浅谈“光伏+农业”产业的发展模式

汤俊超，吴宜文，张 姚，曹庆穗，吴照学，夏礼如，鲍恩财

（1江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014;2安徽农业大学工学院，合肥 230036）

0 引言

民以食为天，作为中国三大支柱产业之一的农业，已然成为社会的“稳定器”、“压舱石”，在国民生活乃至国家发展中起着举足轻重的作用。中国是世界公认的农业大国，农业在社会稳定与国家发展中扮演着关键角色[1]。但是，目前中国农业生产发展过度依赖传统化石能源，这就大大增加了化石能源等不可再生能源的消耗，也对环境造成了污染，并且增加了农业生产的成本，降低了经济效益。面临着增产、增收、提高经济效益的生产需求，同时又面临化石燃料的短缺，这促使中国农业发展进一步创新与转型[2]。

光伏农业将光伏发电与农业生产相结合，通过利用光伏太阳能发电所产生的电能来辅助开展农业生产活动，满足农业生产能源的自给自足，多余的电能还可以并入国家电网获取收益，是一种农业生产新模式[3-4]。在2021年的博鳌亚洲论坛上，“碳达峰、碳中和”成了热门话题，习近平总书记发表重要讲话和指示“现阶段促进中国能源转型与绿色发展尤为重要，光伏发电过程清洁、无污染，必将成为中国未来重要能源来源之一”。《中国光伏产业清洁生产研究报告》指出，光伏发电的碳排放量仅为燃烧化石燃料发电的1/20～1/10，且光伏发电能量回收周期仅为1.3年，使用寿命却长达25年。然而，目前中国光伏发电仅占发电总量的3.5%[5-6]，所占比重较小。中国地域辽阔，光热资源十分丰富，陆地表面每年可以接受太阳辐射能为50×1018kJ，非常适合发展光伏农业。其中西部地区多为广阔的沙漠和高原，存在土地难以利用但光照资源充足的情况，发展光伏农业有利于带动西部经济发展，完美契合了“一带一路”建设，遵循保护环境的基本国策，为实现中华民族伟大复兴提供强劲引擎。数据表明，从2013—2019年，中国光伏发电装机容量每年都有稳步增长，其中2017年单年新增装机容量达到53.06 GW，2013—2019年中国光伏发电新增装机容量如图1所示。截至2019年，中国光伏发电累计装机容量已处于世界首位，达到全球光伏发电累计装机容量的32%，是名副其实的光伏大国，2019年全球各国光伏发电累计装机容量分布情况如图2所示。

图1 2013—2019中国光伏发电新增装机容量

图2 2019年全球各国光伏发电累计装机容量分布情况

近年来，“光伏+”产业发展迅速。在耕地“非农化”、“非粮化”的政策辐射下，可用于光伏发电的土地越来越少，所以将光伏发电与农业生产相结合，实现“一地多用”就显得尤为重要。本研究主要探究“光伏+农业”的新型生产模式，包括“光伏+种植业”、“光伏+畜禽业”以及“光伏+渔业”3种结合形式。分析了各结合形式的研究现状和面临的问题，并对光伏农业发展趋势进行了合理展望，以期为未来光伏农业的发展提供参考。

1 光伏农业的业态

1.1 光伏+种植业

“光伏+种植业”的主要模式有“光伏+设施园艺”、“光伏+大田种植”和“光伏+食用菌”。“光伏+设施园艺”是将光伏发电与温室种植相结合，在满足温室内花卉、蔬菜等种植作物正常生长光照的情况下，在棚顶安装太阳能光伏板，利用太阳光能发电，满足温室内电能需求[7]，充分利用大棚控光、控温和防病虫害的优势，更加高效的生产出品质优良的产品。“光伏+大田种植”则是有效避免了耕地“非农化”、“非粮化”的问题，实现一地多用，产生的电能可用于大田种植领域灌溉、配套设施、大田种植物联网设备以及农业机械的供电等。“光伏+食用菌”是光伏发电与食用菌工厂化栽培结合起来，实现了棚内种菇、棚顶发电的新型生态高效生产方式。

