基于光伏技术的都市农业发展

66江西社会科学 2014 ． 4基于光伏技术的都市农业发展■ 汤 飞 洪再生 丛安琪城乡统筹发展时期， 依托城市 、 服务城市 、 适应城乡建设发展战略的都市农业理念， 是我国社会主义农村发展的新趋势 。 然而， 能源短缺和环境污染已成为日益严重的问题， 光伏新能源的应用能缓解能源危机 、 减少环境污染 、 降低农业生产成本 。 因此， 通过农业资源多元开发和光伏新能源的合理利用， 建设现代都市农业园区， 可以发挥好都市农业的生产功能 、 生态功能 、 生活功能和教育功能， 拓展农村建设发展新途径 。[ 关键词 ] 光伏新能源； 都市农业； 都市农业园区[ 中图分类号 ] F323 ． 3 [ 文献标识码 ] A [文章编号 ]1004 － 518X （ 2014 ） 04 － 0066 － 04汤 飞， 天津大学建筑学院博士生；洪再生， 天津大学建筑规划设计研究总院院长， 教授 、 博士生导师；丛安琪， 天津大学建筑学院博士生 。 （ 天津 300072 ）纵观国内外城市建设发展历程， 城市的雏形都孵化于各自地域的农耕文明， 农耕文化在构建城市系统过程中发挥着不可替代的作用 。 而都市农业服务于城市 、 依托于城市， 是推动城乡统筹发展的有效途径， 农村业态的多样性转型发展， 是加快农业现代化建设的必然趋势 。 因此， 发展都市型现代农业是实现农业可持续发展的需要 。光伏农业是将太阳能发电技术， 广泛应用到现代农业种植 、 养殖 、 灌溉 、 病虫害防治以及农业机械动力提供等领域的一种新型农业技术， 光伏新能源发展与都市农业理念的有机结合， 可实现资源整合 、 优势互补 、 共同发展 。光伏生态农业不仅可以节约大量的土地资源， 而且可以最大限度地利用太阳的光热资源对温室进行加温，从而保证蔬菜等园艺作物的正常生产 。 因此， 发展光伏生态农业是调整农业产业结构， 发展绿色农业的重要手段和有效载体 。 光伏生态农业示范项目的实施， 对于进一步加快光伏产品的示范应用，加快工业与农业的融合，加快光伏产业与现代农业产业的对接，不断提高生态农业技术水平， 引领 、 示范 、 辐射 、 聚集和带动农业产业持续快速健康发展具有重要的意义 。一 、 都市农业的内涵和特征（ 一 ） 都市农业的内涵都市农业的研究，最早出现在日本 、 美国和欧洲等发达国家 。 1930年， 《 大阪府农会报 》 杂志最早出现 “ 都市农业 ” 一词 。 随后， 日本地理经济学家青鹿四郎在其 1935年的著作 《 农业经济地理学 》 一书中说道： “ 所谓的都市型农业是分布在都市内的工商业区 、 住宅区等区域内，或者是分布在都市外围的特殊形态的农业 。 ” 他首次对“ 都市农业 ” 进行了学术定义 [1 ] (P2)。 1977年， 都市农业的概念被美国农业经济学家艾伦 · 尼斯在其论著 《 日本农业模式 》 中正式提出 [ 2]。 随着世界城市的发展和社会生活方式的变化， 对都市农业内涵的界定日益丰富 。 其中，2014 年第 4 期67基于光伏技术的都市农业发展日本和德国所推崇的狭义都市农业认为，都市农业就是镶嵌在城市各个地块之内的小块农田， 包括建筑物阳台 、庭院， 城市街巷空间的小型园地 、 农业主体公园 、 休闲农庄等， 是城市市民休闲消遣的公益性城市内部农业 。 本文立足于新型城镇化的时代背景，融合城乡协同发展的内涵， 认为现代都市农业应该是在城乡一体化发展背景下，以城镇体系统筹规划为依据，并结合现代高新科学技术的农业发展方式， 以满足城乡农业生产 、 生态环境 、 社会经济等需求为前提， 构建业态多维化 、 功能多样化 、 产业多元化 、 可持续发展为一体的农业产业体系， 主要包括精细农业 、 休闲农业 、 体验农业 、 教育农业等农业形态 。（ 二 ） 都市农业的特征都市农业是城乡社会经济一体化发展的必然产物，是在传统农业基础上衍生出来的新型农业发展模式，是依托于城市并服务于城市的城乡互动协调发展途径 [3]。