光伏农业中电站光资源分布研究

 光伏农业是近年来光伏电站投资建设的热门话题。为了突破光伏电站用地的困境，农光互补光伏电站项目在国内外得到快速发展，国家政策对光伏农业项目给予补贴支持。

在光伏农业的快速发展中，令光伏从业者、设计院等比较困惑的事情是，普通的光伏电站下、农业大棚下种植什么最合适，效益最大。而目前作为农光互补主要形式的光伏大棚工程状况令人震惊，如《光能》2015年5月刊，第85期张喆《光伏大棚or大棚光伏》中提到，某山地食用菌生产基地，其实是假借种蘑菇圈了一大片山地。某国企江苏的1000亩农业大棚已经并网发电，但是大棚地下却是野草……因此，光伏电站与农业等如何完美结合，迫切需要解决农作物种植问题，该问题亟待深入研究，本文以光资源分析作为主题探讨相关问题。

一、光对万物的意义

关于上帝用六天创造宇宙万物，《创世记》是这样记载的：第一天，上帝说要有光，就有了光；第二天，上帝说要有天空，就有了天空；第三天，上帝说要有陆地和海洋，就有了陆地和海洋；第四天，上帝说要有太阳和月亮，就有了太阳和月亮；第五天，上帝说要有鱼和飞鸟，就有了鱼和飞鸟；第六天，上帝说要有动物和人，就有了动物和人。

从上帝创造万物的过程，我们可以看到，有了光才可以生万物。光是太阳辐射能以电磁波形式投射到地球表面上的辐射线。光主要来自太阳辐射，其他星体的光仅占极小部分。光是生命的极为重要的生态因子之一。地球上所有生命都是依靠进入生物圈的太阳辐射能流来维持的。太阳辐射对地球表面和水体不仅带来光照，还直接产生热效应。光能影响有机体的理化变化，从而产生各种各样的生态学效应。

（1）光对动物和植物的生存提供能量的来源。动植物对光的刺激都会产生一定的反应，如视觉、繁殖、发育、行为、分布等。

（2）光直接影响植物的光合作用和色素的形成。没有光，绿色植物难以生存。水环境的光照条件远远不及陆地，即使在水的上层，光照强度也较空气中小得多，在水体的深处则是永远黑暗的。因此光在水生植物的生活中具有特别重要的生态意义。没有阳光，绿色植物就不能进行光合作用，也就不能生存。光不仅影响植物的生活，还影响植物的分布。在陆生植物中，有些只有在强光下才能生长得好，如松、杉、柳、槐、玉米等；有些只有在密林下层的若光下才能生长得好，如药用植物人参、三七等。

（3）光对于动物的重要意义，一方面是通过植物和影响其他环境因素的动态而产生的间接关系，另一方面主要起着信号作用，对于动物的行为和生理上有很大影响。在有些情况下光是动物生活中所需要的环境因子之一。阳光，对动物的影响也很明显。阳光能够影响动物的体色。例如，大多数鱼身体背部的颜色较深，腹部较浅，这就与阳光的照射有关系。光照还能影响动物的生长发育。有人做过这样的实验：把蚜虫培养在连续无光照的条件下，所产生的个体大多没有翅；把蚜虫培养在明暗交替的条件下，所产生的个体大多有翅。然而，光对动物的深刻影响在许多方面还没有充分的了解，因为光对有机体的作用可能是直接的，也可能是间接的，还有可能是通过对其他环境因子的影响而起作用。

光资源是光伏电站建设的核心要素，当场地、电网等条件合适，即可建设光伏电站，戈壁滩、山地等均可，但戈壁滩、山地等缺水的地方可能并不适合农业生产。影响动植物生长的因素有很多，阳光、温度、水、空气湿度、土壤中的养分、空气的成分等等。其中阳光和温度对作物的影响最大，而光伏电站对环境温度的影响有限，光伏大棚的温度也是可调的，因此本文主要分析光伏电站中、农光大棚中光资源的分布。

二、项目所在地光资源分析

2.1 我国光资源分布

我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。

我国太阳能资源分布图

按照日照辐射强度上图中将我国分为四类地区。

一类地区（最丰富带）

全年辐射量在6300MJ/m2以上。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等地。

二类地区（很丰富带）

全年辐射量在5040～6300MJ/m2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。

三类地区（较丰富带）

全年辐射量在3780～5040MJ/m2。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

四类地区（一般带）

全年辐射量在3780MJ/m2以下。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。

二、三类地区，年辐射量不小于3780MJ/m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。四类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

