薄膜太阳能大棚应用发展(20180629153150).pdf

薄膜光伏太阳能大棚应用现状及发展前景调查分析薄膜光伏太阳能大棚是近两年来刚刚兴起的将现代设施农业大棚、薄膜光伏太阳能发电和 LED 光照结合起来，既能运用农地直接低成本发电，也不影响大棚内农作物正常生长的一种新型设施农业大棚（图 1、 2） ，它开启了低碳农业发展的新模式，具有良好的经济效益和生态效益，发展前景十分广阔。随着我国太阳能薄膜电池板制造技术的快速发展，用透明的太阳能光伏薄膜替代传统的大棚薄膜，应用在设施农业大棚上已成为可能。薄膜光伏太阳能大棚是通过薄膜分光技术将太阳辐射分为植物需要的光能和用于太阳能发电的光能，或用太阳能发的电能转化为植物生长所需要的光合有效辐射能（如棚内采用 LED灯作为补光） ，既满足了植物正常生长的光照需要，又能实现光电转换，实现了低成本光能发电。图 1 玻璃温室大棚采用薄膜光伏太阳能板发电图 2 普通单体大棚采用薄膜光伏太阳能板发电一、薄膜光伏太阳能大棚的特点和优势1、特点薄膜光伏太阳能大棚顶上装设有非晶硅薄膜式太阳能电池，用来发电的非晶硅厚度不到 0.5 微米，不及传统晶硅太阳能电池厚度的百分之一，使原来无法穿透晶硅太阳能电池的太阳光可以透过非晶硅薄膜太阳能电池照射到棚内的植物，太阳光中植物生长所需要的波段在穿透大棚屋顶的太阳能电池板后被植物吸收，植物生长所不需要的波段则部分被太阳能电池吸收发电，部分转换成热能加温农业大棚。植物进行光合作用主要是利用波长为 610mm－ 720nm（波峰为660nm）的红橙光，而绿色光是植物生长所不需要的波段，绿色光被大棚顶上的太阳能电池吸收发电并不会影响植物生长。紫外线也是植物生长所不需要的波段甚至会破坏植物，一般农业大棚会用遮阳网来减低紫外线。薄膜式太阳能大棚顶上的薄膜式太阳能电池能吸收波长小于 600nm的光子发电，因此不必在大棚顶上加装遮阳网。此外，薄膜光伏太阳能大棚可以根据植物生长的需要控制棚内温度、湿度、光照度，科学调整植物生长的最佳环境，是集农业生产、太阳能发电为一体的智能化新型设施农业大棚。同时，晶硅组件受硅片原材料尺寸的限制，组件尺寸比较单一。相较而言，非晶硅薄膜式太阳能电池是沉积在玻璃衬底上的，可以根据不同农业大棚的要求实现任意尺寸的随意切割，能够更好的满足客多种农业大棚的定制化需求。2、优势传统太阳能发电需占用大量的土地，这对于土地资源有限的中国来讲是一个不容忽视的问题。而薄膜光伏太阳能发电农业大棚可以充分有效的利用土地资源，使农业用土地资源利用最大化。因为薄膜式光伏太阳能大棚是在不影响设施农业生产的条件下，充分利用大棚顶部空间开展太阳能发电，可以为当地电网提供电力，很好地实现节约土地资源，节能减排，真正实现低碳农业，多重经济效益显现，而且与传统太阳能电站相比，电站可以建在人口密集区，减少了输电过程中的电量损耗。此外，长期以来，我国光伏太阳能产业过度依靠“来料加工”和“海外市场” ，据了解， 我国薄膜光伏太阳能电池加工企业高达 70的产值依赖出口， 有些企业甚至高达 90。近年来，我国设施农业发展迅速，设施农业大棚面积巨大，如将薄膜光伏太阳能电池板应用于设施农业大棚，设施农业大棚有望成为薄膜光伏太阳能电池转向内销市场的一个突破口，市场规模巨大。薄膜太阳能电池的这一用途，有望改变光伏产业的发展态势。二、薄膜光伏太阳能大棚发展现状与存在的问题1、发展现状近年来，随着太阳能薄膜电池制造技术的快速更新，非晶体硅薄膜式太阳能电池已经在德国、美国、日本等发达国家广泛运用于设施农业大棚。