其既是一种能满足城乡居民生产生活 、 科教文化 、 生态保护一体化建设的新型农业体系，又是一种市场化 、 规模化 、 专业化 、 智能化较强的现代化生态产业 。 都市农业依托于城市 、 服务于城市， 成为城市经济社会发展 、 功能结构升级 、 生态系统培育的新路径， 其特征主要表现在以下几个方面 。1． 城乡融合 。 自古以来城乡界限泾渭分明，城市往往都是工商服务业的集聚地，而农林牧渔业则通常分散在广袤的农村 。 随着城镇化进程的快速发展， 新的农业发展理念逐步开始动摇传统观念的根基 。 一方面， 大城市群的出现所带来的资源集聚和共享，使处在大中小城镇之间的农村， 无论在区位 、 交通 、 资源， 还是信息方面都享有与城镇相当的便利； 另一方面， 随着城镇化的不断推进，一部分原处于城市边缘区的农田保留下来，在城市内部建立起观光农业和游乐园， 形成城市内部的插花型农业，由此构成城市与乡村浑然一体 、 相互交织 、 互相渗透的空间结构， 表现出 “ 都市中有田园， 农村中有城镇 ” 的城乡融合发展特征 。2． 功能多元 。 都市农业的功能多元性，主要表现在第一产业向第二 、 三产业渗透和延伸过程中， 农业生产和旅游发展多元化建设， 为城市居民生产生活 、 休闲娱乐提供服务的同时获得经济效益 。 因此， 要满足城市居民多方面的需求，不仅要充分利用城市提供的现代化生产设施和科技成果， 为城市提供农副产品等生活资料， 而且要为城市居民营造生态环境优美的休闲观光娱乐场所，以及传统农耕文化教育基地等多方面的服务 。 所以， 生态社会效益和经济效益共同追求的本质，使都市农业同时具有生产 、 生态 、 文化 、 教育等多方位的功能， 这也决定了都市农业生产经营形式 、 形态和功能的多样性特征 。3． 智能集约 。 相较于传统乡村农业粗放的经营模式， 都市农业发展的农业资源要素 、 生产环境 、 产业技术特征和功能结构等方面， 都存在一定的限制因素 。 因此，为追求相应的经济利益， 都市农业只能转向资本机制 、 技术密集 、 土地集约的经营模式， 利用相对有限的土地资源精耕细作，运用智能化的农业生产技术和管理手法集约经营， 以实现农业生产方式的现代化 、 企业化 、 规模化 、 市场化， 以及生产 、 加工 、 销售一体化， 构建高附加值 、 高品质 、 高科技含量的精细化农业生产体系 。4． 市场主导 。 市场主导突破传统农业生产过程中 “ 小农思想 ” 的束缚， 摆脱传统农业发展过程中过度地域性的观念， 秉承农业生产加工 、 销售贸易适应大城市和国际市场需求的观念， 依托城市发达的交通流 、 信息流和市场，进行全方位 、 跨区域的农业生产合作和农产品交易 。 在市场力的主导下， 都市农业通过广阔的市场网络将农业生产者与世界各地的开放市场联系在一起， 根据市场需求有效地进行生产要素合理配置 。 通过市场力对农业产业化的带动作用， 提高农业生产的专业化水平 。二 、 光伏新能源在农业生产中的应用（ 一 ） 太阳能光伏发电系统的应用太阳能光伏发电系统按照与市政电力系统的连接与否， 分为并网发电系统和独立发电系统 [4]。 其中， 并网发电系统包括分散式和集中式两种装机模式 。 由于分散式并网发电系统容量较小 （ 几千瓦到几十千瓦 ） ， 适合我国农村发展需要， 因而较为常见 。 光伏电池发出的直流电通过该系统中的逆变器之后，逆变成与市政电网同频同相的交流电，进而并入市政电力系统中供农村居民生活生产使用 （ 见图 1） 。（ 二 ） 光伏新能源在农业温室补光系统中的应用68江西社会科学 2014 ． 4太阳能 板蓄电池逆变器并网电源控制品智能补光系统家用电器光周期光质光强空调系统能量转 换输出器LED 节 能 照 明控制系统能量存储器智能扬水系统图 1 光伏发电智能控制系统示意图智能总控器注： 1． 农业温室大棚屋顶表面覆盖透光性薄膜太阳能电池组块； 2． 多层植物工厂； 3． LED 植物灯； 4． 太阳能电池组块直接和 LED 植物灯链接 。