典型光伏大棚投资效益比较分析研究
上海电力设计院有限公司的研究人员章荣国，在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文，针对我国大面积推行的光伏扶贫中遇到的土地问题，国家鼓励光伏扶贫与设施农业发展相结合，但传统设施农业出于经济性考虑不能直接满足光伏安装要求。
为此文中对比了敞开式、连栋温室与日光温室的光伏布置方式，并进行了单位耕地面积的光伏发电量比较，并在最后完成了典型光伏大棚的投资效益分析，为进一步开展与设施农业相结合的光伏大棚设计提供了参考依据。
随着我国光伏扶贫工程的大面积推广，农村地区配电网逐步出现了无法就地消纳光伏电量的问题，大量光伏电量通过农村地区较为薄弱的配电网反送至电网主网，对电网的网损和投资改造成本造成较大影响[1]。
为此国务院在十三五扶贫规划中提出农村分布式电源应与设施农业协调发展的方向[2]，通过设施农业用能与分布式电源供电相结合，负荷与电源同步发展，实现分布式电源与设施农业协调发展，并增强光伏发电效益，为现代农业发展提供能源支撑。
目前光伏发电与设施农业相结合的主要形式是光伏大棚[3-4]，该种方式目前已经在不同地区和不同经济作物品种上开始了实践，包括北方地区与南方地区不同气候类型的省份[5-7]，作物品种包括传统的蔬菜大棚和初步探索的香菇、茶树及有机蔬菜[8-10]。
而在大棚形式上包括较为常见的日光温室和玻璃温室，也包括新近探索的敞开式大棚，同时为了考虑用能与发电的匹配，初步开展了温室用能智能控制[11]，以期探索互补消纳模式[12]。
1 典型光伏大棚光伏布置方式
光伏大棚是在温室或温室周围布置光伏发电设备，从而达到农业生产与光伏发电同步进行，设施农业用能与光伏供电互补运行，但在具体布置形式上具有多种方案。较为常见的为玻璃温室、日光温室与敞开式三种方式。
1）玻璃温室型光伏大棚
玻璃温室在观光农业应用较多，结构较为坚固，通过与无边框晶硅组件或薄膜组件的结合可有效开展光伏发电，但需要根据光伏发电需要调整朝向。同时要考虑光伏发电效益，不应再采用外遮阳机构。主要布置形式如图1所示。
图1玻璃温室型光伏大棚布置示意图
2）日光温室型光伏大棚
日光温室是我国最为常见的设施农业载体，在结构上有着较大差别，包括竹竿骨架、焊管骨架及冷弯骨架。前两者一般不适合用作光伏发电，在安装光伏组件后所增加的风荷影响温室的结构强度，一般采用冷弯结构。
为了避免对光伏组件的遮挡，一般安置于后墙如图2（a）所示。对于该种方式布置的光伏大棚棚内作物采光不存在影响，从安装来看，可充分利用后墙通道或后墙脚手架，安装简便易于保证工程质量。该种方式由于具有后墙维护通道，清扫和外观检查较为便捷，维护成本低。
在光伏大棚实践中，该种方式还可用于种植菌类、有机蔬菜或育苗等方面，由于该类种植不需要较强的阳光，一次前坡可将薄膜或阳光板替换为无边框组件，提高发电收益，在内部配置补光设备保证作物正常生长。该种布置方式如图2(b)所示。
图2 日光温室型光伏大棚布置示意图
3）敞开式光伏设施农业
敞开式光伏设施农业从农业角度看是一般光伏阵列与大田种植相结合的产物，该种方式可用于种植低矮的作物，如绿叶蔬菜、苗木或茶树等，该种方式最有利于光伏组件布置，无需温室调控，但该种方式不具备或较少具备光伏发电的消纳能力，重点是保证发电效益，在未来面对高渗透率的农村配网不具备竞争力，其布置示意图如图3所示。
图3 敞开式光伏设施农业组件布置示意图
2 单位面积光伏发电量比较
针对三种光伏设施农业形式，玻璃温室的屋顶面积利用最为充分，发电效益最为显著，而敞开式次之，日光温室最低。
1）玻璃温室型光伏大棚
该类温室的光伏组件布置于屋顶，由于原有的采光考虑，可不调整顶部倾角，直接布置组件，不会产生倾角对发电量的影响，但需要注意朝向，设计中要求组件正南朝向。该类方式由于日光温室高度，无需考虑前方遮挡，面积利用率最为充分，每平米在65Wp至95Wp之间，随着纬度有所变化。
2）日光温室型光伏大棚
日光温室具有两种形式，在利用后墙方式情况下，每平米温室的光伏装机40Wp，考虑到日光温室前后的间距，实际光伏装机约为每平米20Wp，而如种植菌类采用前坡布置光伏组件，每平米温室的光伏装机200Wp，考虑到日光温室前后的间距，实际光伏装机约为每平米100Wp。
3）敞开式光伏设施农业
该种方式类似于玻璃温室型光伏大棚，前后两排考虑遮挡因素，并考虑不同纬度下对前后间距的影响，每平米设施的光伏装机在75至125Wp每平米。
通过发电量比较可知，以上三种光伏与农业结合的方式，敞开式的发电效益最好，对比情况如表1所示。
表1 光伏设施农业结合类型装机比较表
3 投资效益分析
光伏与农业结合的投资效益包括发电设备投入、光伏发电效益、设施农业投资成本与农业种植收益4部分，其中光伏收益比较固定，其效益主要取决于单位面积的光伏装机，装机容量越大，发电效益越大，而农业投资效益主要取决于温室类型和种植作物类型。
本文以华北地区为例，考虑土地面积10亩，综合对比不同形式光伏与设施农业相结合的投资效益。光伏收益在屋顶电价在1.05元每度水平上按收益0.2元每度计算。三类光伏与设施农业结合方式共有4种实施方式，4种方式的比较如表2所示，农业产出来自四种环境下都能生长的叶菜，如生菜、油菜、鸡毛菜等，表2中实际选用生菜。
光伏装机容量按表1中的每平米装机容量与土地面积相乘得到，土地面积折合6667平方米。
农业收入以生菜为例，市场收购价格2元/斤，温室可保证四季生长，敞开式为1年2季，但由于光伏组件遮挡，仅有50%面积可用。
表2 光伏与设施农业结合方式投资效益比较
综合比较开看，玻璃温室高投入高产出，但考虑到冬季供暖增加成本显著，不宜推广，而日光温室投入产出效益适中，适合大范围推广，可根据市场情况选择后墙或前坡布置方式。敞开式虽然发电效益现状，但农业收入较低，考虑到夏季除草成本，不建议大面积推广。
4 结论
本文针对玻璃温室、日光温室及敞开式三种形式的光伏与农业相结合方式进行了比较分析，三种方式中玻璃温室的发电效益最高，但玻璃温室的建设投资较大，冬季供暖需求大，投入产出比不高，而敞开式光伏农业形式农业产出较低，对更低利用不充分。
综合来看日光温室在光伏发电与农业收益方面具有较好的结合，是目前最有前景的发展形式。