农业生产应用光伏发电的节能减排建议.pdf

1 节能减排 资源节约与环保 2025 年第 10 期 农业生产应用光伏发电的节能减排建议 李志皓 潍坊市寿光生态环境监控中心 山东 潍坊 262700 摘要 聚焦光伏发电在农业生产节能减 排中的应用 阐述光伏发电基于半导体光电 效应将光能转化为电能的原理 分析其在农 业生产中的多元应用路径 并从强化环保监 管与评估 优化光伏系统设计与布局 推动 智能农业与光伏技术融合 强化政策支持与 引导4个方面提出光伏发电助力农业生产节 能减排的建议 关键词 光伏发电 农业生产 节能减排 光伏发电是基于半导体的光电效应原理将 光能转化为电能的技术 当太阳光照射到太阳 能电池板时 光子能量被半导体吸收 使得电 子获得足够能量发生跃迁 形成 电子 空穴 对 而 电子 空穴 对在内建电场作用下分离 电子就会向 N型 区移动 空穴就会向 P型 区移动 在电池两端累积形成电势差 当用导 线将电池正负极连接形成闭合回路时 电子便 会发生定向移动产生电流 实现光能到电能的 转换 通过串联 并联多个太阳能电池片组成 多种光伏组件和阵列 就能满足不同场景的用 电需求 因此 光伏发电作为清洁能源技术 不但发电过程中不产生温室气体 对环境友好 能有效助力全球碳中和目标的实现 而且其利 用的太阳辐射能是可再生能源 取之不尽用之 不竭 同时光伏发电系统安装灵活 可因地制 宜搭建及模块化设计 方便后期扩容 在农业 生产的节能减排中有着广泛的应用前景 1 光伏发电概述 光伏发电主要通过由太阳能电子组件 光 伏逆变器 支架 储能设备 电气设备与监控 等组成的光伏发电系统进行 其中 太阳能电 池组件将光能直接转化为电能 是光伏发电系 统的核心发电单元 光伏逆变器将电池组件产 生的直流电 DC 转换为交流电 AC 以 适配电网或用电设备需求 支架系统用来支撑 和固定太阳能电池组件 确保其以最佳角度 倾 角 方位角 接收光照 储能设备可在光照充 足时储存电能 供夜晚或阴天使用 解决发电 间歇性问题 电气设备与监控系统对光伏发电 系统进行管理和监控 确保其持续稳定运行 2 光伏发电在农业生产中的多元应用 路径 2 1 光伏农业大棚 光伏农业大棚作为将光伏发电与农业种植 融合的创新模式 其整体结构主要由光伏组件 与大棚骨架有机结合而成 大棚骨架通常采用 具有良好的抗压 抗拉和抗风性能的高强度钢 材或铝合金材料 能够承受积雪 强风等自然 灾害的考验 以确保大棚在各种自然环境条件 下的稳定性和耐久性 光伏组件则根据不同的 设计需求 精准安装于农业大棚的顶部或侧面 光伏农业大棚集发电与种植双重功能于一 体 实现了能源与农业的协同发展 在发电功 能方面 光伏组件可将太阳能高效地转化为电 能 所产生的电能可直接用于大棚内的各类农 DOI 10 16317 ki 12 1377 x 2025 10 006 2 节能减排 资源节约与环保 2025 年第 10 期 业生产活动 如灌溉系统的电力供应 温控设 备的运行及照明等 不仅减少了农业大棚对外 部电网的依赖 降低了用电成本 还为农业生 产提供了稳定可靠的电力保障 在光照充足的 白天 光伏组件产生的多余电能还可并网销售 为农户或农业企业带来额外的经济收益 据 相关数据统计 占地面积 1000 m 2 的光伏农业 大棚 在光照条件良好的地区 每年可发电约 10万 kW h 