东寿光建设完成，并于当年11月并网发电。目前，光伏大棚模式已逐渐在山东、江苏、江西、内蒙、宁夏等多省乃至全国范围内进行推广。

2009年，我国光伏农业电站装机容量不到1MW，2014年则达到1 182MW，呈现爆发式增长。到2014年3月，经相关部门立项的光伏农业大棚、渔光互补的水产养殖、光伏畜禽养殖大棚等项目已达400多个。

据统计截至2014年底，我国已建成的农业设施总面积410.9万hm2，其中塑料大棚占46%，日光温室占25%，小拱棚等占29%，未来光伏农业市场潜力巨大。

三、甘肃河西走廊地区发展光伏农业的前景分析

（一）可利用资源

1.无公害蔬菜。甘肃省已成为我国“西菜东调”“北菜南运”五大商品蔬菜基地之一，“高原夏菜”在国内市场需求旺盛，前景广阔。2017年全省蔬菜种植面积达868万亩，产量突破2 000万t。目前，全省有40多个县区成为蔬菜重点产区，年产量均在5万t以上，年产值达370亿元以上。河西走廊灌区是甘肃省蔬菜主产区之一，作为蔬菜种植区域，河西地区以其独特的地理位置，丰富的资源优势，成为国内发展无公害蔬菜生产的最佳区域之一。太阳能杀虫灯等新型绿色植保产品在绿色无公害蔬菜上应用前景广阔。

2.设施蔬菜。目前，全省大棚面积在80万亩以上。高效节能日光温室蔬菜生产优势区域，主要集中在中部沿黄灌区和河西走廊两大区域，面积27.33万亩，占全省日光温室总面积的88.16%。近年来，河西5市利用戈壁等非耕地已建成高效节能日光温室5万亩，其中酒泉市建成了以肃州区、玉门市为主的2个万亩戈壁农业蔬菜生产基地，建成戈壁农业产业园39个，全市戈壁农业面积达2.79万亩；张掖市初步发展形成以甘州区巴吉滩“绿涵公司”为龙头的非耕地设施蔬菜生产示范园，以民乐县六坝滩“荣善公司”为龙头的设施食用菌生产示范园和以临泽县北部滩板桥镇“红沟葡萄”为龙头的设施林果栽培示范基地，全市累计开发戈壁农业2.2万亩；嘉峪关市累计建成戈壁日光温室1 200亩，亩均效益均稳定在2万元以上。同时，戈壁农业的种植作物也由原来的蔬菜逐步拓展到现在的葡萄、西瓜、甜瓜、食用菌、沙葱等，光伏产业可利用空间巨大。

3.畜牧建设。甘肃是全国六大牧区之一。近年来，省委、省政府高度重视畜牧业的发展，“十二五”时期，连续出台了一系列扶持政策，不断加大基础设施投入，为现代畜牧发展提供了强有力的保障。河西地区为牧区半牧区畜牧业，是甘肃的肉牛、肉羊、奶牛的主要生产基地之一，例如酒泉、张掖的奶牛基地，肃南、天祝等沿祁连山北麓县区为主的河西百万只细毛羊生产基地，酒泉的绒山羊基地等。有关市、县级政府相继出台了扶持肉牛、肉羊、奶牛产业发展的相关政策，把肉牛、肉羊、奶牛作为推动畜牧业突破性发展的主导产业来抓。

在农区和半农半牧区种草养畜，提高农作物秸秆饲料化利用率，加大草畜产业开发力度，以标准化规模养殖场（小区）建设为主攻方向，大力推广综合配套生产技术，提高科学养畜水平和规模化经营水平；牧区为保护草原生态、维护草畜平衡、推进可持续发展，强化养殖暖棚建设，推进舍饲养殖。不同规模的养殖场发展迅速，牛舍羊圈数量猛增。

