“葡萄+光伏”模式可行性分析與實踐
基 金 項 目 ：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助（CARS-29）；浙江省農(nóng)業(yè)科學院地方合作項目（PJ2018001）。
王昌誠等
浙江省金華市浦江縣有“中國巨峰葡萄之鄉(xiāng)”“江南吐魯番”的美譽?！捌纸咸选笔菄肄r(nóng)產(chǎn)品地理標志登記保護產(chǎn)品。2023 年，浦江縣葡萄種植面積 0.45 萬 hm 2 ，產(chǎn)量 13.40 萬 t，總產(chǎn)值超過 14億元 。現(xiàn)有葡萄專業(yè)合作社 149 家、家庭農(nóng)場 649家、種植戶 1 萬多家 [2] ，戶均收入超過 13 萬元，以設(shè)施避雨栽培巨峰葡萄（占 85%左右）為主。在浦江縣巨峰葡萄 4 月初發(fā)芽，11 月中下旬落葉，5～8月為果實膨大期。生長期隨著葡萄枝葉覆蓋率的增大，對陽光照射需求量增加；9～11 月葡萄采收期及枝蔓老熟期需要一定量的光照；12 月至翌年 3 月底葡萄樹休眠期對光照要求不嚴格。葡萄生產(chǎn)中對光照要求的間歇性、階段性為光伏植入提供了時間、空間的可能。
光伏（PV）是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（photovoltaicpower system）的簡稱，是利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，是一種新型環(huán)保型能源。2023 年，光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居全球前五的國家分別是中國、美國、德國、巴西、印度，五國總規(guī)模占比達 86.7%。中國光伏規(guī)模全球第一，2023 年新增光伏發(fā)電裝機規(guī)模達216.9 GW，占全球新增總量的 62.6%。
光伏+農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加裝光伏發(fā)電的立體融合農(nóng)業(yè)，又稱農(nóng)業(yè)光伏（APV），可分為光伏種養(yǎng)、光伏水利、光伏村舍、光伏生態(tài)等模式，都是為實現(xiàn)一地兩收增效為目的。葡萄+光伏（以下簡稱葡光）模式是集葡萄種植、光伏發(fā)電為一體的雙產(chǎn)農(nóng)業(yè)，可實現(xiàn)最大限度地利用土地資源和葡萄產(chǎn)業(yè)特色，葡萄種植和光伏發(fā)電融合增效。2020 年在浦江縣開展設(shè)施葡萄與光伏發(fā)電融合探索，經(jīng)科學設(shè)計與葡萄農(nóng)藝結(jié)合，在保障葡萄產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的前提下，接入光伏產(chǎn)業(yè)，提升單位面積效益。歷經(jīng) 3 年多的探索完善，驗證模式可行、效益可觀。
1 國內(nèi)外光伏農(nóng)業(yè)情況
1.1 中國光伏農(nóng)業(yè)
在土地低價或平價的區(qū)域建設(shè)光伏大棚，一般6～8 年左右收回成本，隨著太陽能電池價格的不斷下降和促進光伏板轉(zhuǎn)化率技術(shù)的提升，回本的時間會更短 。集成光伏溫室系統(tǒng)的年投資回報率可達20%，投資回收期約 4～8 年 。光伏高且穩(wěn)的收益促進中國光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速壯大，鑒于光伏板下的空間閑置，“光伏+農(nóng)業(yè)”應運而生。中國光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展起步較晚，現(xiàn)也已初具規(guī)模。