资料来源： 杜容熠 《 太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电的直接应用 》 ，《 现代农业科技 》 2010 年第 22 期 。现阶段，在以农业温室工厂为主导的高效农业生产过程中，生产者通常会利用科学合理的人工手段，控制和改变温室大棚内的小环境，进行反季节蔬菜 、 瓜果以及高经济附加值的农副产品生产， 如通过 LED植物灯照射植物，将平面种植向立体多层次种植方式发展 （ 见图2） 。 传统的人工补光方式是在封闭式的植物苗大棚中采用人工光源 （ 荧光灯 ） 照射， 碳排放量高且耗电量较大 [5]，而光伏发电是通过太阳能硅片将太阳辐射能转化成电能的发电方式 。 将光伏发电技术直接运用到现代农业种植中，即解决了人工补给方式的高能耗问题，又有效地降低了农业生产成本 。（ 三 ） 太阳能光伏提水系统在农业生产中的应用太阳能光伏提水系统是利用太阳辐射能转化为电能之后，用于驱动水泵进行抽水的人工智能系统，即太阳能光伏扬水系统 （ SolarWaterPumpingSystem） [6]。 由串并联之后的太阳能电池组件转化太阳能为电能之后，通过光伏扬水逆变器的控制和调节作用，将直流电转变为交流电来驱动水泵 。 该技术既能根据日照强度变化进行智能的实时调节输出频率，又能对最大功率点进行即时跟踪， 最大限度地利用太阳能 （ 见图 3） 。三 、 都市农业园区发展策略（ 一 ） 构建现代农业科技创新示范区以光伏新能源利用为核心，综合应用物联网及绿色建筑等新兴技术 。 首先， 将光伏方阵与建筑相结合， 在应用清洁能源 、 节约土地的同时， 运用诸多绿色建筑技术，实现建筑节能减排； 其次，把物联网技术贯穿于农产品的储藏 、 加工 、 销售 、 物流运输等环节， 形成从生产到加工销售一条龙的现代农业产业链； 然后，推进各种农业新技术与园区农业科普展示功能布局的结合，打造科技创新示范基地， 从 “ 科技创新示范区 ” 这一概念出发， 把“ 国内国际科技领先 ” 作为最大的特色进行打造， 这是保证园区旺盛生命力的重要举措 。（ 二 ） 构建生态农业示范区运用先进生态技术， 形成园区内能源循环， 倡导生态循环理念， 营造绿色的生产环境 。 运用先进科学技术成果和现代管理手段， 通过设计生态工程， 协调经济发展与环境之间 、 资源利用与保护之间的矛盾 。 增加园区内部产业的联系， 如稻壳 、 秸秆 、 家禽粪便等农业废弃物可统一回收， 经加工后供给各功能区使用， 实现能源自给 。 重视先进的水处理技术， 如建立人工强化湿地， 对园区内生活污水及生产废水进行处理， 达到水质标准后统一排放 。图 2 光伏补光系统示意图光伏阵列由多块太阳能电池组件串并联而成，将太阳辐射能转化为电能，为整个系统提供动力电源 。水泵由三相交流电机驱动，从取水水源中抽水，可注入蓄水系统或直接与灌溉系统和喷泉系统对接 。资料来源： http: / / www． baike ． com / wiki /图 3 光伏扬水系统示意图光扬水逆变器将光伏阵列发出的直流电，转换为驱动水泵电机所需要的三相交流电，根据光源强度的变 化 实 时 调 节 输 出 频 率 ，保证系统最大功率输出 。3214太阳能Sotqr Energy扬水逆变器Inverter水泵Pumps光伏系列Pv Array69基于光伏技术的都市农业发展表 1 项目发展建议核心展示区 家庭大棚区 企业大棚区 农耕文化展示区大棚布局 不同造型 、 体量的光伏大棚 小型独栋光伏大棚 连排光伏大棚 未布局光伏大棚作物建议选择世界各地名优品种栽培育种， 应用高科技 低 能 耗 栽 培 技术， 采用无土栽培 、 立体空间利用等多种新奇特种植形式 。选择常规蔬菜， 瓜类中的黄瓜 、南瓜 、 西瓜 、 甜瓜等， 茄果类中的番茄 、 茄子 、 甜（ 辣） 椒， 绿叶类中的芹菜 、 莴苣等 。选择集美食与观赏为一体的蔬菜品种（ 樱桃番茄 、 五彩椒等） ，或特色蔬菜（ 芽菜类， 绿叶保健类及瓜类） 。 