传统农业与新能源融合催生绿色发展新模式

谢婉钰，赵迪斐，杨绍金

(1.中国矿业大学建筑与设计学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学人工智能研究院，江苏 徐州 221116；3.江苏楚汉雄风电子商务有限公司，江苏 徐州 221116)

随着城市化进程的不断推进及碳中和和碳减排的新问题背景下，全球气候变暖与不可再生能源逐渐枯竭已成为人类不可回避的问题。面向碳中和的能源发展大趋势是通过能源变革，大力推进能源供给侧的电力脱碳与零碳化和燃料零碳化，以及能源需求侧的能源利用高效化、再电气化和智慧化，构建以新能源为主体的新型电力系统[1]。而太阳能作为可再生的能源具有绿色、清洁和安全等特点，而太阳能光伏发电作为太阳能资源利用的普遍形式，得到了世界范围内的广泛认可与应用，其在漫长的发展过程中不断提高材料技术、运输技术与生产技术等，从而促进太阳能光伏技术与其它领域的交叉应用。而农业作为我国的第一大产业，在与光伏结合领域也有相当多的研究成果，在我国碳达峰和碳中和要求目标下，太阳能光伏技术势必在农业产业中得到大力发展，“光伏+农业”的发展模式将对我国绿色发展可持续与乡村振兴等工程产生深远意义[2]。

1 光伏技术

“光伏发电”一般来说是根据光伏特效应原理，依靠太阳能电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器等电子元件将太阳光能转换成电能的一种现代发电技术，太阳能光伏发电系统示意图如图1所示。而“光伏”就是太阳能发电系统的简称，整个光伏发电系统有着便捷环保的优势[3]。其涉及的光伏技术是由新材料、新能源、光电技术与化学技术等融合而成的综合门类学科技术。通常情况下，由于光热发电技术的使用率较低，从而使得太阳能光伏发电技术较为常用。

图1 太阳能光伏发电系统示意图

1.1 发展概况

光伏发电技术最早可以追溯到1839年出现的光生伏打效应，但直到1954年，美国的三位科学家共同研制出世界上首例晶体太阳能电池，这才宣告了人类太阳能技术的初步成熟[4]。而这一技术从提出至今其研究与发展已超过一百年的历史。它不仅诞生了一种新技术，同时也形成了一个新市场。光伏发电技术发展到如今已经有了许多不同材料、不同规格类别的太阳能电池组件，同时，为了提高发电利用率，其发电运输方式也在不断进展。据统计，世界范围内太阳能光伏组件的产量将达到40 GW·h，其发电量也将达到274 TW·h，但光伏发电总量只占全球发电总量的百分之一，因光伏发电技术发展趋势的影响，在未来20年内太阳能发电将在全球大幅增长，发电占比将达到21%左右[5]。笔者通过对光伏技术相关研究文献的梳理，将光伏发电大致归纳出几种类别，从而为进一步对光伏发电技术结合农业生产综述进行铺垫。

1.2 太阳能电池分类

1.2.1 晶体太阳电池

第一代太阳能电池为晶体太阳电池，目前，光伏产业主流发展方向就是晶体太阳能电池中的单晶或多晶Si太阳电池。随着再生能源需求的推进，太阳电池结构不断优化，使得电池效率大大增加，而在此领域中，澳大利亚GREEN教授带领其科研小组进行一系列优化技术使单晶Si太阳能电池的效率一直保持在全世界领先地位。但单晶Si太阳能电池依旧有着生产制作成本较高的缺陷，其发展也面临严峻挑战。因此，多晶Si太阳能电池应运而生，并快速发展。

1.2.2 第二代薄膜光伏材料太阳能电池

降低生产制作成本一直以来都是太阳能产业需要解决的不变课题。在这种要求下，通过对一系列廉价材料的衬底表面沉积各种薄膜光伏材料，以薄膜作为光吸收有源区制作成为兼具效率与稳定的第二代薄膜太阳电池。这无疑使太阳能电池的生产成本大幅度降低，例如：铜铟镓硒薄膜(CIGS)光伏电池，兼具碳排放量低、光电转化效率高和环境友好的优点，其在建筑围护结构上替代传统建筑材料得以应用[6]。