4.灌溉设施。河西走廊是甘肃乃至西北地区重要的商品粮、蔬菜、瓜果和肉类的生产基地，灌溉农业历史悠久，是甘肃省重要农业区之一。农业灌溉用水量占总用水量的80%以上，张掖、武威等地甚至达到90%。该地区属干旱少雨区，农业灌溉用水主要来祁连山冰雪融水，水资源开发利用程度高。近年来，受自然气候变化和人类生产活动的共同影响，在水资源开发利用过程中引发了一系列生态问题，导致水源来水量减少；同时，水资源利用方式落后，传统的大水大地块漫灌仍很普遍，造成水资源浪费和土壤的盐碱化；另外，基础设施和管理水平落后、高效节水的喷、滴灌等农业节水科技成果转化率低，推广应用迟缓。综上所述，河西走廊水资源短缺与浪费并存，为实现该地区生态、经济的可持续发展，需加快改变传统农业用水方式，大力发展高效节水灌溉，提高水资源利用效率。

为此，甘肃省2014年正式启动建设河西走廊高效节水灌溉示范区项目，这一项目总投资91.7亿元，规划发展高效节水灌溉面积727.22万亩。项目实施范围包括整个河西地区及其他市县，分两期实施，其中2013-2016年为一期，规划发展高效节水灌溉面积500万亩；2017-2018年为二期，规划发展高效节水灌溉面积227.22万亩，加上以前已经建成的高效节水灌溉面积，截至2018年，项目区高效节水灌溉面积将达到1 000万亩，占项目区有效灌溉面积的70%以上[6]。光伏节水灌溉设施应用前景广阔。

（二）光伏农业对现有资源的改造利用

1.在无公害蔬菜种植区安装太阳能杀虫灯。对无公害蔬菜及日光温室，安装太阳能杀虫灯设备，取代农药或少用农药，有效解决传统农业中因大量使用农药而带来的蔬菜、瓜果农药残留严重、农业废弃物大量增加的问题，从而达到保护农村生态环境，减少食品安全事故，保证蔬菜安全的目的。

2.以新型薄膜光伏太阳能电池替换传统大棚面料。新型薄膜光伏太阳能电池的最大优点是可以透光，而且温度系数低，在阴天、雨天和雾天也能发电，常年累计发电量比晶硅电池发电效率提高20%左右。据调查，这种薄膜太阳能电池的最大吸收波峰为400～600nm，而植物进行光合作用的有效光谱为440nm的蓝光和660nm的红光区，在理论上薄膜太阳能电池的最大吸收波峰与植物光合作用的吸收波峰并不冲突。这种新型农业大棚能完全实现能源自给，既节能环保，又极易维护[7]，与普通农业大棚相比，光伏农业大棚的抗风、雨、雪，抗腐蚀能力大大提高，具有较高强度和抗腐蚀性，可减轻自然灾害对植物的伤害，有助于农产品品质的提高；不利影响主要为光伏板对植物遮光影响，但这种影响可通过选择不同喜光类型的植物及采用LED灯补光措施来减缓。

3.将现有养殖场改造建设为太阳能光伏养殖场。将现代清洁能源工程与传统养殖业相结合，建造太阳能光伏养殖场。在现有养殖场屋顶建设光伏电站，以改造和提升传统畜牧养殖业，既可以为养殖基地提供能源供给，还可以给牲畜、养殖场所提供热量和电力，以确保牲畜能顺利过冬。

4.对现有灌溉设施进行改造。河西地区农业灌溉用电主要采用柴油机发电与农村低压电网供电两种方式，但该地区的太阳能资源较为丰富，可利用光伏发电系统代替燃油或电网给灌溉系统提供动力，实现低碳、节能及环保，并通过辅助自动控制技术提高节水灌溉效率。

光伏节水灌溉系统，由光伏阵列、蓄电池储能系统、传感器系统、太阳能水泵、灌溉控制系统等几部分组成[8]，具有低能耗、节约用水、使用方便等优点，可实现高效节水灌溉，但投资、运行、维护成本相对较高，主要用于日光温室。2015-2016年在新疆农垦科学院高效用水观测站试验地开展了大田光伏提水滴灌自动化控制技术的集成研究与应用示范[9]，河西地区相关部门对此应予以考察和借鉴，并在农业灌溉区建立示范区。