據(jù)不完全統(tǒng)計，2021 年，中國的光伏農(nóng)業(yè)超過 40 GW。鄒城農(nóng)業(yè)食用菌大棚光伏電站是中國最大的光伏農(nóng)業(yè)并網(wǎng)的電站。光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展可提高土地利用率和太陽能利用率，推動清潔能源建設(shè)，又可以增加額外的經(jīng)濟收益。英武藥光互補是光伏加藥材種植的新探索模式 ；山西省鼓勵探索“農(nóng)光互補”“林光互補”等有效途徑，實現(xiàn)糧食安全、生態(tài)保護、農(nóng)民利益和企業(yè)效益共贏；江蘇省明確要求，光伏復合項目要確保農(nóng)業(yè)產(chǎn)量不低于同地區(qū)平均水平的 80%。中國光伏農(nóng)業(yè)由 2013 年的初期實驗階段、2017 年政策扶持和示范推廣階段、2020 年技術(shù)創(chuàng)新與應用拓展階段，目前處于規(guī)?；l(fā)展與可持續(xù)探索階段。現(xiàn)階段中國光伏農(nóng)業(yè)仍存在部分難題：一是重光輕農(nóng)；二是農(nóng)光不協(xié)調(diào)，無法達到二者最大化的共贏；三是光伏組件的壽命與農(nóng)業(yè)設(shè)施的壽命不對等 。從設(shè)備角度來說，也存在著成本高、生產(chǎn)與光伏協(xié)調(diào)難、管理和維護成本高、光伏產(chǎn)品可靠性、光伏板透光率低、光伏發(fā)電利用率低等問題。
1.2 國外光伏農(nóng)業(yè)
國外光伏農(nóng)業(yè)主要集中在歐美和日本地區(qū)，歐美多運用晶硅電池和玻璃溫室，光伏技術(shù)先進，機械化水平高，通過數(shù)理計算、神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能等方式進行溫室環(huán)境控制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)與光伏相融增效。德國的阿爾默河大棚外增設(shè) 15%的光伏，可滿足整個省居民用電需求 。日本的農(nóng)業(yè)光伏集約化程度比較高，主要以非晶硅薄膜電池與單棟管架結(jié)合 。國外農(nóng)業(yè)光伏在栽培配置、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面已積累豐富經(jīng)驗，產(chǎn)業(yè)也已取得了顯著成效，值得借鑒。
2 浦江縣葡光復合產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件
2.1 自然資源條件
浦 江 縣 位 于 東 經(jīng) 119°42′ ～ 120°07′ ， 北 緯29°21′～29°41′，年平均氣溫 16.6 ℃，降水日 156 d，降水量 1 412.2 mm，年均日照 1 996.2 h，年均無霜期 238 d，氣候環(huán)境適宜葡萄的生長 。
根據(jù) Meteonorm 氣象庫數(shù)據(jù)，浦江縣年水平面的太陽能輻射總量為 1 377 kW·h/m 2 ，每年 5～8月的太陽能輻射量較高（圖 1），與葡萄生產(chǎn)所需太陽能輻射量的時間一致。根據(jù) GB/T 37526-2019《太陽能資源評估方法》，該地區(qū)太陽能資源的豐富等級為豐富（根據(jù)年水平面總輻射量測算：GHR≥1 750 kW·h/m 2 ，為最豐富；1 400 kW·h/m 2 ≤GHR<1 750 kW·h/m 2 ，為很豐富；1 050 kW·h/m 2≤GHR<1 400 kW·h/m 2 ，為豐富；<1 050 kW·h/m 2 ，為一般），屬發(fā)展光伏優(yōu)勢區(qū)。
