“葡萄+光伏”模式可行性分析与实践

“葡萄+光伏”模式可行性分析与实践

基 金 项 目 ：现代农业产业技术体系建设专项资金资助（CARS-29）；浙江省农业科学院地方合作项目（PJ2018001）。

王昌诚等

浙江省金华市浦江县有“中国巨峰葡萄之乡”“江南吐鲁番”的美誉。“浦江葡萄”是国家农产品地理标志登记保护产品。2023 年，浦江县葡萄种植面积 0.45 万 hm 2 ，产量 13.40 万 t，总产值超过 14亿元 。现有葡萄专业合作社 149 家、家庭农场 649家、种植户 1 万多家 [2] ，户均收入超过 13 万元，以设施避雨栽培巨峰葡萄（占 85%左右）为主。在浦江县巨峰葡萄 4 月初发芽，11 月中下旬落叶，5～8月为果实膨大期。生长期随着葡萄枝叶覆盖率的增大，对阳光照射需求量增加；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 月底葡萄树休眠期对光照要求不严格。葡萄生产中对光照要求的间歇性、阶段性为光伏植入提供了时间、空间的可能。

光伏（PV）是太阳能光伏发电系统（photovoltaicpower system）的简称，是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能转换为电能的发电系统，是一种新型环保型能源。2023 年，光伏产业规模位居全球前五的国家分别是中国、美国、德国、巴西、印度，五国总规模占比达 86.7%。中国光伏规模全球第一，2023 年新增光伏发电装机规模达216.9 GW，占全球新增总量的 62.6%。

光伏+农业是在农业生产中加装光伏发电的立体融合农业，又称农业光伏（APV），可分为光伏种养、光伏水利、光伏村舍、光伏生态等模式，都是为实现一地两收增效为目的。葡萄+光伏（以下简称葡光）模式是集葡萄种植、光伏发电为一体的双产农业，可实现最大限度地利用土地资源和葡萄产业特色，葡萄种植和光伏发电融合增效。2020 年在浦江县开展设施葡萄与光伏发电融合探索，经科学设计与葡萄农艺结合，在保障葡萄产业优势的前提下，接入光伏产业，提升单位面积效益。历经 3 年多的探索完善，验证模式可行、效益可观。

1 国内外光伏农业情况

1.1 中国光伏农业

在土地低价或平价的区域建设光伏大棚，一般6～8 年左右收回成本，随着太阳能电池价格的不断下降和促进光伏板转化率技术的提升，回本的时间会更短 。集成光伏温室系统的年投资回报率可达20%，投资回收期约 4～8 年 。光伏高且稳的收益促进中国光伏产业规模迅速壮大，鉴于光伏板下的空间闲置，“光伏+农业”应运而生。中国光伏农业发展起步较晚，现也已初具规模。据不完全统计，2021 年，中国的光伏农业超过 40 GW。邹城农业食用菌大棚光伏电站是中国最大的光伏农业并网的电站。光伏农业的发展可提高土地利用率和太阳能利用率，推动清洁能源建设，又可以增加额外的经济收益。英武药光互补是光伏加药材种植的新探索模式 ；山西省鼓励探索“农光互补”“林光互补”等有效途径，实现粮食安全、生态保护、农民利益和企业效益共赢；江苏省明确要求，光伏复合项目要确保农业产量不低于同地区平均水平的 80%。中国光伏农业由 2013 年的初期实验阶段、2017 年政策扶持和示范推广阶段、2020 年技术创新与应用拓展阶段，目前处于规模化发展与可持续探索阶段。现阶段中国光伏农业仍存在部分难题：一是重光轻农；二是农光不协调，无法达到二者最大化的共赢；三是光伏组件的寿命与农业设施的寿命不对等 。从设备角度来说，也存在着成本高、生产与光伏协调难、管理和维护成本高、光伏产品可靠性、光伏板透光率低、光伏发电利用率低等问题。