1.2.3 第三代理想概念化太阳能电池

第三代太阳能电池需在设计思路、电池材料和工艺制作上都要有所创新，从而诞生新一代的光伏组件，其相比于之前两代的太阳能电池应具有绿色高效、寿命长、可靠且低成本的理想化优点。而受限于传统光伏技术与新材料的开发，目前的太阳能电池依旧不能有效充分利用地球上近乎50%的红外光子能量，太阳能电池的技术革新遇到了急需突破的瓶颈。

1.3 电流输送方式

光伏发电按照电流的输送方式上讲，其进一步被细化为独立式的光伏发电(离网光伏发电)和分布式的光伏发电。离网式配备有蓄电池，是可以独立运行的光伏发电系统。而分布式指小型的光伏发电系统，满足专门用户需求，同时支持配电网的经济运行。且对太阳辐射环境有一定要求。但就目前来说，光伏发电并网技术有着明显优势，其在节约建设和维系成本的同时也减少了发电成本，推动了光伏发电技术的多元化发展需求[7]。

1.4 发电能源构成

除了太阳能电池和电流运输方式的不同，光伏发电在发电能源上也会出现不同的构成模式，发电系统从初始的太阳能光伏系统进而出现了“混合光伏发电系统”，其相较于单一的太阳能发电系统能够更进一步提高发电技术的可靠性并减少能源的浪费，“混合光伏发电系统”指发电能源的构成不单来自太阳能，它将其它可用能源引入发电系统中融合进行发电，以此来有效应对极端天气等不可控因素，维护发电系统的稳定性。其中“混合光伏+风力发电系统”就是指风力发电和光伏发电两种不同的可再生能源发电系统融合使用，在一定程度上减少了太阳能资源与风能资源不同步所带来的能源损失。这种发电系统使电力运行更加稳固，减轻了光伏发电系统本身对自然气候的依赖性。“光热发电系统”是光伏发电技术在运行时对太阳能产生的热能资源的一种收集，该技术主要通过存储热能来进行发电。区别于其它技术的投入，理想化的光热发电系统热可以大规模经济化推广。在此基础上，一些研究将风力发电与光热发电进行整合，以完善光伏发电系统的缺陷或是寻找更有效的发电技术途径。同时也出现了在以上混合动力系统中引入了光伏发电系统和电加热器的促进新能源消纳的混合发电系统，电加热器的存在将多余的风能和光能转化为热能存储，利用电站良好的可调度性和可控性，提高新能源的消纳量[8]。可以说通过不同能源加以组合，混合发电模式有效控制了光伏发电的负载缺电率。

综上所述，光伏技术的发展能够将太阳能直接转化为电能，其作为新型能源有着无毒无害、健康绿色的特点，符合我国对可持续的发展要求。光伏技术的进步对农业生产行业来说有着极大的推动影响，据研究发现：其在农业生产中能够有效解决资源短缺和绿色生产方面的问题[9]。

2 光伏结合农业生产

研究领域有关实验室对太阳能在农业生产中的应用研究可以追溯到20世纪60年代，国外有关实验室研究了包括空气调节和农产品方面等内容。光伏技术的诞生使太阳能光伏快速与农业方面相结合，1975年的光伏水泵拉开了光伏与农业相结合的时代，而光伏结合农业的标准也逐渐走向模块化和精细化[10]。总体来说，光伏农业是我国当前新兴的一种产业模式，在这种模式下，结合光伏先进技术和农业生产技术，使该产业模式能够融合发展。其不仅包括农业方面的经营和管理，而且还涵盖了农业、文化旅游和田园景观建设等方面[11]。

2.1 国外光伏农业生产发展

国外对光伏农业的研究主要集中在光伏结合农业的方式和光伏组件的安装模式以及发电效率等方面，而光伏早期在农业中的应用研究始于航空航天技术的发展。美国航空航天局(NASA)中的研究中心在20世纪80年代初期在全球市场针对光伏发电系统对于农业部门的应用进行了一项预测研究。通过对能源、经济、太阳能资源以及地域等方面因素的衡量，选择了一定调查对象分析出美国当前光伏农业产品的营销障碍，并制定了相关方案[12]。在之后的光伏结合农业生产研究中，学者们主要关注到光伏系统在农业中应用的障碍问题，其限于经济、制度和社会等影响。后续有国外学者陆续研究提出可采用半透明或透明光伏板以增加农业温室大棚的进光量，但据调查显示，即使在晴天，光伏组件的遮挡依旧会使得温室大棚内的温度有所下降。