此外，可在河西的边远地区及牧区安装光伏扬水系统。光伏扬水系统主要由光伏阵列+光伏扬水逆变器+交流水泵或光伏阵列+直流水泵构成[10]，一般出于经济角度考虑，系统不采用蓄电池储能环节，根据天气状况将“蓄电”改“蓄水”，以提高灌溉稳定性。该系统可实现自动运行，无人值守，可靠性高，系统的建设和维护成本较低，节水效果达到百分之二十至百分之六十，实现节水节能，抗旱保收。

四、发展光伏农业的思路

（一）做好光伏大棚扶贫试点建设工作

光伏大棚是光伏扶贫模式之一，2014年，张掖市的民乐县列入全国30个首批光伏扶贫试点县范围，民乐县在开展试点工作中，用贫困村镇的荒山荒坡、农业大棚或设施农业、贫困户的房屋屋面等建设光伏电站。其中，在民乐工业生态园内建设20MW光伏设施农业项目，在光伏发电的同时，进行食用菌生产；2016年7月，在酒泉玉门总投资8 494万元的甘肃光彩新能源玉门5MW光伏扶贫试点项目开工建设，项目计划建设高标准光伏温室大棚100座，光伏电站装机容量5MW，所发电量并入当地110KV变电站。当地政府应做好光伏扶贫试点项目建设，确保项目建设质量、后期运维及农户收益，提高农民的积极性，将其建成市县现代农业的样板和窗口，以点带面，推动光伏农业的发展。

（二）积极探索光伏农业发展模式

光伏农业的初期建设投资成本普遍较高，如果没有有效的解决方案，农户将难以承担。以光伏发电扶贫为例，政府扶贫资金占到70%～80%，其余为农户从银行贷款或企业垫付，为减轻农户负担，对于农户贷款自筹资金的一般由政府贴息，企业垫付或投资的将从收益中按照一定期限逐年收回。

在光伏扶贫及光伏农业发展过程中，出现了“政府+金融部门+贫困户”、“政府+金融部门+合作社”及“政府+企业+合作社”等利益联结机制及模式，政府通过培育龙头企业，出台奖补政策，加大资金投入，有力地促进了光伏农业产业的快速发展。同时应积极探索并推广新的光伏农业模式，在企业获利的同时，最大限度保证农户的收益，例如光伏农业大棚，采用“企业+基地+农户”模式，农户除了获得土地租金外，还可被雇佣进棚务工以获得工资性收入。

（三）制定合理的发展规划

发展光伏农业，应根据当地的自然条件和市场状况，制定光伏农业的发展策略。以光伏种植大棚为例，首先对市场需求进行调研，然后结合当地自然条件和光伏大棚的特点确定光伏大棚内的种植作物及大棚建设方案，另外还需根据作物属性及其对光照的要求确定光伏板透光率等。只有先做好充足的准备，精准定位才能做到有针对性的生产，不同作物生长规律不同，对光照的要求也不同，光伏大棚的设计和建造业不能一概而论，光伏养殖、光伏节水灌溉等其他光伏农业项目也一样，应根据不同项目类型设计不同方案，建立不同的盈利模式。

（四）政府的政策和资金支持

国家、省级已分别出台了光伏产业的资金补贴政策，市县级地方政府也需要根据自身财政情况出台相应的补贴政策，以利于发展和普及光伏农业产，如设置专项经费用于推广光伏农业技术或产品，加快光伏农业的发展步伐，各地区相关部门应和甘肃省农业农村厅牵头，打造光伏农业样板和示范工程，带动有条件的农业单位、企业发展光伏农业等。此外，应加强与科研院所、高校等的合作交流，在技术上予以指导，以推动光伏产品在农业生产中的应用进程，促进光伏与农业的深度融合，扶持光伏农业的快速发展。