除满足农业大棚自身用电需求外 剩余电量并网销售还可增加数万元收入 1 在种植功能方面 光伏农业大棚为农作物 生长创造了适宜的环境 通过合理调整光伏组 件的透光率和布局 可以精确控制农业大棚内 的光照强度和温度 满足不同农作物在不同生 长阶段的需求 对于喜阴的农作物 如食用菌 天麻等 可适当降低透光率 营造出弱光环境 对于喜光的农作物 如西红柿 黄瓜等 则可 通过优化组件布局 保证充足的光照 此外 光伏农业大棚还具备良好的保温 保湿性能 能够有效抵御外界恶劣天气带来的影 响 实现农作物的反季节种植和精品种植 提 高农产品的产量和质量 在冬季 光伏农业大 棚的保温性能可使棚内温度比外界高出 10 15 为农作物的生长提供适宜的温度条件 以保证冬季蔬菜的正常生长和供应 2 2 光伏养殖 光伏养殖作为将光伏发电与养殖产业融合 的创新模式 近年来在农业生产中得到了广泛 应用 其常见类型包括渔光互补 牧光互补 光伏鱼菜共生等 且这些模式各具特色 展现 出了诸多显著优势 2 2 1 渔光互补 模式 渔光互补 模式是将水产养殖与光伏发 电有机结合 在鱼塘 湖泊 水库等水域上方 架设光伏板进行发电 而在光伏板下方的水域 开展水产养殖活动 这种模式的优势十分明显 从土地资源利用角度来看 我国内陆水域面积 广阔 如湖泊面积约 910 万 hm 2 水库面积约 250 万 hm 2 内陆池塘面积 200 万 hm 2 若仅 考虑利用水域面积的 20 建设光伏电站 装 机容量可达 3000 GW 渔光互补 模式有效 利用了这些水域空间 避免了与陆地资源的竞 争 提高了土地资源的整体经济效益 实现了 一地两用 2 2 2 牧光互补 模式 牧光互补 模式则是将光伏发电与畜牧 业养殖相结合 在牧场的屋顶 围栏 空地等 位置安装光伏组件 以某大型牧场为例 其屋 顶和周边空地上安装了大量光伏组件 总装机 容量达 5 MW 这些光伏组件产生的电能不仅 满足了牧场内部的照明 通风 饲料加工等用 电需求 还实现了余电上网 增加了牧场的经 济收入 此外 光伏组件也为牧场提供了一定 的遮阳作用 改善了牲畜的养殖环境 如在夏 季高温时 能有效降低养殖区域的温度 减少 牲畜因炎热天气而产生的应激反应 提高牲畜 的生长速度和健康水平 2 2 3 光伏鱼菜共生 模式 光伏鱼菜共生 模式是一种更加综合的 生态养殖模式 巧妙地将水产养殖 蔬菜种植 与光伏发电融合在一起 在这种模式中 光伏 组件产生的电能为整个系统提供电力支持 用 于驱动水泵 增氧机等设备 水产养殖产生的 废水富含鱼类粪便和残余饲料 经过处理后 被输送到蔬菜种植区域 为蔬菜生长提供丰富 的养分 蔬菜在生长过程中 通过吸收水中的 氮 磷等营养物质 对废水进行净化 净化后 的水又回流到鱼塘 实现了水资源的循环利用 光伏鱼菜共生 模式不仅提高了能源利用效 率 还构建了生态循环系统 减少了化肥和农 药的使用 其产出的蔬菜和水产品更加绿色 健康 具有 更高的市场价值 2 3 节能减排 资源节约与环保 2025 年第 10 期 2 3 光伏精准灌溉 光伏精准灌溉系统以光伏发电为核心驱动 力 融合先进的传感器技术和智能控制算法 实现了对农田灌溉的精准调控 在我国西北干 旱地区 水资源匮乏一直是制约农业发展的关 键因素 部分地区引入了光伏精准灌溉系统 经过一段时间的运行 光伏精准灌溉系统在节 水 节能方面均取得了显著成效 在节水方面 