1.2 国外光伏农业

国外光伏农业主要集中在欧美和日本地区，欧美多运用晶硅电池和玻璃温室，光伏技术先进，机械化水平高，通过数理计算、神经网络、人工智能等方式进行温室环境控制，实现农业与光伏相融增效。德国的阿尔默河大棚外增设 15%的光伏，可满足整个省居民用电需求 。日本的农业光伏集约化程度比较高，主要以非晶硅薄膜电池与单栋管架结合 。国外农业光伏在栽培配置、结构设计等方面已积累丰富经验，产业也已取得了显著成效，值得借鉴。

2 浦江县葡光复合产业发展条件

2.1 自然资源条件

浦 江 县 位 于 东 经 119°42′ ～ 120°07′ ， 北 纬29°21′～29°41′，年平均气温 16.6 ℃，降水日 156 d，降水量 1 412.2 mm，年均日照 1 996.2 h，年均无霜期 238 d，气候环境适宜葡萄的生长 。

根据 Meteonorm 气象库数据，浦江县年水平面的太阳能辐射总量为 1 377 kW·h/m 2 ，每年 5～8月的太阳能辐射量较高（图 1），与葡萄生产所需太阳能辐射量的时间一致。根据 GB/T 37526-2019《太阳能资源评估方法》，该地区太阳能资源的丰富等级为丰富（根据年水平面总辐射量测算：GHR≥1 750 kW·h/m 2 ，为最丰富；1 400 kW·h/m 2 ≤GHR<1 750 kW·h/m 2 ，为很丰富；1 050 kW·h/m 2≤GHR<1 400 kW·h/m 2 ，为丰富；<1 050 kW·h/m 2 ，为一般），属发展光伏优势区。

图 1 浦江县太阳能月均辐射量

2.2 葡萄设施情况

2020 年，浦江葡萄设施化栽培率达 100%，多为单拱钢架棚，历经 40 余年产业化的发展，受钢棚寿命、自然灾害等因素影响，葡萄生产设施每年均有一定量的更新，连栋大棚是当前更新设施的首位。连栋大棚具备高度高、土地利用率高、结构牢固、易机械化等优点。连栋大棚的天沟（连栋棚的单拱棚间置于肩高上的排水沟）是连接单跨拱棚的核心组件之一，具有排水、承重、支撑的作用。天沟一般采用厚 2 mm 左右的热镀锌板或不锈钢板制成，是上宽 30～35 cm、下宽 15～20 cm 的梯形沟，天沟下是连栋大棚固定遮阴区。

2.3 相关政策

德国、美国、日本等国均将光伏电作为可再生能源发展，出台发展补贴、净电表计量法等措施来促进光伏产业发展。2015 年，国务院将光伏扶贫列入“十大精准扶贫工程之一”。2023 年，浙江省发布关于印发《浙江省“共富光伏农业提升工程”创新引领工作方案》的通知，以加快光伏农业建设，为光伏农业的发展提供了政策性保障。

3 葡光复合可行性分析

3.1 葡萄对光的需求分析

葡萄是喜光性植物，葡萄不同的物候期对光照需求差异显著（表 1），开花至坐果期需要适度的光照，果实膨大至采收期需要充足的阳光，枝蔓老熟期少量阳光即可，休眠期对光照要求低。葡萄转色至采收期是叶面积最大时期，需要充足但不过强的阳光。整形修剪是葡萄生产中重要技术措施，应根据光伏及棚体需要修剪出合适的树形，提高葡萄树体的光能利用率，同时减少设施构造遮阴对葡萄生产的影响。

表 1 葡萄不同生长时期的需光分析

3.2 连栋棚+光伏设计

本次探索试验所用的连栋大棚为三连栋大棚，单栋宽 8 m，肩高 3 m，顶高 4.8 m，棚长 28 m，面积 672 m 2 ，天沟上宽 35 cm。综合葡萄生产、设施结构安全性、光伏安装与效能等方面考虑决定将连栋立柱升高 1.2 m，在立柱上连接迎南倾斜 25°、长1 m 的方管，用光伏板支架安装 1 m×1.7 m（常见标准宽度之一）的光伏板，光伏板的顶高为 4.40 m［4.2+（1*sin25°）/2］，低于连栋棚顶高。光伏板安装在大棚天沟处，每排 16 块，共 3 排（图 2）。

