浅谈薄膜太阳能电池在现代化猪场设计中的应用

贾 龙，韩 华，王浚峰，彭英霞，魏传祺，刁小南，冯跃进

(北京农业机械研究所 北京京鹏畜牧科技股份有限公司，北京 海淀 10094)



生态养殖

浅谈薄膜太阳能电池在现代化猪场设计中的应用

贾 龙，韩 华，王浚峰，彭英霞，魏传祺，刁小南，冯跃进

(北京农业机械研究所 北京京鹏畜牧科技股份有限公司，北京 海淀 10094)

低碳与标准化的绿色养殖是我国农牧业发展的必然趋势。畜牧场一般建在郊外、远离居民区、采用单层设计，采光条件相对较好，因而合理利用太阳能是节约能源，发展低碳养殖的一种很好途径。与其他养殖业相比，现代化的猪场已变成资金密集、耗能密集、工厂化生产的行业，大大方便了分布式太阳能电站的合理规划与建设，发出的电能可以就地使用，减少并网难度。薄膜太阳能电池是近年来出现的一类新型的光伏材料，具有成本低、可塑性好、能与建筑物完美匹配等特点。因此，将薄膜太阳能电池和猪舍的建设的完美结合是一种很好途径。本文综述了薄膜太阳能电池的分类、优势、在猪舍的合理建设及面临的外部发展环境等，期望为低碳化、标准化的猪场设计提供参考。

太阳能；薄膜；猪场建筑；低碳养殖

规模化养猪已逐渐成为我国养猪业发展的主要趋势，随着设备的不断增多，规模化猪场对电能的需求逐渐增加，不论是猪舍的通风降温、清洗消毒、粪污处理、饲料投送，还是养殖人员的生活均需要大量电力供应[1]。规模化猪场大多建设在郊外[2]，种猪场距离居民点、工厂和其他牧场至少2 km，商品场则至少1 km，具有很好的屋顶及侧墙采光条件，而且大多是单层结构，利于太阳能光伏设备的合理规划和安装，因此利用太阳能发电是一种很好的途径。薄膜太阳能电池是近年来发展的一种新的光伏系统，是在塑胶、玻璃或金属基板上形成可产生光电效应的薄膜，其厚度仅需数微米，在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量，成本也随之减少，但是其仍然具有较好的转化效率，目前规模化量产的光电转化效率可达到10%～13%[3-4]。此外薄膜太阳能电池具有很好的可塑性，可与建筑物结合或变成建筑体的一部份，所以薄膜太阳能电池在光伏建筑一体化、大规模低成本发电站等许多领域都得到应用和推广[5]。在农业领域，光伏农业就是将太阳能发电与现代农业的种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械动力等过程相结合形成的新型农业。例如以塑料作为基板制成的光伏大棚，正在各地兴起[6-7]。随着全球化石能源的消耗和气候的变化，发展节能与环保的绿色养殖是我国农牧业发展的必然趋势。养猪业是我国畜牧养殖业中的主流产业，薄膜太阳能电池在猪舍的设计和使用可以节约大量煤电消耗，实现猪场的无碳化经营，使畜牧场不仅成为肉类产品的供应者，也成为能量的生产者。

1 薄膜太阳能电池的分类

薄膜光伏的种类很多，也有很多不同的分类方法。薄膜光伏按材料的不同可划分为CdTe(碲化镉)薄膜、CIGS(铜铟硒镓)薄膜、硅基薄膜、GaAs(砷化镓)薄膜、InP(磷化铟)薄膜、色素敏化染料薄膜和有机导电高分子薄膜等[8]；按安装的载体不同，薄膜光伏可划分为光伏建筑一体化薄膜(BIPV)和附着在建筑物上的薄膜(BAPV)。BIPV是将光伏和建筑建设在一起，直接用薄膜光伏代替建筑材料。比如在双层玻璃中封装刚性的薄膜太阳能电池组件，根据需要制作成不同的透光率后，可以部分代替玻璃幕墙，也可以用不锈钢和聚合物衬底等柔性材料制成薄膜光伏屋顶等。BIPV在建筑外立面和屋顶的安装避免了现有玻璃幕墙的光污染问题，能代替建材，同时发电又节能环保，所以BIPV将成为未来城市利用光伏发电的主要方向。BAPV是目前薄膜光伏发电的一种普遍形式，是将薄膜发电组件通过简单的支撑结构附着在建筑物上，去除薄膜发电组件后，建筑原有的功能仍完整。因此，BAPV薄膜的主要特点是与建筑物的功能不发生冲突，不破坏建筑物本身的结构。也正因为如此，现有的大型工业厂房和建筑物，甚至普通民居的屋顶，均可在简单改造后安装薄膜发电系统，成为安装型薄膜发电建筑[9-10]。