传统的大水漫灌方式往往导 致水资源的大量浪费 许多水分在灌溉过程中 会通过蒸发 渗漏等方式损失掉 而光伏精准 灌溉系统可通过土壤湿度传感器实时监测土壤 水分状况 根据农作物的实际需求进行精准灌 溉 与传统漫灌相比 光伏精准灌溉系统的用 水量大幅减少 在节能方面 光伏精准灌溉系统利用太阳 能发电作为动力源 摆脱了对传统市电或燃油 发电的依赖 传统灌溉系统使用市电驱动 每 年的电费支出较高 而光伏精准灌溉系统 不 仅无需支付高额的电费 还能将多余的电能储 存起来或并网销售 以每年发电 50 万 kW h 计算 除满足灌溉系统自身用电需求外 剩余 电量并网还可获得一定的经济收益 在实现能 源的自给自足和经济效益提升的同时减少了因 传统能源发电产生的碳排放 具有显著的环保 效益 3 3 光伏发电助力农业生产节能减排的 建议 3 1 强化环保监管与评估 强化环保监管与评估是保障光伏发电项目 在农业生产中实现节能减排的基础与前提 具 体应从标准制定 动态监测2个主要方面做起 3 1 1 完善环保标准与规范 在环保标准与规范的完善上 选址阶段需 建立严格的生态筛选机制 明确禁止在自然保 护区 湿地等生态敏感区及生物多样性保护优 先区建设光伏发电项目 转而优先选用矿区废 弃地 未利用荒滩等低效土地 如在山西省煤 矿塌陷区改造中 通过光伏项目建设实现土地 复垦与清洁能源供给的双重目标 建设阶段需 制定施工环保细则 要求施工单位采用围挡降 尘 低噪声设备及三级沉淀池处理施工废水 如北京市某光伏农业大棚项目通过设置防尘网 与隔声屏障 使施工扬尘与噪声污染降低 60 以上 运营阶段则需建立设备维护与废弃物管 理规范 对退役光伏组件实行 定点回收 专 业拆解 材料再生 闭环处理 确保铅 硅等 材料回收率超 95 3 1 2 建立监测与评估机制 监测与评估机制的建立需依托物联网与大 数据技术 在光伏农业项目现场部署智能电表 温湿度传感器及设备状态监测器 实时采集发 电数据与环境参数 通过边缘计算节点实现数 据预处理 再传输至云端平台进行深度分析 如 山东省某光伏农场通过 AI 算法对 3 a发 电数据建模 精准预测不同季节的发电量波动 规律 将发电效率预测误差控制在 3 以内 同时 建立季度评估制度 从经济维度核算投 资回收期与碳减排收益 按 100 kW 光伏大棚 年均减排二氧化碳约 86 t 计算 当前碳价可产 生约 1 2 万元的环境收益 结合农业生产增收 综合投资回报率达 12 以上 3 2 优化光伏系统设计与布局 光伏系统的设计优化需从组件选型 安装 参数确定 农业设施融合 3 个层面实现技术适 配 以最大化发电效率与农业生产兼容性 3 2 1 组件选型 在组件选型上 单晶硅组件凭借 20 以 上的转换效率 被应用于精准农业场景 如新 疆维吾尔自治区棉花种植基地采用单晶硅组件 为智能水肥一体化设备供电 确保在光照不足 时仍能维持系统稳定运行 多晶硅组件因 15 4 节能减排 资源节约与环保 2025 年第 10 期 左右的性价比优势 成为规模化光伏农业项目 首选 3 2 2 安装参数确定 安装倾角与方位角的优化需结合地域光资 源特征精准计算 北方地区 如北纬 40 的 北京 固定安装时倾角设为 38 42 可使 冬季发电效率提升 12 15 某光伏温室通 过倾角优化 在 12 月冬至日仍保持日均 4 5 h 有效发电 南方地区 