据了解，在日本，薄膜光伏太阳能电池板应用于设施农业大棚的市场价值 2009 年为 95 亿日元，在日本政府补助政策的相关刺激下，这一市场到 2020 年有望增长到 420 亿日元。近两年来，薄膜光伏太阳能农业大棚在我国也才刚刚起步，目前仅在山东寿光、河北承德、江苏（南京、常州和泰州） 、江西上饶和鹰潭、湖北武汉、青海乐都、宁夏中卫以及海南三亚等地建有小规模的示范大棚或已立项正在建设中（表1） ，其中部分建成的薄膜光伏太阳能大棚已实现了与当地电网的并网发电。此外 , 薄膜光伏太阳能大棚仅在我国少数几个省市零星地建有示范点，太阳能发电站装机容量一般几十千瓦，建成最大的也不超过 100 千瓦，整体规模不大。不过，较大规模的薄膜光伏太阳能大棚已经在一些省份立项处于正在建设中或正在审批中，如河北承德、广西贺州和湖北武汉太阳能装机容量可达兆瓦级，最大有 120 兆瓦，年发电量可达 1 亿度。说明薄膜光伏太阳能电池应用在设施农业大棚上已得到了一些省市政府领导和专家的共识和重视，同时一些科研院所也在此方面开展相关研究，如中国科学院“霞光工程”与广西贺州 合作的“光伏新能源立体农业产业化”项目已经立项并在建设中。2、存在的问题由于薄膜光伏太阳能农业大棚模式在我国才刚刚启动，而且多为示范区，太阳能装机容量普遍较小，目前并没有大规模推广，还存在诸如前期投入成本较高、太阳能发电与农作物生产相结合关键技术不成熟、运营保障技术不到位以及国家扶持资金比例不高等问题。（一）前期投入成本很高，农业企业或农民独自承担不起目前，我国的非晶体硅薄膜光伏太阳能电池生产线大部分引自国外，国内企业并不掌握太阳能电池制造的核心技术，加之近年来原材料价格步步攀升，导致我国的太阳能电池生产成较高。据调查， 一块 非晶体硅薄膜太阳能 电池板（长 1.4米，宽 1.1 米）的内销价格为 1000 元人民币或 1 瓦 6 元人民币，如果一亩设施农业大棚顶的 2/3 面积安装太阳能电池板（太阳能装机容量 50 千瓦），仅太阳能电池板至少需 30 万元人民币，如果再加上安装费、控制器、变电器、配电箱以及蓄电池等，可能要高达 50 万元，整个 薄膜光伏太阳能农业大棚（玻璃温室类型，内有加温、降温和通风设施）的 总投入大概需要近 80 万元 。 目前我国在建的或已建成的 薄膜光伏太阳能示范大棚均全部由当地政府直接投资，规模较大的才有企业资金参与。因此，如果没有政府资金的投入，完全由企业或个人承担，负担压力较大 , 不利于在大面积设施农业大棚上的应用。（二）薄膜光伏太阳能电池与农作物生产相结合关键技术不成熟传统的太阳能电池是晶硅电池且不透光，近年来快速发展的是薄膜非晶硅太阳能电池，这种太阳能电池的最大优点是可以透光，而且温度系数低，在阴天雨天和雾天也能发电， 常年累计发电量比晶硅电池发电效率可提高 20左右。 据调查，这种薄膜太阳能电池的最大吸收波峰在 400-600nm图 3, 而植物进行光合作用的有效光谱为 440nm的蓝光和 660nm的红光区（图 4） ，在理论上薄膜太阳能电池的最大吸收波峰与植物光合作用的吸收波峰并不冲突，可以通过薄膜分光技术将植物吸收的光透过太阳能电池板供植物进行光合作用，其它的光用来发电。但目前将这种技术应用在设施农业大棚上，是否能完全不影响植物的正常生长还缺乏相应的前期实验研究，而且如何将分光技术与太阳能电池更科学地结合起来，也是一个新的课题，现在研究的很少，都在探索之中。图 3 太阳能电池对不同光谱的透光性图 4 植物进行光合作用的有效光谱（三）已建成的薄膜光伏太阳能农业大棚多为示范工程，与农业生产结合不紧密薄膜光伏太阳能农业大棚虽然在我国多个省份大大小小的已建成了 20 多个，但多数均是概念性的示范性工程。