2 薄膜太阳能电池用于猪舍的优势

与晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有以下优势：1)安装在猪舍的屋顶，不占用土地，节约土地资源。现代大多数猪舍的屋顶采用彩钢板结构，屋顶铺设薄膜光伏后还能保护彩钢板的结构，延长使用年限；2)薄膜光伏提供了一种分布式的发电方式，方便与电网并联，减少了长距离输电，节约了配电费用，安全高效；3)薄膜太阳能电池较少使用晶体硅材料，相对于高昂的晶体硅材料来说大大降低了成本。据测算，即使在5 MW的生产规模下，非晶硅薄膜太阳能电池组件的生产成本为1.5美元/瓦以下，而单线产能达到40 MW～60 MW甚至更高的全自动化生产线，其产品生产成本则更低。相对于晶硅国际市场销售价格而言，其利润空间可见一斑。转换效率为10%的非晶硅太阳能电池，其产生的电约每天1.5度/瓦，发电后能量回报的时间约为1.5年，这是晶硅太阳能电池无法比拟的。4)弱光性能和温度性非常好。随着温度升高，晶硅电池的转换率会降低，当超过25 ℃时晶硅的转化效率就开始逐渐下降。而薄膜光伏，如碲化镉电池等，温度系数非常好，甚至随着温度的上升其转化率反而升高。其次就是弱光性好，在早晨和下午光线较弱的时候，或者遇到风沙、雾霾的时候薄膜电池也可以发电；5)对猪舍夏季具有很好的遮阳作用和吸热作用，薄膜光伏安装在猪舍屋顶后能有效地吸收太阳的能量，给猪舍带来遮阳效应，居民楼屋顶铺设薄膜光伏后能使夏季屋顶内表面温度降低2～3 ℃，预计能使猪舍的彩钢板内表面降降低3～5 ℃，能有效节约夏季猪舍环控的用电[11]；6)可以根据需要做成不同的透光率。现代化猪场设备不断增多，导致猪普遍无法见到阳光，影响母猪的发情、仔猪的生长发育，也会使猪疾病发生明显增多。薄膜做成大棚后可以部分代替彩钢瓦屋顶，保证母猪正常发情、仔猪生长和减少疾病的发生等。

3 薄膜太阳能电池在猪场的设计

3.1 薄膜太阳能电池的安装形式

薄膜光伏的安装方式有平屋顶、斜屋顶、遮阳板、光伏幕墙、光伏天棚等(图1所示)[12]。从发电效益看，平屋顶和斜屋顶可以按照最佳的角度安装，可以采用标准的光伏组件，与建筑物不发生冲突，因此是最经济的方式。遮阳板也可以采用标准的光伏组件，但是安装成本比较高。光伏幕墙和光伏屋顶符合BIPV的要求，除发电功能外还要满足幕墙力学、美学和安全的要求，难以按照最佳的角度发点，因此经济效益偏低。考虑到猪舍不要求美观的特点，而且现在大多数猪舍是人字坡型的斜屋顶，因此薄膜安装方式以斜屋顶为宜。由于母猪需要一定的光照才能保证正常发情，所以配种舍可以考虑用光伏天棚直接代替屋顶。薄膜光伏与地面的夹角不同，在同样面积下所发的电量也不同，所以要结合建筑物的要求选择合适的安装角度，北方地区以15～35度为宜。安装薄膜组件时应在满足猪场用电的条件下，尽量安装在猪舍屋顶的向阳一侧，这样可以使发电的效益最大化。