光伏与种植业的结合利用光伏发电的新技术，让光伏农业发展优势更加明显：一是光伏太阳能板一般设置在大棚顶部或种植田上空，不占据地面空间，节省土地资源；二是光伏发电生产的电能可以满足供应采暖、通风、照明、滴灌以及环境监测等技术的电力需求；三是发展光伏农场，提供休闲娱乐场所。

1.1.1 “光伏+设施园艺”光伏发电与设施园艺相结合的典型应用有“光伏日光温室”、“光伏塑料大棚”和“光伏玻璃温室”等类型，这也是光伏农业应用前景最广、对配套技术要求最高的应用领域之一[8-9]，光伏园艺设施在使用寿命、经济效益、节能环保等方面要优于传统园艺设施，普通园艺设施与光伏园艺设施综合比较如表1所示。

表1 普通园艺设施与光伏园艺设施综合比较

（1）“光伏日光温室”。

“光伏日光温室”目前采用的主要模式有支架式与平铺式两种。“支架式光伏日光温室”（如图3所示）通常将光伏板安装在日光温室北侧6 m高度处。这样可以减少光伏板对温室内作物的“遮荫”影响，也可通过增大日光温室南北跨度来进一步降低其不良影响。“平铺式光伏日光温室”（如图4所示）是将光伏设备铺设在日光温室顶部，确保满足温室内作物光合作用需求的同时，尽量增大太阳能板的铺设面积。此铺设方式对太阳能板透光率有一定的要求，一般要求控制在30%左右。

图3 支架式光伏日光温室

图4 平铺式光伏日光温室

（2）“光伏塑料大棚”。

“光伏塑料大棚”用棚顶作为载体安装太阳能组件，不占用地面空间，节省土地资源，“光伏塑料大棚”要求光伏装置安装在大棚棚顶以上2 m左右的位置[10]，且多数位于大棚顶部北侧，其内部图和布置示意图如图5所示。“光伏塑料大棚”主要有以下几种组合方式：连栋农光结合光伏发电系统、双膜双网棚与光伏结合发电系统、中小拱棚与光伏结合发电系统等[11-12]。

图5 光伏塑料大棚

（3）“光伏玻璃温室”。

“光伏玻璃温室较为常见的应用方式是玻璃温室与无边框晶体组件和薄膜组件结合开展光伏发电，对光伏板透光性有一定要求，将光伏组件正南朝向平铺在玻璃温室顶部，且不采用外遮阳机构，其内部图和布置示意图如图6所示。

图6 光伏玻璃温室

光伏温室项目是跨行业项目，需要光伏行业、设施园艺行业以及农业领域的专业人员的协作。2013年，中国第一个蔬菜大棚光伏发电项目在“中国蔬菜之乡”山东省寿光市正式建成并入网。据悉，该项目年均发电量近160万kW·h，在满足蔬菜大棚日常农业生产与环境调控用电外，其余大部分均并网给居民使用，保障居民生活[13-15]。

1.1.2 “光伏+大田种植”光伏与农业结合的生产模式快速发展，为避免对耕地资源的不合理占用，国家有关部门出台规定，禁止光伏项目占用基本耕地与农田。因此，要想在农田中应用光伏发电，只有将光伏项目与大田种植相结合。“光伏+大田种植”的生产方式又叫“敞开式光伏设施”，较为适合种植低矮或藤生作物，如瓜类、茶树、红薯、油牡丹等（种植效果如图7所示）。为确保光伏板下作物能获取充足的太阳辐射，要求板与地面距离不小于2.5 m，并根据种植作物对光照的喜好不同适当改变板与板之间的间距。此方式光伏组件布置较方便，所产生的电能可用于大田种植领域灌溉、配套设施、大田种植物联网设备以及农业机械的供电等[16-18]。2011年，中国首套“太阳能提水抗旱浇麦系统”在河南省方城县成功运行，旱期利用太阳能清洁能源产生的电能进行抗旱灌溉农田，非旱期可将多余电量并入国家电网，这一系统很好的解决了电网没有覆盖地区的农田灌溉问题[19-21]。

