周博士考察拾零（一百一十五）几种光伏食用菌设施模式

2021-06-20周长吉农业农村部规划设计研究院北京100125

农业工程技术 2021年10期

周长吉（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

曾几何时，光伏农业的概念叫响了祖国的大江南北。笔者曾调研过多个光伏农业生产园区[1-4]，但基本都是以种植蔬菜为农业生产目标。由于蔬菜生产对光照强度要求高，而光伏发电为获得更多的发电量需要截获一定量的光照，因此农业生产和光伏发电因为光照资源产生竞争关系，在实际生产中通常是牺牲农业生产而保全光伏发电，一是因为光伏发电一劳永逸，基础设施建设完成后基本可以坐收盈利；二是光伏板实际上阻截了阳光，直接影响了农业生产的产量和质量，农业生产效益不高或者说基本没有效益。尽管园区生产者们在想办法保全农业生产，如选用耐弱光的作物[2]、光伏板设置在日光温室的后屋面[3]、采用具有一定透光率的非晶硅光伏板、减小光伏板在温室采光面上的布置密度、改变光伏板在温室屋面上的布置方式等[5]，但光伏发电和作物生产争光、争地的矛盾一直没有妥善解决。

食用菌生产仅需要极弱的光照或不需要光照，工厂化食用菌种植是在完全人工补光的厂房中生产，而一些喜光的食用菌一般也是在强烈遮光的温室或大棚内种植，用光伏板遮光不仅满足了食用菌生产遮光的要求，而且光伏发电额外创造了工业的经济效益，使土地生产的效益向空间延伸，大大提升了土地开发利用效益，是真正意义上的光伏农业。

早期光伏食用菌种植设施是将光伏板满铺在设施屋面上，将其作为设施的屋面板，四周设置保温围护墙，形成封闭的食用菌种植设施（图1）。这种设计使设施处于全封闭状态，设施的保温性能好，但通风和降温性能较差，尤其到了夏季，由于光伏板背板的热辐射将光伏板吸收的大量热量直接释放到设施中，使设施内长期处于高温环境，增设通风降温设施又增加了建设投资和运行费用，因此设施的建设成本和运行费用较高，大大降低了农业生产的实际收益。

图1 屋面覆盖光伏板四周保温板围护的食用菌生产设施

2020 年8 月，笔者在贵州省黔西南苗族布依族自治州安龙县调研时发现在群山林立的平坝区内建设了大片的光伏设施（图2）。在贵州这种山多地少的地区，难得有如此宽阔的平坝面积，怎么能够建设如此规模的光伏发电厂呢？带着这个疑问笔者走进了光伏设施的现场，原来这是在光伏板下安装塑料大棚，并在塑料大棚中种植香菇的大面积光伏种植设施。

图2 安龙县平坝区内的光伏食用菌设施

贵州在“十三五”期间提出发展“十二大产业”，食用菌产业位列其中。利用光伏板下塑料大棚种植食用菌，可在光伏板下形成敞开空间，有效降低了光伏板背板辐射传热在塑料大棚内的集聚，塑料大棚依靠自然通风解决了夏季的通风降温问题，塑料大棚又保证了冬季的保温问题，而且大棚建造的成本还不高，由此实现了在较低投资的条件下获得光伏发电和食用菌生产的双重经济效益，在不破坏耕地和符合国家耕地政策的前提下，实现了经济效益和生态效益的最大化，因此是一种真正意义上的光伏农业模式。在此，笔者将这种设施形式做一介绍，供业界同仁们研究和借鉴。

连栋双坡面光伏支架下的设施模式

为保证光伏板之间互不挡光，传统的光伏板都是坡面向南、南北间隔布置。光伏板向南的倾斜坡度主要取决于建设地区的地理纬度，以单位面积光伏板周年截获最大太阳辐射为目标，根据太阳光的周年辐射强度和辐射角度，按照太阳能理论进行计算确定。南北相邻光伏板之间的间距以当地时间冬至日9:00 以后南侧光伏板不遮挡后侧光伏板采光为原则，按照该时刻的太阳高度角计算确定。

传统的地面光伏发电站都是采用单柱支撑光伏板，为了最大限度降低工程造价，光伏板的架设高度一般距地面1 m 左右。由于光伏板架设比较矮，在光伏板下安装塑料大棚的高度将受到限制，大棚内的种植空间小，不仅不便于种植操作，而且环境调控的难度也较大。为此，园区的建设者在建设光伏支架时，将光伏板的下沿提高到了距离地面3.5 m 的高度，保证了光伏板下塑料大棚的建设空间。为了使光伏板的布置完全不影响板下塑料大棚的建设和生产，设计者将支撑光伏板的支架设计成了连栋双坡面门式刚架结构（图3～4），将光伏板布置在门式刚架结构的南侧屋面，北侧屋面镂空（图5），一是不影响北侧屋面的散射辐射进入大棚；二是在热压和风压的自然作用下南侧屋面上光伏板背板的辐射热将会很快散失不会在光伏板下集聚大量的热量而造成下部塑料大棚内的热量集聚，从而有效降低了塑料大棚运行的降温负荷。

图3 连栋双坡面光伏支架结构图

图4 连栋双坡面光伏支架实景图

图5 连栋双坡面光伏支架下的单栋塑料大棚

在连栋双坡面门式刚架光伏支架下一般建设单栋的塑料大棚（图5），每个门式刚架下建设一座塑料大棚。这种建设模式保证了种植塑料大棚之间的通风间距和安装或更换塑料薄膜以及遮阳网的操作空间。为了保证食用菌种植对遮光的要求，在塑料大棚外表面还进一步覆盖了黑色遮阳网。由此可以看出，光伏板对塑料大棚内食用菌的种植完全没有影响，在“光”这一共需资源上最大限度将其用于光伏发电，不会给农业生产造成任何影响，农光互补是完全可行的。