图1 薄膜光伏的不同安装方式

3.2 薄膜太阳能电池系统的组成

薄膜光伏系统由薄膜光伏电池组件、功率控制器、逆变器、蓄电池以及负载等部件组成。薄膜光伏组件将太阳能转化成直流电流，功率控制器防止光伏电池组件对负载过放电，逆变器将光伏电池产生的直流电转变为交流电，使光伏系统发出的电可以并入电网或供给用电器使用[13-14]。薄膜光伏发电系统可分为独立系统、并网系统。独立系统所产生的电流直接供给负载使用，多余的电能储存在蓄电池中。并网系统是直流电通过并网逆变器转换成符合电网规定的交流电之后直接接入城市电网，与独立系统不同，并网系统的主要目的是并网发电。小型光伏发电系统适合采用独立系统，而大型光伏发电站普遍采用直接并网系统。规模化猪场的夏季用电量一般按每头基础母猪每天需1～1.5度电计算，冬天按每头基础猪每天消耗0.2～0.5度电计算。规模化猪场夏季用电主要是通风降温系统，用电高峰期在上午10点到下午3点天气最热的时候，冬季用电主要是保育猪的采暖，猪场夏季和冬季用电量的发电趋势如图2所示。规模化猪场这些环境控制设备一般由智能化自动控制系统控制，可以根据温度调节风机和水帘的开启数量和时间。根据集约化养猪场建设标准，猪场每头存栏母猪需12～18 m2，附属建筑需附属建筑需2～3 m2，由于猪舍的人字坡顶背阴侧安装薄膜太阳能电池后发电效率不高，所以猪场建筑面积适合利用一半。以河北地区为例，年平均太阳能辐射平均约1 500 kw·h/m2，按10%的光电转化效率计算，从表1可以看出猪场的发电量不仅完全满足猪场用电需求，还有大量富余。考虑到并网的难度，对于500头基础母猪以上的猪场适合采用并网系统，白天使用薄膜所发的电量，并把多余的电供给电网，晚上则使用电网电量。对于500头基础母猪以下的猪场则可以采用独立系统，通过白天所发的电可以储存在蓄电池中，晚上用蓄电池中的电，发电系统的设计以满足自身的需求为宜，同时也必须与电网连接，以防止设备出现故障。

图2 猪场夏季和冬季每天用电量和薄膜太阳能电池的发电量变化趋势

猪场规模(基础母猪数)Piggeryscale(Populationofsows)每天用电量Amountofdailyelectricityconsumption/(KW·h)冬季Winter夏季Summar总建筑面积/m2Constructionarea年太阳辐射量/(万kw·h)Annualsolarradiation年理论发电量/(万kw·h)Annualelectricityproduction25050-100200-3754980-5260370-39037-39500100-250400-75010090-10420750-78075-78750150-350600-112514180-145101060-1080106-1081000200-500800-150019310-196401450-1470145-1471250250-6001000-187523780-241601780-1810178-1811500350-7501200-225028240-286202120-2150212-2152500550-12502000-375045200-459003390-3440339-344

4 建造成本和效益分析

目前薄膜光伏安装费用约8～9.5元/瓦，其中光伏组件费用约4～4.5元/瓦、支架费用约0.5元/瓦、逆变器费用为0.4元/瓦，其余为安装并网费用。1 000头基础母猪的猪场建筑面积为19 310～19 640 m2，以采光条件较好的阳侧全部铺设薄膜，则可以建造约1MW的光伏，总投资约800～950万元[15]。

薄膜系统的发电量，理论年发电量=年平均太阳辐射总量×电池总面积×光电转换效率。根据太阳能辐射的强弱，我国可划分成四个区，养猪企业多分布在二类地区，如河北、河南、陕西、山东、东三省等，这一地区的年辐射量在(1 000～2 050)kw·h/m2之间，则1 000头基础母猪的猪场每年发电量约为100万度。畜牧场是农业用电，按照每度电0.55元计算，国家补贴0.42元，则8～10年可收回成本。与同等电量火电厂相比，每年可节约标准煤5 400 t，减少二氧化硫排放120 t，减少氮氧化物排放30 t。