图 2 “葡萄+光伏”设计安装示意图

本试验中连栋大棚面积为 672 m 2 ，光伏板面积为 81.6 m 2 ，单块光伏板最大功率 335 Wp（峰值功率），总功率 16.08 kW，组件标称效率 19.9%，光伏板面积占棚覆盖面积的 12.14%。

3.3 生产操作与安全性

连栋大棚生产中需要确保天沟排水通畅。盖膜、揭膜、检修等均需要工人站在天沟上操作，将光伏发电板架到距离天沟 1.2 m 的高度，对人工操作的便利性有轻微影响，但总体影响不大。加装光伏相当于放大了天沟的遮阴面积，葡萄枝条伸展到天沟下部时正值夏季阳光最强时，可根据光伏对光照条状影响的情况，构建与棚长平行的葡萄树体结构，减少天沟对葡萄光合作用影响。经连续 3 年的生产观察发现，加装光伏对葡萄产量和质量无负面影响。

本试验设计中，光伏板与立柱合为一体，光伏板的最高处低于连栋棚的顶高，并不增加连栋棚整体的横向风阻，只少量增加南北顺棚方向的风阻，从风、雨、雪等角度分析对连栋棚安全性影响不大。

3.4 模式效益测算

根据浦江县年太阳能辐射总量 1 377 kW·h/m 2 ，光伏及多重转化后综合转化率 16%、光伏板面积占棚覆盖面积的 12.14%，按本次试验选用的光伏板16 kW/666.7 m 2 计，根据光伏板每年效率衰减及当前浙江省光伏电上网价 0.415 元/kW·h 计，年光伏收益为 5 856～7 460 元/666.7 m 2 ，如果部分电量供基地自用则经济效益更显著。

本试验光伏发电系统投资 14.93 万元（约 9.28元/Wp），远高于规模光伏发电建设投资成本 1.2～2 元/Wp。规模批量安装虽不用土地租金、地基，但光伏板密度低，需电缆线投入多，安装费高。因此，规模批量安装成本应低于当前规模投资成本，效益高。

4 应用实践

4.1 光伏连栋大棚发电情况

2020 年，在浦江县郑宅镇深二村相连宅自然村开展“葡萄+光伏”模式探索，由浦江县昌诚家庭农场承担。该基地土层肥沃，阳光充足，远离污染，交通便利，具有宽 6 m 大棚、宽 8 m 大棚、连栋大棚等葡萄生产设施。

光伏采用高效率晶体硅太阳电池片，总安装容量为 16.08 kWp，转换效率为 19.9%；使用寿命为25 年，水平面的太阳能辐射总量为 1 377 kW·h/m 2 ，综合效率系数（受逆变器效率、集电线路损耗系数、光伏组件表面污染系数、修正系数等参数影响）因设计因素较多，初期将其按照 80%取值，因此该光伏发电系统理论年发电量应为 17 900 kW·h。

