“葡萄+光伏”模式可行性分析與實踐

基 金 項 目 ：現代農業產業技術體系建設專項資金資助（CARS-29）；浙江省農業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”“江南吐魯番”的美譽。“浦江葡萄”是國家農產品地理標志登記保護產品。2023 年，浦江縣葡萄種植面積 0.45 萬 hm 2 ，產量 13.40 萬 t，總產值超過 14億元 。現有葡萄專業合作社 149 家、家庭農場 649家、種植戶 1 萬多家 [2] ，戶均收入超過 13 萬元，以設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）是太陽能光伏發電系統（photovoltaicpower system）的簡稱，是利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能轉換為電能的發電系統，是一種新型環保型能源。2023 年，光伏產業規模位居全球前五的國家分別是中國、美國、德國、巴西、印度，五國總規模占比達 86.7%。中國光伏規模全球第一，2023 年新增光伏發電裝機規模達216.9 GW，占全球新增總量的 62.6%。

光伏+農業是在農業生產中加裝光伏發電的立體融合農業，又稱農業光伏（APV），可分為光伏種養、光伏水利、光伏村舍、光伏生態等模式，都是為實現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、光伏發電為一體的雙產農業，可實現最大限度地利用土地資源和葡萄產業特色，葡萄種植和光伏發電融合增效。2020 年在浦江縣開展設施葡萄與光伏發電融合探索，經科學設計與葡萄農藝結合，在保障葡萄產業優勢的前提下，接入光伏產業，提升單位面積效益。歷經 3 年多的探索完善，驗證模式可行、效益可觀。

1 國內外光伏農業情況

1.1 中國光伏農業

在土地低價或平價的區域建設光伏大棚，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化率技術的提升，回本的時間會更短 。集成光伏溫室系統的年投資回報率可達20%，投資回收期約 4～8 年 。光伏高且穩的收益促進中國光伏產業規模迅速壯大，鑒于光伏板下的空間閑置，“光伏+農業”應運而生。中國光伏農業發展起步較晚，現也已初具規模。據不完全統計，2021 年，中國的光伏農業超過 40 GW。鄒城農業食用菌大棚光伏電站是中國最大的光伏農業并網的電站。光伏農業的發展可提高土地利用率和太陽能利用率，推動清潔能源建設，又可以增加額外的經濟收益。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“農光互補”“林光互補”等有效途徑，實現糧食安全、生態保護、農民利益和企業效益共贏；江蘇省明確要求，光伏復合項目要確保農業產量不低于同地區平均水平的 80%。中國光伏農業由 2013 年的初期實驗階段、2017 年政策扶持和示范推廣階段、2020 年技術創新與應用拓展階段，目前處于規模化發展與可持續探索階段。現階段中國光伏農業仍存在部分難題：一是重光輕農；二是農光不協調，無法達到二者最大化的共贏；三是光伏組件的壽命與農業設施的壽命不對等 。從設備角度來說，也存在著成本高、生產與光伏協調難、管理和維護成本高、光伏產品可靠性、光伏板透光率低、光伏發電利用率低等問題。

1.2 國外光伏農業

國外光伏農業主要集中在歐美和日本地區，歐美多運用晶硅電池和玻璃溫室，光伏技術先進，機械化水平高，通過數理計算、神經網絡、人工智能等方式進行溫室環境控制，實現農業與光伏相融增效。德國的阿爾默河大棚外增設 15%的光伏，可滿足整個省居民用電需求 。日本的農業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合 。國外農業光伏在栽培配置、結構設計等方面已積累豐富經驗，產業也已取得了顯著成效，值得借鑒。

2 浦江縣葡光復合產業發展條件

2.1 自然資源條件

浦 江 縣 位 于 東 經 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，氣候環境適宜葡萄的生長 。

根據 Meteonorm 氣象庫數據，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），與葡萄生產所需太陽能輻射量的時間一致。根據 GB/T 37526-2019《太陽能資源評估方法》，該地區太陽能資源的豐富等級為豐富（根據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），屬發展光伏優勢區。

圖 1 浦江縣太陽能月均輻射量

2.2 葡萄設施情況

2020 年，浦江葡萄設施化栽培率達 100%，多為單拱鋼架棚，歷經 40 余年產業化的發展，受鋼棚壽命、自然災害等因素影響，葡萄生產設施每年均有一定量的更新，連棟大棚是當前更新設施的首位。連棟大棚具備高度高、土地利用率高、結構牢固、易機械化等優點。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。