图7 光伏发电与大田种植结合举例

1.1.3 “光伏+食用菌”中国食用菌生产已从家庭式转变成工厂化栽培，工厂在选址时由于用电问题受到较大限制，然而一些偏远山区更需要这样的栽培技术[22-23]。所以根据食用菌生产需避光遮阳的特性，在食用菌生产大棚上搭建分布式光伏发电系统，在不改变土地性质的前提下，光伏发电与工厂化栽培结合起来，实现了棚内种菇、棚顶发电的新型生态高效生产方式（如图8所示），常见种植品种有：平菇、金针菇、香菇、杏鲍菇、双孢菇、黒木耳等菌种。在解决用电限制问题的同时，还减少了环境污染，增加了农民的收入[24-26]。海宁市袁花镇长啸村农光互补食用菌基地占地面积713 m2，顶层太阳能光伏发电设施由浙江晶科能源有限公司投资建设，安装太阳能多晶硅组件18880块，安装容量为5 MW，年均利用太阳能可发电约550万kW·h，节约标煤1680 t，减排二氧化碳4350 t[27]。

图8 光伏发电与食用菌种植结合举例

1.2 “光伏+畜禽业”

“光伏+畜禽业”又叫畜光互补，畜光互补是将光伏发电与畜禽产业相结合，主要形式包括在畜禽舍屋顶安装光伏板、光伏与屋面养殖设施结合、光伏与露天散养结合3种形式。图9为光伏发电与畜禽养殖结合的举例。

图9 光伏发电与畜禽养殖结合举例

“在畜禽舍屋顶安装光伏板形式”是将传统的畜禽养殖大棚改装成有一定承重能力的钢架结构新型养殖棚，并在棚顶安装太阳能光伏板，上面是光伏发电，下面是畜禽养殖。棚顶的光伏板可在夏季遮挡阳光，为棚内畜禽创造舒适的内部环境，光伏发电产生的电能可以用于舍内环境调控的电力来源。光伏产业与畜禽养殖优势互补，实现资源相互利用，也称为“上光下养”。“光伏与屋面养殖设施结合形式”是在普通农房房顶安装太阳能板，板下用于养殖家禽，对空间进行充分利用，具有很好的借鉴意义[28]。“光伏与露天散养结合形式”是在露天场地安装太阳能板，板下种植牧草，在为牛、羊等畜禽提供充足的食料的同时，也为畜禽提供“荫凉”，避免过度暴晒，造成灼伤，此结合形式要求太阳能板高度大于3 m，以免被畜禽损坏[29-31]。

1.3 光伏+渔业

中国有着丰富的水产养殖产业，但存在的问题是养殖水域面积过大，造成水域空间严重浪费[32]。“光伏+渔业”是将光伏发电与水产养殖相结合，被称为渔光互补，包括“工厂化水产养殖车间顶部安装光伏板”、“光伏与水产温室结合”、“光伏与水域养殖结合”3种形式。

“工厂化水产养殖车间顶部安装光伏板”可以有效的利用养殖车间屋顶空间，且光伏发电可用于车间内的生产供电，图10为青岛博尚智渔农渔光数字模块化循环水养殖车间内部、外部图。光伏发电在水产温室上的结合应用同样有着节省空间与节能减排的作用。但应用最多的还是“光伏与水域养殖结合”的形式，“光伏与水域养殖结合”实现了水上光伏发电，水下水产养殖，实现了“一地两用”和垂直产业新模式，大大提高单位面积水域的经济价值，还可以减少水体蒸发和抑制蓝藻繁殖，保护水资源，可以达到“1+1”大于2的效果[33-35]。“光伏与水域养殖结合”光伏系统按基础固定模式可分为“桩基础固定式”和“水面漂浮式”，如图11所示。“桩基础固定式”适用于浅水区域的光伏系统，在水底打桩延伸至水面，将光伏板固定在水面一端。“水面漂浮式”则是适用于深水区域，一般指深度超过6 m的水域，不易在水底打桩的水域，在水面设置浮筒，再将光伏板固定在浮筒之上，用钢索将所有浮筒连接起来，四周也用钢索与岸边连接固定。以上两项技术都相对成熟[36-37]。