通过到山东、江西等地的示范点调研，发现建成的薄膜光伏太阳能农业大棚大多数均没有充分利用，棚内种植农作物很少，甚至只是一个能利用太阳能发电的大棚，棚内并没有任何农作物。当前，薄膜光伏太阳能农业大棚作为一种新生事物，仅是概念性的展示，并没有和实际农业生产紧密结合，没有起到既能利用太阳能发电，又能进行农作物生产一举两得的双赢效果。（四）配套设施不完善及运营保障技术不到位，导致实际应用效果不理想由于目前大部分的薄膜光伏太阳能农业大棚仅是示范，所以棚内并没有相应的农业生产设施如降温和加温设施。我国大部分地区四季分明，夏天温度普遍很高，冬季温度又很低，如果建成的薄膜光伏太阳能农业大棚内没有相应的降温和加温设施，在炎热和寒冷的季节也很难保证能进行农作物的正常生产。而且大部分农业企业和农民种植者并不掌握太阳能电池的日常维护和保养技术，很多太阳能电池加工企业在建成大棚后并没有后续的运营保障技术服务，一旦太阳能电池出现问题就很难保证能正常运行，因此已建成的大部分薄膜光伏太阳能大棚存在应用效果不理想的状况。（五）太阳能发电量与农业生产用电量不相匹配，与当地电网并网存在较大困难薄膜光伏太阳能大棚能利用太阳能发电，发的电也能应用到棚内农作物相应生产设施上如降温和升温设施，但发电量与用电量并不匹配。比如在炎热的夏季和寒冷的冬天，太阳能发的电量远达不到农业生产用的电量，相反如果是在一般的天气，太阳能发的电量就会超过农业生产用电，就会存在多余的发电量。解决的办法就是与当地电网并网，但目前与当地电网并网存在成本高，并网要求条件苛刻等问题。（六）国家补贴比例不高，影响大规模的推广应用从表 1 看出，建设一个较小规模的薄膜光伏太阳能大棚也要几十万元，规模较大者可能需要几百万元，甚至上亿元。目前我国为了促进太阳能光伏产业的发展而开展的“金太阳示范工程”补贴比例最高为 50，这一比例应用在设施农业大棚上，依然存在投入成本太高，企业和个人承担的风险大，因此影响了薄膜光伏太阳能大棚大规模的推广应用。（七）薄膜光伏太阳能大棚结构承重要求严格，现有农业大棚改造成本高因薄膜太阳能电池普遍采用双玻封装的方式， 组件厚度为 6-7mm， 而常规光伏大棚所用保温玻璃厚度为 4mm左右， 两者厚度相差 2-3mm， 原有的农业大棚结构承重不能满足光伏组件的承重要求，需要对原有农业大棚结构进行改造和升级，这也导致薄膜光伏太阳能大棚的总体投入增加，限制了薄膜光伏太阳能大棚的大范围使用。三、薄膜光伏太阳能大棚发展前景新世纪以来，我国设施农业快速发展，设施农业面积已从上世纪末的不足百万公顷发展到目前的 300 多万公顷，我国的各类农业大棚面积已稳居世界第一，其中高档玻璃温室、塑料大棚的建筑面积已高达 200 多万公顷以上。对于太阳能光伏产业来说，如果能将这些设施农业大棚的顶部空间充分利用，不仅可以节约大量的土地资源，还可以在不影响棚内农作物正常生产的情况下充分利用设施农业大棚本身作为太阳能光伏发电的建筑基础。产生的电力资源可以直接提供给大棚内的照明、卷帘机、灌溉设备、升温和降温设备等使用，还可以供给周围居民和农户生产和生活使用。在当前石油价格不断上涨、能源危机频现，全球气候变暖、节能减排已成为时代主旋律的大背景下，大力发展绿色替代能源，发展低碳经济，促进和实现可持续发展已成为世界各国面临的共同选择。而大力发展太阳能光伏产业，充分利用太阳能发电是解决目前能源危机的最佳选择。薄膜光伏太阳能大棚既是工业项目，又是高效农业项目，具有高效利用太阳能发电，实现低碳农业发展和设施农业智能标准化生产等特点，为各地积极落实国家节能减排政策，发展绿色能源，缓解我国能源短缺问题开辟了一个崭新途径，并且对于促进农业转型升级，提高农业企业和农民收入也具有十分重要的意义。