2.3 相關政策

德國、美國、日本等國均將光伏電作為可再生能源發展，出臺發展補貼、凈電表計量法等措施來促進光伏產業發展。2015 年，國務院將光伏扶貧列入“十大精準扶貧工程之一”。2023 年，浙江省發布關于印發《浙江省“共富光伏農業提升工程”創新引領工作方案》的通知，以加快光伏農業建設，為光伏農業的發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中重要技術措施，應根據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，同時減少設施構造遮陰對葡萄生產的影響。

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、設施結構安全性、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 生產操作與安全性

連棟大棚生產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，可根據光伏對光照條狀影響的情況，構建與棚長平行的葡萄樹體結構，減少天溝對葡萄光合作用影響。經連續 3 年的生產觀察發現，加裝光伏對葡萄產量和質量無負面影響。

本試驗設計中，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

根據浦江縣年太陽能輻射總量 1 377 kW·h/m 2 ，光伏及多重轉化后綜合轉化率 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，根據光伏板每年效率衰減及當前浙江省光伏電上網價 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濟效益更顯著。

本試驗光伏發電系統投資 14.93 萬元（約 9.28元/Wp），遠高于規模光伏發電建設投資成本 1.2～2 元/Wp。規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，規模批量安裝成本應低于當前規模投資成本，效益高。

4 應用實踐

4.1 光伏連棟大棚發電情況

2020 年，在浦江縣鄭宅鎮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設施。

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（受逆變器效率、集電線路損耗系數、光伏組件表面污染系數、修正系數等參數影響）因設計因素較多，初期將其按照 80%取值，因此該光伏發電系統理論年發電量應為 17 900 kW·h。

2021—2023 年，光伏實際發電量分別為18 955 kW·h、17 860 kW·h、17 180 kW·h，較預測發電能量略高，與近年實際天氣情況有關。

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 ，根據光伏板寬度和高度進行仿真測算并結合照度儀實地測量，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）。經測算，葡萄棚內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 年經產量、成熟期、成熟果可溶性固形物含量等指標的現場測評結果均與其他連棟大棚無顯著差異。

4.3 效益評估

經濟效益。本試驗安裝 16.08 kWp 光伏發電系統，按規模建設投資成本上限 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，經濟效益可觀。浦江縣現有設施葡萄栽培面積約0.45 萬 hm 2 ，“葡萄+光伏”模式全面推廣，全縣年可凈增產值約 3 億元。

環境效益。光伏發電建設在節能減排上起到積極的示范作用，每節約 1 kW·h 電，相當于節省標煤 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電板，產生的環境效益可觀。

5 小結與討論

5.1 葡光復合可行性高

“葡萄+光伏”模式，根據葡萄栽培設施、生產中需光規律，經科學規劃，葡萄與光伏融合可實現不影響葡萄生產的前提下增加光伏產效。本試驗探索因規模小而采用現有批量生產的光伏板規格，光伏板面積占農地面積的 12.14%。結合葡萄優質高產結果枝伸展 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%，棚內葡萄采用間距 3 m 的兩條結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。

結合地塊與設施實際情況，根據規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。光伏產品技術的進步提升或成本降低、安裝靈活可調光伏板的位置也可進一步提升收益，需要結合葡萄、光伏、安全性、成本等進行科學設計和測算。

5.2 葡光與農藝融合

葡萄是浦江縣農業支柱產業，每 666.7 m 2 年產值在 2～10 萬元，且“浦江葡萄”品牌遠近知名。葡萄與光伏產業融合應優先確保葡萄產業健康發展，再最大可能提升光伏的效益。葡萄和光伏都依靠陽光生產，如何讓二者各自發揮作用，減少相互帶來負面的影響。利用葡萄需光的季節性，通過農藝措施調節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影響較小 。董凱向等研究表明，綜合考量葡萄品質和光伏板發電效益時，在吐魯番地區宜選擇光伏板間隔 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”為新產業模式，需要符合當地的農田利用、光伏發電政策，建設前應先咨詢當地政府的農業農村、自然資源、供電局等相關部門的具體政策情況，在政策許可且發電方便出售前提下建設。

連棟大棚加裝光伏，最好在生產設施更新時設計安裝，確保安全性和農業操作性，并結合葡萄栽培農藝措施，做到棚上發電、棚下生產。

光伏電池板設計與使用壽命是 25 年，農業設施設計與使用較多是 15 年，質量好的大棚可使用 30年，因此“葡萄+光伏”新產業模式建設中應提高連棟大棚材料質量，并安排好預算。