圖 1 浦江縣太陽能月均輻射量
2.2 葡萄設(shè)施情況
2020 年，浦江葡萄設(shè)施化栽培率達 100%，多為單拱鋼架棚，歷經(jīng) 40 余年產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，受鋼棚壽命、自然災害等因素影響，葡萄生產(chǎn)設(shè)施每年均有一定量的更新，連棟大棚是當前更新設(shè)施的首位。連棟大棚具備高度高、土地利用率高、結(jié)構(gòu)牢固、易機械化等優(yōu)點。連棟大棚的天溝（連棟棚的單拱棚間置于肩高上的排水溝）是連接單跨拱棚的核心組件之一，具有排水、承重、支撐的作用。天溝一般采用厚 2 mm 左右的熱鍍鋅板或不銹鋼板制成，是上寬 30～35 cm、下寬 15～20 cm 的梯形溝，天溝下是連棟大棚固定遮陰區(qū)。
2.3 相關(guān)政策
德國、美國、日本等國均將光伏電作為可再生能源發(fā)展，出臺發(fā)展補貼、凈電表計量法等措施來促進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015 年，國務院將光伏扶貧列入“十大精準扶貧工程之一”。2023 年，浙江省發(fā)布關(guān)于印發(fā)《浙江省“共富光伏農(nóng)業(yè)提升工程”創(chuàng)新引領(lǐng)工作方案》的通知，以加快光伏農(nóng)業(yè)建設(shè)，為光伏農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了政策性保障。
3 葡光復合可行性分析
3.1 葡萄對光的需求分析
葡萄是喜光性植物，葡萄不同的物候期對光照需求差異顯著（表 1），開花至坐果期需要適度的光照，果實膨大至采收期需要充足的陽光，枝蔓老熟期少量陽光即可，休眠期對光照要求低。葡萄轉(zhuǎn)色至采收期是葉面積最大時期，需要充足但不過強的陽光。整形修剪是葡萄生產(chǎn)中重要技術(shù)措施，應根據(jù)光伏及棚體需要修剪出合適的樹形，提高葡萄樹體的光能利用率，同時減少設(shè)施構(gòu)造遮陰對葡萄生產(chǎn)的影響。
表 1 葡萄不同生長時期的需光分析
3.2 連棟棚+光伏設(shè)計
本次探索試驗所用的連棟大棚為三連棟大棚，單棟寬 8 m，肩高 3 m，頂高 4.8 m，棚長 28 m，面積 672 m 2 ，天溝上寬 35 cm。綜合葡萄生產(chǎn)、設(shè)施結(jié)構(gòu)安全性、光伏安裝與效能等方面考慮決定將連棟立柱升高 1.2 m，在立柱上連接迎南傾斜 25°、長1 m 的方管，用光伏板支架安裝 1 m×1.7 m（常見標準寬度之一）的光伏板，光伏板的頂高為 4.40 m［4.2+（1*sin25°）/2］，低于連棟棚頂高。光伏板安裝在大棚天溝處，每排 16 塊，共 3 排（圖 2）。
圖 2 “葡萄+光伏”設(shè)計安裝示意圖
本試驗中連棟大棚面積為 672 m 2 ，光伏板面積為 81.6 m 2 ，單塊光伏板最大功率 335 Wp（峰值功率），總功率 16.08 kW，組件標稱效率 19.9%，光伏板面積占棚覆蓋面積的 12.14%。
3.3 生產(chǎn)操作與安全性
連棟大棚生產(chǎn)中需要確保天溝排水通暢。蓋膜、揭膜、檢修等均需要工人站在天溝上操作，將光伏發(fā)電板架到距離天溝 1.2 m 的高度，對人工操作的便利性有輕微影響，但總體影響不大。加裝光伏相當于放大了天溝的遮陰面積，葡萄枝條伸展到天溝下部時正值夏季陽光最強時，可根據(jù)光伏對光照條狀影響的情況，構(gòu)建與棚長平行的葡萄樹體結(jié)構(gòu)，減少天溝對葡萄光合作用影響。經(jīng)連續(xù) 3 年的生產(chǎn)觀察發(fā)現(xiàn)，加裝光伏對葡萄產(chǎn)量和質(zhì)量無負面影響。