2021—2023 年，光伏实际发电量分别为18 955 kW·h、17 860 kW·h、17 180 kW·h，较预测发电能量略高，与近年实际天气情况有关。

4.2 光的漫射与葡萄栽培情况

浦江县 8 月份日均太阳辐射量 3.6 kW/m 2 ，根据光伏板宽度和高度进行仿真测算并结合照度仪实地测量，得出光伏板阴影下日均太阳辐射照量约为2.8 kW·h/m 2 ，损耗约 22%。2024 年 7 月 16 日，晴，14 时光伏板下阴影宽 60 cm，同组天沟造成阴影宽35 cm；采用三量牌 PP710 型号光照度计测量，露天阳光强度约为 14.7 万 lx（折 11 907μmol/m 2 ·s，按1 lx=0.081μmol/m 2 ·s 计 [12] ，下同）。经测算，葡萄棚内叶幕上方光照强度约 8.5～9.2 万 lx（折6 885～7 452μmol/m 2 ·s），光伏板下经天沟重复遮挡后所剩光照强度约 1～1.5 万 lx（折 810～1 215μmol/m 2 ·s）。根据李瑛 的研究表明，巨峰葡萄的光补偿点为 11.8 μmol/m 2 ·s，其光饱和点为 1 044.1μmol/m 2 ·s；实测光照强度可满足葡萄生长发育光照强度需求，另外光影会随时间而移动，对葡萄影响更小。近 3 年经产量、成熟期、成熟果可溶性固形物含量等指标的现场测评结果均与其他连栋大棚无显著差异。

4.3 效益评估

经济效益。本试验安装 16.08 kWp 光伏发电系统，按规模建设投资成本上限 3 元/Wp、25 年运行寿命计算，总投资 4.8 万元，总收益约 15 万元，经济效益可观。浦江县现有设施葡萄栽培面积约0.45 万 hm 2 ，“葡萄+光伏”模式全面推广，全县年可净增产值约 3 亿元。

环境效益。光伏发电建设在节能减排上起到积极的示范作用，每节约 1 kW·h 电，相当于节省标煤 0.4 kg，减排二氧化碳 0.997 kg，二氧化硫 0.03 kg，氮氧化物 0.015 kg，碳粉尘 0.272 kg。浦江连栋大棚加装光伏发电板，产生的环境效益可观。

5 小结与讨论

5.1 葡光复合可行性高

“葡萄+光伏”模式，根据葡萄栽培设施、生产中需光规律，经科学规划，葡萄与光伏融合可实现不影响葡萄生产的前提下增加光伏产效。本试验探索因规模小而采用现有批量生产的光伏板规格，光伏板面积占农地面积的 12.14%。结合葡萄优质高产结果枝伸展 1.5 m 的空间要求，可进一步探索单拱宽 6 m 的连栋大棚葡萄增加光伏，覆盖率可达到16.6%，棚内葡萄采用间距 3 m 的两条结果主枝布局与光伏融合，666.7 m 2 光伏年收益超 7 000 元，扣除光伏投资净利润约 5 000 元。

结合地块与设施实际情况，根据规模情况定制不同宽度光伏电池板来增加“葡萄+光伏”的总体效益。光伏产品技术的进步提升或成本降低、安装灵活可调光伏板的位置也可进一步提升收益，需要结合葡萄、光伏、安全性、成本等进行科学设计和测算。

5.2 葡光与农艺融合

葡萄是浦江县农业支柱产业，每 666.7 m 2 年产值在 2～10 万元，且“浦江葡萄”品牌远近知名。葡萄与光伏产业融合应优先确保葡萄产业健康发展，再最大可能提升光伏的效益。葡萄和光伏都依靠阳光生产，如何让二者各自发挥作用，减少相互带来负面的影响。利用葡萄需光的季节性，通过农艺措施调节葡萄与光伏的最佳融合。

王正孝等研究表明，恰当合理的遮光对有些葡萄品种生长和果实品质影响较小 。董凯向等研究表明，综合考量葡萄品质和光伏板发电效益时，在吐鲁番地区宜选择光伏板间隔 1.0 m 的葡光互补栽培模式进行推广 。

5.3 注意事项

“葡萄+光伏”为新产业模式，需要符合当地的农田利用、光伏发电政策，建设前应先咨询当地政府的农业农村、自然资源、供电局等相关部门的具体政策情况，在政策许可且发电方便出售前提下建设。

连栋大棚加装光伏，最好在生产设施更新时设计安装，确保安全性和农业操作性，并结合葡萄栽培农艺措施，做到棚上发电、棚下生产。

光伏电池板设计与使用寿命是 25 年，农业设施设计与使用较多是 15 年，质量好的大棚可使用 30年，因此“葡萄+光伏”新产业模式建设中应提高连栋大棚材料质量，并安排好预算。