和没有光伏支架的传统塑料大棚设施生产区一样，单栋的塑料大棚由于大棚栋与栋之间需要留有一定的通风和作业空间，从土地高效集约利用的角度来讲，还存在一定的土地浪费现象。为提高土地利用率，设计者采用了连栋温室的设计思想，直接借用连栋双坡面光伏支架的立柱，在立柱上设天沟，用天沟支撑大棚屋面，即形成土地面积高效利用的连栋塑料温室（图6）。从外形看（图6a），这种结构是一种双层屋面的连栋温室，其中上层屋面南侧铺设光伏板，北侧镂空，下层屋面为温室屋面，用塑料薄膜覆盖保温遮雨，用遮阳网遮阳进一步降低温室内的光照强度。和传统的连栋塑料薄膜温室一样，温室通风采用屋面卷膜通风，在温室天沟两侧屋面设置手动或电动卷膜开窗，可有效降低温室内的空气温度，保证室内种植作物的正常生长。

图6 连栋双坡面光伏支架下的连栋塑料温室

单栋单坡面光伏支架下的设施模式

无论是连栋双坡面光伏支架下单栋塑料大棚还是连栋双坡面光伏支架下连栋塑料薄膜温室，都需要连片的平整且规则的土地，但在山区或丘陵地带，找到大片的平整土地并不容易，或者虽有平整土地但也不一定很规则。为了能有效利用每一寸土地，弥补连栋双坡面光伏支架不能充分利用零碎、边缘或不规则土地的缺陷，建设者设计了一种单栋单坡面的光伏支架（图7）。这种支架只有一个朝南的屋面，上铺光伏板，光伏板下和连栋双坡面光伏支架下单栋塑料大棚一样布置一栋塑料大棚。为了避免光伏板过多遮光，设计者在本应布置4 块光伏板的屋面上有意少铺了1 块，即在光伏屋面的中部开设了一个窗口，可使部分直射阳光照射到光伏板下部的塑料大棚，从而有效保证了塑料大棚的采光。

图7 单栋单坡面光伏支架及其塑料大棚

对于种植如香菇等食用菌而言，这种屋面天窗的设计是否有意义笔者似有一定的保留，但如果塑料大棚内种植相对喜光的作物，这种对光伏发电的牺牲却非常有利于保障农业生产的功能，为今后改变种植作物的品种留出了一定空间。至于大棚内光照的不均匀性以及适合哪些作物生产还有待不断的探索和实践。

独立柱光伏支架下的设施模式

笔者在调研中还发现，尽管有大量的光伏支架采用了门式刚架结构，下面可根据需要建设单栋塑料大棚或连栋塑料温室，但仍有不少的光伏支架采用了独立柱支撑的地面光伏电站的结构形式（图8a）。这种光伏支架支撑光伏板的空间高度较低，光伏板下沿距离地面的高度为2.0 m。这是为种植羊肚菌而专门设计的。羊肚菌为地面种植，适宜生长温度为5～20℃，按照安龙县的气候资料，这里10 月～次年4 月室外温度基本在这个范围内。为了充分利用自然条件并尽量减少建设投资，羊肚菌的生产选择在室外气温适宜的每年10 月～次年4 月份期间完全依靠室外自然条件种植。种植期间的大部分时间内只需要在光伏支架的相邻立柱上设置纵向和横向的钢丝，并在钢丝上搭设遮阳网即可满足基本生产要求（图8b）。遇到极端气候条件时，可在种植床面上临时搭设小拱棚（图8c），覆盖塑料薄膜保温即可安全越冬生产（因为当地冬季基本没有低于0℃以下的天气条件），同时搭设小拱棚覆盖塑料薄膜还可防止夏季的降雨，不会影响作物的有效灌溉和施肥。

图8 独立柱光伏支架及其种植设施

2.0m 高的光伏板檐口基本不影响操作人员的作业。前后两排光伏板支柱的间距为5.0 m，按照1.2 m 宽种植床面（两边操作），两排光伏板支架下可铺置3 条种植床面。床面上的小拱棚可采用竹条做拱杆；也可以采用标准化的镀锌钢筋或钢管做拱杆。塑料薄膜可采用一侧固定，另一侧活动的安装方式；也可以采用顶部固定，双侧可卷起的安装方式。在需要通风降温时将塑料薄膜卷起，需要保温时将塑料薄覆盖即可。

大棚内香菇种植模式

大棚内的香菇种植采用菌棒直立地面栽培模式（图9）。菌棒为15 cm×55 cm 的聚乙烯筒袋。大棚的跨度为6 m，标准种植床分为宽面和窄面两种宽度（图9b、图9c），宽面宽度为1.4 m，窄面宽度为0.7 m，香菇棒之间净距为5 cm，即每个菌棒的占地面积为20 cm×20 cm。种植床上每20 cm 间距拉一根钢丝，菌棒靠立在钢丝上即形成种植床。宽面床共靠立9 列菌棒，窄面床共靠立5 列菌棒，6 m 跨大棚共2 个宽面床和1 个窄面床，每跨共靠立23 列菌棒，60 m 长大棚共靠立6900 个菌棒。