图10 青岛博尚智渔农渔光数字模块化循环水养殖车间

图11 光伏与水域养殖结合光伏系统

2 光伏农业的研究现状及存在的问题

2.1 “光伏+种植业”研究现状及存在的问题

由于光伏板与温室内作物在同一空间存在“竞争”光源问题，所以光伏温室设施的设计与建造面临的难题最多[38]。光伏温室的主要建造方式是在大棚顶部安装太阳能光伏板，光伏板有着不同的透光度，其板面角度可以调节，通过调节太阳能板就可以创造出适宜不同植物生长光照强度的温室环境，有着良好的经济效益。王艺等[39]研究表明，在光伏发电与温室大棚结合的案例中，当光伏板覆盖率低于20%时，温室大棚内有效光辐射较无遮挡有所降低，但并未对植物的光合作用与生长产生影响，甚至还有促进作用。当光伏板覆盖率大于30%时，温室大棚内有效光源逐渐不能满足植株的正常光合作用，光合作用开始受到抑制。当光伏板覆盖率大于50%时，棚内植株光合作用会受到明显抑制。当其覆盖率大于70%时，植株可接收到的光照已寥寥无几，无法满足棚内植株的正常生长。根据这一理论知识，在设计光伏温室时，要明确温室大棚建造的主要目的：是优先发展农业还是优先发展光伏发电[40-41]。优先发展农业，棚顶光伏板覆盖率就不能高于30%；优先发展光伏发电，光伏板覆盖率高于50%时其发电效率才能提高，获取收益[42]。刘正义[43]研究表明，重点发展光伏发电，以农业为辅的经济效益要明显高于重农辅电。在温室大棚内光照不足的情况下，可以通过局部人工补光来弥补，将棚顶光伏发电产生的电能直接用于棚内的补光；也可以种植不喜光作物，例如菇类、人参、蛇莓等，同样具有很高的经济价值。

陈钢[44]研究发现，不同波长的光照对植物的光合作用有着不同的作用，不同植物对光质也有着不同的喜好。植物吸收的光一般为波长集中在595～700 nm的红橙光[10]，其他波段的光例如蓝光、紫光等相较于红橙光来说，被植物吸收用作光合作用的量较小。由此，可以将光照分为有效光照和无效光照[45]。在2021第六届国际设施园艺研讨会上，中国科学技术大学刘文教授就提出来一个解决棚顶光伏板与棚内植株“争光”问题的方案：研发出一种聚合物多层滤光膜，此膜可以透射太阳光谱中光合有效辐射波段，反射剩余波段，利用其进行高倍聚光发电。目前此聚合物多层膜已经研发成功，但面临的缺陷是光合效率太低且成本高，后面还需要进一步研究与改进。

2.2 “光伏+畜禽业”研究现状及存在的问题

畜禽场大多设址在远离城市、村庄以及居民点的地方，这些地方因为远离居民区[46]，现有电网系统尚未到达而太阳能光照资源较为丰富，这是限制畜禽发展的一个重要因素[47]。光伏发电与畜禽养殖相结合就能充分解决这一问题，且光伏发电是清洁能源与可再生能源。光伏发电与畜禽养殖结合的方式要根据畜禽养殖场的实际情况并结合畜禽的种类而定，如果是奶牛、绵羊这种大型围栏散养动物，适合做地面光伏发电。而鸡、鸭这种笼养或室内养殖的则适合在屋顶铺设光伏板进行发电[48-49]。畜光互补不仅提供清洁能源，还可与生态养殖相结合，创造更好的经济效益、生态效益与社会效益。但也存在畜禽损坏光伏装置的问题，给设备维护检修造成一定的困扰。

2.3 “光伏+渔业”研究现状及存在的问题

渔光互补产业在国外研究已相对比较成熟，尤其在日本，拥有一套完整的产业链。而中国渔光互补产业起步相对较晚，直到2015年才相继设计实施小型水面光伏电站项目。2016年国家能源局实施“光伏领跑者”基地规划，将两淮地区采煤沉陷区规划建设3.2 GW的水面光伏电站，引导渔光互补产业的发展[50]。

中国是水产养殖大国，有关数据表明，中国人民食品中约1/3的动物性蛋白来源于水产品，可见水产养殖在中国食品安全中的重要地位[51]。东南地区水域面积广阔，但人口密度大、土地资源少，“渔光互补”作为一种新型土地综合利用方式很好的解决了东南沿海土地资源紧缺的问题[52]。“渔光互补”有发电、水产养殖等多重效益，光伏板反射太阳光进行发电的同时，还可以大大减少到达水产养殖生态系统的光照，降低了藻类以及光合细菌的光合作用，避免水产养殖的生态系统被破坏，提高水体环境，从而培育出品质更优良的产品[53]。近年来，国家能源部门相继出台了一系列相关政策与文件，鼓励光伏发电与水产养殖相结合，实现“一地多用”和“立体生产”模式，节省土地资源[54]。