2.2 国内光伏农业生产发展

我国在光伏系统结合农业生产方面，应用最早的是在农业灌溉领域。吴永忠等[13]学者立足于西部大开发战略，面对西北部的环境恶化问题，根据本地区不同的自然条件因地制宜的开发太阳能提水的灌溉系统，其充分利用了西部丰富的自然资源，为发展农业生产灌溉体系保证了清洁的能源动力。随着我国光伏技术的不断发展，立足于我国光伏技术以及农业生产发展的实际情况，学者们相继提出了农光互补、渔光互补以及林光互补等发电系统，国内农光互补的案例如图2所示，国内渔光互补案例如图3所示。结合当下的乡村振兴背景，农光互补成为了乡村振兴的一大助力，例如：青岛西海岸新区六汪镇的农业光伏发电项目，以农光互补为主的同时采用了渔光互补和林光互补的模式，最大化利用了农业设施发电[14]。从当地实情出发，结合现代光伏技术与农业技术，使该项目成功为其它乡村振兴项目树立了典型。

图2 国内农光互补案例

图3 国内渔光互补案例

3 光伏在农业生产的应用

光伏技术在农业生产上的应用提高了土地利用效率，在光伏发电的同时保留了肥沃的农业用地，其在世界范围内的种植业、林业和畜牧业的生产应用上都得到了迅速发展，奥地利多恩比恩太阳能电池板下的西红柿生产如图4所示，夏威夷拉奈岛上的光伏板与羊群如图5所示。我国的彭梅牙在2012年提出总结了光伏农业的特点，并在其研究中论述了发展光伏农业的必要性，其当时对光伏农业的应用技术归纳有：光伏大棚、光伏养猪场、太阳能杀虫灯和光伏植物生长灯[15]。2014年后，光伏农业在国内加速发展，全国各地陆续开展以建设光伏+农业技术为核心的光伏农业设施项目，相对应的，出现了光伏农业产业园区以及光伏农业基地等集成形式。光伏农业作为一种能够有效保护生态环境和高效率利用能源的综合农业生产模式，其目的在于利用现有光伏农业技术生产绿色有机农产品。另一方面，光伏农业同时拓展出了观光旅游和都市生态等，给社会带来的价值远远超过单农业生产带来的效益。

图4 奥地利多恩比恩太阳能电池板下的西红柿生产

图5 夏威夷拉奈岛上的光伏板与羊群

3.1 系统应用

灌溉领域作为光伏与农业生产最早结合的领域，发展到如今其技术已经相对成熟。吴永忠对西北部地区的光伏提水应用以及盛绛等[16]对光伏水泵系统的应用分析都对光伏农业在灌溉上的应用做出贡献。对于温室系统领域，光伏农业温室系统主要有支架式和平铺式两种。支架式温室系统的光伏发电组件安装在温室的北部，而平铺式温室系统的光伏组件安装在温室顶部，光伏组件需要有一定的透光率，以满足温室内农作物的生长需求[17]。但这样的模式也存在一定弊端，半透明的光伏组件会降低光伏发电的效率。

3.2 农业生产自动化

随着我国物联网技术的快速发展，物联网技术极大推动了农业生产自动化的进步。基于物联网技术的光伏农业生产大棚逐渐开始成为趋势，光伏技术也为农业自动化水平不断提升打下了基础。光伏农业大棚自动化的实现依赖于物联网的协同，其控制系统包括：光伏供电系统、监测模块、微机处理中心以及无线网络等[18]。农业生产自动化中，农户可以随时在远程端口监控农业大棚，从而增强农业生产水平，减少农业生产压力。自动化光伏农业在融合光伏技术绿色无害的优势基础上，进一步结合了新兴物联网监测与处理技术，相较于传统的农业大棚来说有着极大的优势，不仅能够有效营造农业生产环境，其对农作物生长的实时数据把控也会更加精确和科学。