本試驗設(shè)計中，光伏板與立柱合為一體，光伏板的最高處低于連棟棚的頂高，并不增加連棟棚整體的橫向風阻，只少量增加南北順棚方向的風阻，從風、雨、雪等角度分析對連棟棚安全性影響不大。
3.4 模式效益測算
根據(jù)浦江縣年太陽能輻射總量 1 377 kW·h/m 2 ，光伏及多重轉(zhuǎn)化后綜合轉(zhuǎn)化率 16%、光伏板面積占棚覆蓋面積的 12.14%，按本次試驗選用的光伏板16 kW/666.7 m 2 計，根據(jù)光伏板每年效率衰減及當前浙江省光伏電上網(wǎng)價 0.415 元/kW·h 計，年光伏收益為 5 856～7 460 元/666.7 m 2 ，如果部分電量供基地自用則經(jīng)濟效益更顯著。
本試驗光伏發(fā)電系統(tǒng)投資 14.93 萬元（約 9.28元/Wp），遠高于規(guī)模光伏發(fā)電建設(shè)投資成本 1.2～2 元/Wp。規(guī)模批量安裝雖不用土地租金、地基，但光伏板密度低，需電纜線投入多，安裝費高。因此，規(guī)模批量安裝成本應低于當前規(guī)模投資成本，效益高。
4 應用實踐
4.1 光伏連棟大棚發(fā)電情況
2020 年，在浦江縣鄭宅鎮(zhèn)深二村相連宅自然村開展“葡萄+光伏”模式探索，由浦江縣昌誠家庭農(nóng)場承擔。該基地土層肥沃，陽光充足，遠離污染，交通便利，具有寬 6 m 大棚、寬 8 m 大棚、連棟大棚等葡萄生產(chǎn)設(shè)施。
光伏采用高效率晶體硅太陽電池片，總安裝容量為 16.08 kWp，轉(zhuǎn)換效率為 19.9%；使用壽命為25 年，水平面的太陽能輻射總量為 1 377 kW·h/m 2 ，綜合效率系數(shù)（受逆變器效率、集電線路損耗系數(shù)、光伏組件表面污染系數(shù)、修正系數(shù)等參數(shù)影響）因設(shè)計因素較多，初期將其按照 80%取值，因此該光伏發(fā)電系統(tǒng)理論年發(fā)電量應為 17 900 kW·h。
2021—2023 年，光伏實際發(fā)電量分別為18 955 kW·h、17 860 kW·h、17 180 kW·h，較預測發(fā)電能量略高，與近年實際天氣情況有關(guān)。
4.2 光的漫射與葡萄栽培情況
浦江縣 8 月份日均太陽輻射量 3.6 kW/m 2 ，根據(jù)光伏板寬度和高度進行仿真測算并結(jié)合照度儀實地測量，得出光伏板陰影下日均太陽輻射照量約為2.8 kW·h/m 2 ，損耗約 22%。2024 年 7 月 16 日，晴，14 時光伏板下陰影寬 60 cm，同組天溝造成陰影寬35 cm；采用三量牌 PP710 型號光照度計測量，露天陽光強度約為 14.7 萬 lx（折 11 907μmol/m 2 ·s，按1 lx=0.081μmol/m 2 ·s 計 [12] ，下同）。經(jīng)測算，葡萄棚內(nèi)葉幕上方光照強度約 8.5～9.2 萬 lx（折6 885～7 452μmol/m 2 ·s），光伏板下經(jīng)天溝重復遮擋后所剩光照強度約 1～1.5 萬 lx（折 810～1 215μmol/m 2 ·s）。根據(jù)李瑛 的研究表明，巨峰葡萄的光補償點為 11.8 μmol/m 2 ·s，其光飽和點為 1 044.1μmol/m 2 ·s；實測光照強度可滿足葡萄生長發(fā)育光照強度需求，另外光影會隨時間而移動，對葡萄影響更小。近 3 年經(jīng)產(chǎn)量、成熟期、成熟果可溶性固形物含量等指標的現(xiàn)場測評結(jié)果均與其他連棟大棚無顯著差異。
4.3 效益評估
經(jīng)濟效益。本試驗安裝 16.08 kWp 光伏發(fā)電系統(tǒng)，按規(guī)模建設(shè)投資成本上限 3 元/Wp、25 年運行壽命計算，總投資 4.8 萬元，總收益約 15 萬元，經(jīng)濟效益可觀。浦江縣現(xiàn)有設(shè)施葡萄栽培面積約0.45 萬 hm 2 ，“葡萄+光伏”模式全面推廣，全縣年可凈增產(chǎn)值約 3 億元。