表1 我国光资源分布划分

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2.2 项目所在地光资源分析

本农光互补项目位于安徽宿州。宿州简称为“宿”，安徽省地级市，宿州市位于安徽省北部。地理位置东经116°09′-118°10′、北纬33°18′-34°38′。襟连沿海，背倚中原，素有安徽省北大门之称。

宿州市位于黄淮平原南端，属北温带半湿润季风气候，是南北冷暖空气交汇的过渡地带，季风气候明显。宿州四季气候变化大，冬季的时间比较长，有四个月之久，比较寒冷；夏日炎热，持续时间较长；春秋两季很短，气候适宜，雨水适中，空气潮湿。宿州多年平均降雨量为840mm左右，降水量的年际变化大，最大年降雨是最小年降雨的3．2倍，5-9月份降雨占年降雨量的四分之三，常以大雨、暴雨、特大暴雨形式出现，极易发生洪涝灾害。

根据宿州的水平面光资源分析，该市年辐射量为1351.9kWh/m2，即4866.84MJ/m2。属我国第三类太阳能资源区域，非常适合建设太阳能光伏发电项目。

表2 宿州气象要素

三、农光互补不同模式光资源分析

3.1 模式1光伏电站与农业的简单结合

光伏和农业的简单结合，是在光伏阵列间距中，种植农作物，两者结构上是独立的，在空间布局上相互结合，选择种植低矮的农作物，或者提高光伏组件高度，保证种植的农作物的高度低于光伏阵列，避免影响光伏发电。

光伏电站建设方案：

常规设计的大型地面光伏电站常采用光伏组件竖向双排布置。该地建设的光伏电站可采用260Wp的光伏组件竖向双排2X22安装在一个支架单元上设计，22块光伏组件串联为一个组串。1MW光伏电站，配置两台500kW逆变器和1台1000KVA的就地变压器。每台逆变器接入96串光伏组串共549.12kWp。通过PVsyst进行模拟，宿州地区的光伏组件最佳角度为27度。

方阵倾角确定后，要注意南北向前后方阵间要留出合理的间距，以免前后出现阴影遮挡，前后排间距为：冬至日（一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天）上午9：00到下午3：00（真太阳时），光伏组件之间南北方向无阴影遮挡。固定方阵安装好后倾角不再调整。《光伏发电站设计规范》中给出平整场地光伏阵列不被遮挡的阵列中心间距公式：

式中：L为阵列斜面长度，θ为组件倾角，Φ为项目所在地纬度。光伏阵列中心间距为阵列斜面投影D1与间距D2之和。阵列间距示意图如图3。

图3 光伏阵列间距示意图

根据光伏阵列南北阵列中心间距计算公式，计算得中心间距D=6.12米，本工程选用光伏阵列南北中心间距为7米。组件下端距离地面高度为1米（不考虑农业种植的，一般大型地面光伏电站中，组件下端距离地面高度为0.3—0.5米）。

组件倾斜面上辐射量为：

表3 组件倾斜面上辐射量

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对光伏阵列之间农业种植区的光资源分布，利用PVsyst建模，将光伏阵列下方和阵列之间的区域，模型的第三排和第四排阵列中间区域（黄绿色中间区域），按照1米一个宽度、0.5米一级高度划分网格，模拟阵列之间不同高度的、位置的光资源，通过分析，全年的光资源立体分布图如下：

图4 PVsyst内光伏阵列建模

图5 光伏阵列间年辐射量立体分布图

上图为光伏阵列种植区内的全年的光资源立体分布图，图中，A区——G区每区的宽度为1米。由图5中可以看到，光伏阵列之间的区域光资源最好，光伏组件的下方光资源较差。光伏阵列区的光资源分配与空间高度也有关系，从上图中，我们可以看到，随着高度的增加，光伏组件下方的光资源在减少，而阵列之间的光资源在呈上升趋势，达到80%左右。

各区域地面光资源占全年光资源的百分比如下：

表4 各个分区的地面月辐射量

给出了各个分区一年内各个月份的光资源分析。由于光伏电站无遮挡规定的时间为当地真太阳时冬至日9：00—15：00之间，因此冬季农作物的高度要低于前排组件上端到后排组件下端两者之间的连线。这一连线，也就是农业大棚棚顶的设计依据。

图5和表4中的数据是农光互补光伏电站中的时间、空间光资源分布数据。常规光伏电站中的时间、空间光资源数据模拟、分析方法，也是光伏大棚、光伏温室等其他各种类型农光互补光伏电站光资源分布分析的基础。

由于篇幅所限，本文无法对各种农光互补类型展开更多的讨论，以及更加深入的分析光资源分布情况、阴影遮挡情况，后续文章扩展农光互补类型和补充更多的光资源分析。欢迎业界朋友继续关注下篇文章内容，同时欢迎业界朋友一起探讨研究。