但“渔光互补”也存在一定的弊端，主要是光伏板遮挡阳光，水中的水产品就无法获得足够的光照，间接影响其品质[55]。解决这一问题的方法就是加大光伏板之间的间距，让水产品有充足的光照区域[52]。光伏板的设置同样会对水中捕捞作业产生一定的不利影响，可通过增加光伏板支架高度以及光伏板之间的间距来解决。另外，水上光伏系统在恶劣环境中会出现一些问题，例如高温、高湿、高盐，水汽、盐雾会进入光伏板内部，从而缩短光伏板的使用周期，今后的研究需要针对光伏板的密封性问题与使用材料进行试验与筛选[56]。“渔光互补”在选址上也有讲究，需要满足：太阳光能丰富，距离变电站近，交通便利；还要避免：小水库、泄洪区、盐场以及通航水域等[52]。

3 “光伏+农业”发展趋势

“光伏+农业”作为一种新兴的农业形式，为现代农业指明了一条绿色发展道路，是一个联合光伏发电与农业生产的全新产业模式[57-58]。光伏能源是推动农业发展的新能源，对促进中国传统农业向绿色、健康、高效的新时代农业转型有着非常重要的作用。将环保、可再生的光伏发电与绿色健康的农产品相结合，使得光伏农业在未来发展中大有可为[59]。

3.1 “光伏+种植业”发展趋势

随着生活水平的提升，人们对食品的健康与环保越来越重视，无公害蔬菜在国内需求量高，市场前景宽阔。由于无公害蔬菜在农药与化肥等方面有着严格的把控，导致其抗逆性一般较弱，所以需要在光伏温室大棚中通过利用光伏发电产生的电能进行人工环境控制，创造适宜蔬菜生长的环境，且种植蔬菜种类也在逐步扩展[60]。

3.2 “光伏+畜禽业”发展趋势

现阶段，中国畜禽养殖更偏向于散养，尤其是畜牧业。未来的目标是将畜禽业与光伏发电相结合，发展产业化、规模化与可持续现代化的畜禽养殖模式。在地面铺设太阳能板，太阳能板下方种植牧草，而光伏发电产生的电能可用于处理畜禽粪污，经过处理的粪污又可用作牧草的肥料，具有很高的经济效益。

3.3 “光伏+渔业”发展趋势

“光伏+渔业”跨界整合的优势明显，其未来发展方向必定是生产规模化、技术专业化、管理智能化。通过对水上水下的集中、科学管理，有效解决养殖系统养殖污水的处理问题，同时借助光伏电站建设养殖系统智能监控系统，方便管理；另外，光伏发电并网的收益可用于鱼塘的日常维护，推动鱼塘养殖规模化、专业化、智能化发展[61]。

目前，中国光伏农业已经具有一定的基础，但仍处于起步阶段，面临着诸多挑战，比如建造成本高、能量转化率低、配套技术不成熟、缺少统一标准等[62]。必须有效解决光伏与农业争光的矛盾，才能不断提升光伏系统产物的质量并增加其多样性。响应“菜篮子”工程，不仅要提高产品质量，还要控制产品价格，新产业是用来造福人们的，对价格的把控至关重要。多样性方面可以在光伏农业大棚、光伏渔场的基础上，增加景观与休闲项目，发展成大型光伏农场，在丰富人们生活的同时，增加农民收入。

4 小结

光伏发电与农业生产相结合是一种全新的生产模式，在乡村振兴的大背景下，可以通过这一新模式带动农业产业转型，提高农民收入。本研究通过对“光伏+农业”产业模式的探讨，分析了“光伏+种植业”、“光伏+畜禽业”、“光伏+渔业”3种模式的业态、研究现状及存在的问题，可以得出光伏发电与农业相结合的可行性与必要性，将光伏发电与农业生产相结合，辅助以科学的管理方式，光伏农业的发展前景广阔。