環(huán)境效益。光伏發(fā)電建設(shè)在節(jié)能減排上起到積極的示范作用，每節(jié)約 1 kW·h 電，相當于節(jié)省標煤 0.4 kg，減排二氧化碳 0.997 kg，二氧化硫 0.03 kg，氮氧化物 0.015 kg，碳粉塵 0.272 kg。浦江連棟大棚加裝光伏發(fā)電板，產(chǎn)生的環(huán)境效益可觀。
5 小結(jié)與討論
5.1 葡光復合可行性高
“葡萄+光伏”模式，根據(jù)葡萄栽培設(shè)施、生產(chǎn)中需光規(guī)律，經(jīng)科學規(guī)劃，葡萄與光伏融合可實現(xiàn)不影響葡萄生產(chǎn)的前提下增加光伏產(chǎn)效。本試驗探索因規(guī)模小而采用現(xiàn)有批量生產(chǎn)的光伏板規(guī)格，光伏板面積占農(nóng)地面積的 12.14%。結(jié)合葡萄優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)結(jié)果枝伸展 1.5 m 的空間要求，可進一步探索單拱寬 6 m 的連棟大棚葡萄增加光伏，覆蓋率可達到16.6%，棚內(nèi)葡萄采用間距 3 m 的兩條結(jié)果主枝布局與光伏融合，666.7 m 2 光伏年收益超 7 000 元，扣除光伏投資凈利潤約 5 000 元。
結(jié)合地塊與設(shè)施實際情況，根據(jù)規(guī)模情況定制不同寬度光伏電池板來增加“葡萄+光伏”的總體效益。光伏產(chǎn)品技術(shù)的進步提升或成本降低、安裝靈活可調(diào)光伏板的位置也可進一步提升收益，需要結(jié)合葡萄、光伏、安全性、成本等進行科學設(shè)計和測算。
5.2 葡光與農(nóng)藝融合
葡萄是浦江縣農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)，每 666.7 m 2 年產(chǎn)值在 2～10 萬元，且“浦江葡萄”品牌遠近知名。葡萄與光伏產(chǎn)業(yè)融合應優(yōu)先確保葡萄產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，再最大可能提升光伏的效益。葡萄和光伏都依靠陽光生產(chǎn)，如何讓二者各自發(fā)揮作用，減少相互帶來負面的影響。利用葡萄需光的季節(jié)性，通過農(nóng)藝措施調(diào)節(jié)葡萄與光伏的最佳融合。
王正孝等研究表明，恰當合理的遮光對有些葡萄品種生長和果實品質(zhì)影響較小 。董凱向等研究表明，綜合考量葡萄品質(zhì)和光伏板發(fā)電效益時，在吐魯番地區(qū)宜選擇光伏板間隔 1.0 m 的葡光互補栽培模式進行推廣 。
5.3 注意事項
“葡萄+光伏”為新產(chǎn)業(yè)模式，需要符合當?shù)氐霓r(nóng)田利用、光伏發(fā)電政策，建設(shè)前應先咨詢當?shù)卣霓r(nóng)業(yè)農(nóng)村、自然資源、供電局等相關(guān)部門的具體政策情況，在政策許可且發(fā)電方便出售前提下建設(shè)。
連棟大棚加裝光伏，最好在生產(chǎn)設(shè)施更新時設(shè)計安裝，確保安全性和農(nóng)業(yè)操作性，并結(jié)合葡萄栽培農(nóng)藝措施，做到棚上發(fā)電、棚下生產(chǎn)。
光伏電池板設(shè)計與使用壽命是 25 年，農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)計與使用較多是 15 年，質(zhì)量好的大棚可使用 30年，因此“葡萄+光伏”新產(chǎn)業(yè)模式建設(shè)中應提高連棟大棚材料質(zhì)量，并安排好預算。
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