随着我国薄膜光伏太阳能电池技术的不断改进，太阳能光伏发电系统成本的逐渐降低，以及薄膜光伏太阳能电池在设施农业应用领域的关键技术攻关，以及国家扶持力度的不断加大，其在设施农业大棚上的应用前景会非常广阔。四、杭州发展薄膜光伏太阳能大棚条件分析杭州“十二五”提出要加快发展现代农业，以高产、优质、高效、生态、安全为发展导向，完善现代农业产业体系。其中一个重要方面就是要加快我市设施农业发展步伐，促进我市农业转型升级，优先发展低碳农业。1、我市设施农业发展迅速，设施农业大棚面积可观，为发展薄膜光伏太阳能大棚提供了基础条件。据统计，杭州各类设施栽培大棚面积有近 6 万余亩，其中高规格的大棚（玻璃温室）已超 2 万余亩，而目前我市所有设施栽培大棚均以塑料薄膜或普通玻璃覆盖为主。杭州地区光照比较充足，日照时数 1800～ 2100 小时，年平均太阳总辐射量在 100～ 110 千卡／平方厘米之间。据测算 , 一块 1100mm*1400mm的薄膜光伏太阳能发电板平均每天能发电 0.4 度，一个占地一亩的大棚，一年理论上能发电近 4 万度。如果我市的设施栽培大棚大面积采用薄膜光伏太阳能大棚，一年理论上能发电上亿度，不仅能大量节约电力资源，实现低碳农业发展，而且对于改善棚内植物生长条件，发展智能化立体农业，调整农业产业结构，提高我市设施农业装备水平和设施农业单位产值均具有重要的实际应用价值。薄膜光伏太阳能大棚的出现，为加快发展我市现代农业，提高我市设施农业装备水平，促进我市农业转型升级，优先发展低碳农业和智能化立体农业提供了良好的契机。2、我市太阳能光伏产业快速发展，形成了有一定产业基础和技术储备的高科技太阳能光伏企业，为发展薄膜光伏太阳能大棚提供了技术支撑。杭州“十二五”提出要大力发展太阳能光伏产业，加快以太阳能光伏为核心的新能源产业发展，加大绿色能源的示范与应用。特别是近两三年来，杭州太阳能光伏产业快速发展，形成了相当数量有一定产业基础和技术储备的高科技太阳能光伏企业。据统计，全市涉及太阳能光伏产业的企业有 38 家，形成太阳能电池产量约 255MW ，实现销售产值 26.17 亿元。其中在薄膜光伏太阳能电池生产方面有天裕光能、正泰太阳能、万向太阳能、绿华能源、龙焱能源等一些核心竞争力强的企业引进了国外先进技术，建有技术先进的生产线；而且在光伏发电系统组件与应用领域也有天裕光能、正泰太阳能、万向太阳能、浙大桑尼能源、舒奇蒙光伏、联龙电子、龙驰幕墙等企业多有涉足。甚至在非晶微晶硅薄膜电池以及单晶硅薄膜电池的新产品研发方面也有企业和科研院所在进行技术攻关。总之，我市太阳能光伏产业的基础为大面积发展薄膜光伏太阳能大棚提供了有力技术支撑。3、设施农业大棚有望成为我市太阳能光伏电池转向内销市场的一个新途径我市太阳能光伏企业以中小企业为主并严重依赖海外市场，据统计，太阳能光伏产业的产值有 80通过出口获得，有些企业甚至达到 90。近年来，由于美国金融危机的影响，加之去年以来的欧债危机不断蔓延，导致全球经济增速下降，海外消费市场明显下降，以致我市太阳能光伏企业出口量下滑。开拓国内市场成为太阳能光伏企业可持续发展的一个迫切要求，在国内传统光伏太阳能电池利用多依赖城市建筑如我市实行的“阳光屋顶示范工程”中的光伏建筑一体化、光伏屋顶、光伏电站、光伏路灯等，或占用大量土地发展太阳能，但这对于寸土寸金的杭州来讲已不可能，而光伏太阳能电池大量应用在设施农业大棚上有望成为我市太阳能光伏电池转向内销市场，大力拓展国内市场的一种新途径。