实施 “ 季节茬口 ” 或“ 土地利用茬口 ” 集中种植计划 。为了与光伏大棚中的植物产生对比， 主要种植当地特色水稻等主产地农业种植品种， 凸显农耕原始状态 。棚态设计建议在光伏硅片下建设形态各异展示区， 依据植物生长方式和需要条件， 对不同植物进行科学 、 合理和充满创意的组合搭配 。小型独立式光伏大棚建设方式，考虑到家庭劳动能力， 建议建设小体量光伏大 棚， 内 部 种 植 品种 、 方式及标准可自行安排 。连排光伏大棚建设方式， 内部可有小面积地块分割 。 不出现具体光伏大棚形态 。（ 三 ） 构建以农业观光体验为核心的旅游发展示范区引用 “ 创意农业 ” 理念， 打造现代农业产业链， 在现代技术 、 装备的支撑下，用文学创造审美意境的手法也就是农耕文化创意产业的方法，来完成农业生产的全过程 。 一方面， 丰富农业生产的文化内涵， 延长农业生产的产业链，增加农业生产的附加值，提高农业生产者的收入； 另一方面， 对于消费者来说， 在不断满足对农业提供的各种食品需求的前提下，同时享受到了良好的生态环境， 学习或重温了丰富的文化知识， 满足了只有在文学 、艺术作品中方能享受到的审美情趣，而且将现代城市人强烈的回归自然 、 强身健体 、 陶冶情操等多种本能需求，在同一时间 、 地点 、 行为中实现 。(四 )充分利用功能区引进合适项目 （ 见表 1）以光伏科技农业展示 、 农耕养生度假和禅修疗养为主题， 结合良好的水资源， 构建集科技展示 、 会议接待 、温泉度假 、 文化体验等功能为一体的核心展示区 、 会议接待区 、 温泉度假区 、 农耕文化体验区 、 田园大地景观区和光伏大棚区 。合理利用生态资源，为园区农林业生产创造良好的自然条件 。 重点体现园区独具的光伏科技特色，科学可持续利用较好的生态环境条件， 科学规划 、 合理布局， 丰富现代农业产业项目 。四 、 结语与展望都市农业发展研究涉及内容繁多， 需要从多学科 、 多维度 、 多层次的视角充分考虑各种经济 、 社会要素进行统筹考虑 。 随着 《 太阳能光伏产业 “ 十二五 ” 规划 》 的颁布实施， 全国大部分地区已将太阳能光伏生态大棚电站的建造模式， 划为 “ 光伏建筑一体化 ” 示范项目， 并享受国家财政补贴 。 因此， 应该开展独创性专业技术的研究， 改变农业生产者在价值观和技术水平上的差距， 利用科技创新 、高效紧凑 、 发展有序 、 布局合理的空间规划设计方法， 对城乡统筹可持续发展提供规划策略支持 。光伏新能源在都市农业园区建设过程中的综合运用，是新能源与都市农业理念有机结合的尝试，然而该领域的相关理论研究成果与实际建设项目相对匮乏 。 在城乡统筹发展的总体基调下，未来很长一段时间内，我们仍然需要将光伏新能源利用在众多都市农业园区，并尝试将更多的新能源综合应用于改善农村生活与农业生产方式上 。 因此，需要对这一课题开展深入广泛的探索和完善 。[ 参考文献 ][ 1 ] 俞菊生 ． 中国都市农业 —— — 国际大都市上海的实证研究 [ M ]． 北京 : 中国农业出版社 ， 2002 ．[ 2 ] 方志权 ， 吴方卫 ， 王威 ． 中国都市农业理论研究若干争议问题综述 [ J] ． 中国农学通报 ， 2008， (8 )．[ 3 ] 蔡建明 ， 罗彬怡 ． 从国际趋势看将都市农业纳入到城市规划中来 [ J] ． 城市规划 ， 2004， ( 9 )．[ 4 ] 董有尔 ， 等 ． 太阳能光伏发电系统应用研究 [ J] ．山西大学学报 （ 自然科学版 ） ， 2013， ( 1) ．[ 5 ] 杜容熠 ． 太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电的直接应用 [ J] ． 现代农业科技 ， 2010， (22 ) ．[ 6 ] 杨志斌 ， 等 ． 太阳能光伏提水系统在海南农业中的应用 [J] ． 热带农业科学 ， 2013， ( 2)．【 责任编辑： 陈保林 】