4 农业+光伏新模式研究评述与发展方向

4.1 研究评述

(1)研究重点及研究层次的丰富性。“光伏+农业”作为传统农业与新能源结合催生绿色农业发展的新模式，其研究主题目前主要围绕光伏技术的发展、分类、能源构成以及其结合传统农业的形式展开，探索光伏在种植业、林业、渔业与农业生产自动化等方面的应用场景与结合模式。从农业+光伏新模式的研究发展过程来看，经历了从技术诞生到分类发展最后到紧密联系农业落地，形成了一个多元化的、层次丰富的、由理论到实践的研究趋势。

(2)研究主题与时代发展的同步性。在2021年“碳中和”的国际和国家政策背景下，通过能源变革大力推进能源供给侧的电力方面技术改革使光伏技术成为学者们聚焦的热点。基于我国作为农业生产大国的不变背景，光伏技术带来的新能源成为农业现代化的一大支撑，同时在全面脱贫攻坚的任务下，“光伏扶贫”抑或成为实现农业现代化的重要手段之一。

综上，光伏技术的优势给农业生产带来了新能源的供给与绿色能源的转换，技术进展、光伏组件的性能提高与生产成本的降低将会推动光伏+农业产业的发展。光伏与农业产业的结合有着十分广阔的前景，现阶段所提出的光伏结合农业、林业、渔业以及光伏农业自动化都会在未来呈现出更多的典型案例。

4.2 发展方向

(1)重点推进光伏技术革新。探索三代理想光伏电池以及光伏混合发电的新型模式，提高能源运用效率，减少能源转换期间的能源消耗。现阶段光伏技术的核心还是在于光伏特效应，依靠电子原件将太阳能转化为电能，有关光伏发电系统的电子元件革新，除对太阳能电池的精进之外，其不同电子原件对光伏发电效率的影响以及在不同元件中传输的过程所损耗的电能有待探讨。光伏发电技术在能源输送方式上相对成熟，现存有并网与离网这两种能源输送方式。但我国情况复杂，不同区域其环境条件有较大差异，对现有的能源运输方式上有待进一步细分革新，分别对应基础条件不同的区域，有助于能源在运输途中的损耗，为在更大空间尺度内构建新能源运输网络打下基础。

(2)创新发展绿色能源模式。进一步深化对绿色清洁能源模式的开发与研究是时代发展进程的不变话题，对应我国全方位全过程推进绿色规划、绿色生产、绿色流通以及绿色建设等，使发展建立在高效率利用资源严格保护生态和有效控制温室气体排放的基础上，推动我国绿色发展的碳中和指导意见，光伏发电系统的能源模式研究仍然任重道远。当前以太阳能为主，风能、热能、光热能等为辅助能源的混合光伏发电模式是光伏发电技术发展的必然趋势之一，而不同能源构成的混合发电模式效率之间存在差异，需进行全面的横向对比研究。

(3)建立光伏+农业逻辑体系。构建农业与光伏相结合的逻辑框架，逐步对农业现代化与新能源融合发展形成研究范式。目前国内对农业结合光伏的研究主要集中在农业生产应用方面，理论层面的构建有待深化探讨。且当前的光伏结合农业产业模式仍然处于探索阶段，在未来研究中，传统农业与新能源的融合仍需突破当前瓶颈。同时光伏结合农业这个模式展开需要更完善的理论体系支撑，切实考虑国内发展过程中传统农业并将体系融合协同市场、经济、规划乃至环境等方面来构建一个完善的理想化的光伏+农业模式。

5 结语

光伏技术的优势给农业生产带来了新能源的供给与绿色能源的转换，随着科技进展，光伏组件的性能提高与生产成本的降低都会推动农业产业的发展。可见光伏与农业产业的结合有着十分广阔的前景，现阶段所提出的光伏结合农业、林业、渔业以及光伏农业自动化都会在未来呈现出更多的相关效应。当前的光伏结合农业产业模式仍然处于探索阶段[17]，在未来研究中，光伏技术仍需突破当前瓶颈，同时光伏结合农业这个模式展开需要更完善的理论体系支撑，并将体系融合协同市场、经济、规划乃至环境等方面来构建一个完善的理想化的光伏+农业模式。