五、杭州发展薄膜光伏太阳能大棚建议与举措杭州提出今后要大力发展现代农业，就是要优先发展设施农业，发展精品农业。当前我市设施农业发展迅速，设施农业单位面积产值和农业大棚整体建设水平在全国位于前列，可观的设施农业大棚面积以及完整的太阳能光伏产业链为我市优先发展薄膜光伏太阳能大棚提供了硬件条件。1、提高政府相关部门对发展薄膜光伏太阳能大棚的重视，加大财政资金资助比例薄膜光伏太阳能大棚在我国才刚刚起步，全国仅少数几个省建有示范点，目前在我省还没有一家农业企业开展相关研究。要加强对薄膜光伏太阳能大棚的情报调研，引起政府相关部门的重视，在取得共识基础上，为了更好地推动薄膜光伏太阳能大棚在我市的应用与推广，使农民得到更多实惠，建议政府在参照“金太阳示范工程”项目补助 50的基础上，将资助比例提高到 70或更高。2、建议政府科技部门设立专项资金，优先资助企业或科研院所联合开展相关技术研究由于薄膜太阳能智能化立体农业是发展现代农业的一种新模式，也是一种新的探索，需要得到政府的大力支持，以及相关企业和科研院所的合作与共同研发。其中薄膜太阳能电池分光性及其在农业大棚上的应用技术是提高太阳能利用效率的关键技术，研究内容涉及工、农业领域的多个学科，研究内容多、投入大，需要集成各方面的科技力量联合攻关，因此建议将薄膜太阳能电池在设施农业大棚上的应用性研究列入我市每年的科技支撑计划，设立专项资金给予支持。并鼓励农业企业或农业科研院所与光伏太阳能企业加强合作，开展前期技术研究和大规模应用的可行性研究。3、加强薄膜光伏太阳能电池与不同大棚类型的技术融合研究，开发符合我市能大面积推广应用的不同类型的薄膜光伏太阳能农业大棚近年来，我市设施农业发展迅速，设施农业大棚整体建设水平较高，有大面积生产蔬菜的一般农业大棚，也有生产高档花卉的设施装备水较高的智能化玻璃温室。要针对不同类型的农业大棚开展相关技术融合研究，使光伏太阳能电池均能应用在我市主流农业大棚上，达到成本较低、安装简单、操作方便、使用效果较好的目的。4、加强光伏太阳能电池与 LED在设施农业上应用的集成研究，为发展智能化立体精品农业提供优良的农业装备光伏太阳能产业和 LED产业同为我市重点发展和扶持的战略性新型产业，在我市未来经济发展中起着举足轻重的作用。将节能光源 LED与太阳能光伏发电系统相结合应用在设施农业领域尤其是智能化的植物工厂，可以大幅度减少农业温室大棚对对常规能源的依附，实现设施农业的高效生产，必将是未来智能化植物工厂的一个重要发展方向。要鼓励企业和科研院所加强光伏太阳能电池与 LED 在设施农业上应用的集成研究，一方面可以提升我市设施农业的装备水平，为发展科技含量较高的智能化立体精品农业提供新型、高效、节能、环保型的农业装备，同时也为光伏太阳能产业和 LED产业的可持续快速发展开拓广阔的国内市场。5、加强与电力部门沟通，为薄膜光伏太阳能大棚大面积应用提供并网技术支持由于薄膜光伏太阳能大棚的发电量存在与大棚内植物生产相应设备如风机、水泵、喷灌系统等用电量并不相匹配的时期，因此大棚内电网也需要接入当地电网，需要当地电力部门的支持与配合，降低一定入网条件，提拱技术支持。薄膜光伏太阳能发电系统的寿命为一般为 20 年－ 30 年，使用过程中无需投入。随着薄膜光伏太阳能电池技术的日渐成熟，太阳能电池成本的降低，以及系统集成技术的进一步完善，首次投入成本必然会逐渐降低。同时，国家大力提倡使用太阳能等清洁能源也会是太阳能光伏发展的巨大推动力，相信在我市各相关部门的重视和支持下，薄膜光伏太阳能电池在设施农业上的应用会有十分广阔的发展前景。