5 外部环境和国家政策

我国现阶段主要发电是煤电，随着煤炭资源的不断消耗，煤电成本将会不断上升。而太阳能是源源不断的资源[14]，随着光伏发电技术的日益进步，光伏发电产品的成本正以每年5%～10%的速度下降，而光伏转换效率则以每年0.2%左右的速度递增。随着发电成本的逐渐下降，其效益日渐显现出来，预计到2020年光伏发电成本可下降至0.4元/(k·h) 左右，与煤电成本相当[16-18]。

为应对日益恶化的全球气候的变化和资源危机，我国政府在2009年承诺，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，为此大力鼓励太阳能发电。2012年国家能源局制定了《太阳能发电发展“十二五”规划》，提出至2015 年我国分布式光伏发电装机规模将达到20 GW，并陆续出台了一系列政策。财政部在2013年也发布了《关于分布式光伏发电实行按照电量补贴政策等有关问题的通知》，健全了补贴和发放机制，确保补贴及时足额发放。国家发改委2013年8月发布《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，对分布式光伏发电按照全电量补贴，电价补贴标准定为每度0.42 元。国家电网公司也出台《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》，全面服务分布式发电入网[19-20]。

6 展 望

当前，薄膜太阳能电池在农业领域逐渐被应用，最常见的是"薄膜太阳能光伏大棚"，自2009年国家启动"金太阳工程"支持光伏建筑发展以来，全国已有近30个"光伏农业生态园示范点"，且许多都实现了并网发电。但是薄膜大棚存在着一定的先天不足，如大棚大多是由农民经营，前期的大规模投资使农民难以接受，光伏大棚的发电量与农业生产的用电量不相匹配，发电的同时可能影响植物的生长等情况。与光伏大棚相比，大型猪场已变成资金密集型、工厂化生产的企业，猪场本身用电量很大，因此有着巨大的电能需求。而光伏在猪场的应用能在夏季有效的吸收太阳能量，帮助猪舍降温。光伏在养殖基地的应用逐渐从边远地区的满足照明需求，然后逐渐发展。2009年以后逐渐兴起了光伏生态养殖，2013年河北定州国香建起全国首个光伏屋顶“养猪场”，2014年新余养猪场建成江西首个猪场屋顶光伏电站。

因此，光伏发电与养殖业相结合是一条很好的途径，在当前国家政策的推动下，凭借薄膜太阳能项目自身蕴藏的巨大经济效益和生态效益，相信将来肯定具有可观的发展前景。

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Application of Thin-film Solar Cells in Modern Pig Farm Designing

JIA Long，HAN Hua，WANG Jun-feng，PENG Ying-xia，WEI Chuan-qi，DIAO Xiao-nan，FENG Yue-jin

(BeijingKingpengGlobalHusbandryTechnologyCo.,Ltd,BeijingAgriculturalMachineryInstitute,Haidian,Beijing10094,China)

Standardized Green breeding with low carbon trends widely in china. Generally, livestock sheds are single-layer, located away from the residential areas, receive relatively favorable natural lighting, therefore reasonable use of solar energy prove efficient for development of energy saving and low carbon breeding industry. Compared with other farms, modern pig farms have been capital intensive, energy intensive and factory production, which greatly facilitate the reasonable designing of distributed solar power station and the generated electricity can be used by the farm itself, reduce the difficulty of connection to the grid. Thin-film photovoltaic (pv), as a new photovoltaic material with characteristics of low cost, good plasticity and perfect matched to the building, are feasible for construction of the piggery. This article summarized the classification of thin-film photovoltaic, their superiority and reasonable construction in piggery to provide reference for designing low carbon and standardized pig farms.

solar；thin film； pig farm construction；low carbon

2014-10-29，

2014-12-24

国家科技支撑计划(2014BAD08B07)；北京市科技计划(D141100003814002)

贾 龙(1988-),男，河北石家庄人，硕士，主要从事猪场工艺设计和动物遗传育种。E-mail：xinongjialong@163.com

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0069-05