如北纬 23 的广东省 广州市 则需将倾角调至 20 25 并在夏 季允许方位角西偏 10 15 以延长午后接 收光照时间 对于跟踪式安装系统 平单轴跟 踪可使发电量提升 25 30 适用于集中式 光伏农业基地 而斜单轴跟踪更适合丘陵 地形 3 2 3 农业设施融合 系统布局与农业设施的融合需建立 光 农 协同模型 光伏农业大棚针对喜光作物 如 黄瓜 采用南北向间距 1 2 m 的间隔式安装方 式 确保正午透光率超 70 养殖场光伏布 局需兼顾承重与通风 钢结构圈舍屋顶可采用 薄膜组件 并通过专用夹具固定 避免破坏屋 面防水 通过在圈舍围墙外侧安装光伏板阵 列 既能利用垂直空间发电 又能为场区提供 遮阳屏障 降低夏季圈舍温度 3 3 推动智能农业与光伏技术深度融合 智能技术与光伏系统的融合正在重塑农业 生产模式 通过 数据感知 智能决策 精 准执行 的闭环体系 实现能源与资源的高效 利用 3 3 1 全域感知农业生产需要的水 光与温度 物联网技术的应用构建了全域感知网络 在农田部署的土壤墒情传感器每 10 min 采集 1 次数据 当土壤墒情传感器检测到土壤含水率 低于田间持水量的 60 时 智能技术与光伏系 统会自动触发光伏水泵开启滴灌 甘肃省某枸杞 种植园采用该系统 使 1 亩 1 亩 666 67 m 2 地年用水量从 350 t a 亩 降至 210 t a 亩 节 水率达 40 温室环境监测网络则集成光照 CO 2 浓度等传感器 当传感器检测到上午 10 00 光照强度超 8 万 lx 时 智能技术与光伏系统 会将联动光伏供电的遮阳网展开 同时启动风 机通风 使番茄及其他农作物的光合作用效率 维持在最佳区间 陕西省某智能温室通过该调 控系统 使番茄维生素 C 含量提高 18 3 3 2 打破农业生产的信息孤岛 通过数据融合与共享机制打破农业生产的 信息孤岛 构建光伏农业大数据平台 整合不 同光伏农业项目的发电数据与农业生产数据 农业科研单位可通过 API 接口获取不同区域的 光照 发电 作物生长 关联数据 用于 构建更精准的农作物光温模型 企业端则通过 云端管理系统实现 发电 用电 农产品销售 全链条可视化 政府部门利用数据平台开展碳 足迹核算 为光伏农业项目发放绿色电力证书 3 4 强化政策支持与引导 政策支持体系作为农业光伏发电规模化应 用的核心引擎 通过多维制度设计构建起产业 发展的坚实保障 3 4 1 财政激励机制的优化升级是激发市场 活力的关键 政府可构建阶梯式补贴框架 对光伏农业 项目实施全周期资金扶持 除基础的设备购置 补贴外 还可对采用先进技术的示范项目给予额 外奖励 如 某省推出 光伏农业 1 1 补贴计划 对符合条件的光伏农业大棚项目 除按 800 元 m 2 给予 建设补贴外 还按发电量 给予 0 2 元 kW h 的持续性补贴 显著提升 了投资回报率 3 4 2 制度建设需同步跟进并构建标准化发展 环境 通过制定 光伏农业设施建设技术规程 明确组件安装 系统运维等环节的技术标准 以及引入第三方质量认证体系 确保光伏农业 项目安全可靠运行 在市场激励层面 可建立 绿色农产品溯源机制 对使用清洁能源的农业 生产主体授予专属标识 在商超入驻 电商平 下转第 14 页 绿色低碳 14 资源节约与环保 2025 年第 10 期 氮 外购碳源 除磷药剂消耗占比 70 以上 因此电耗和药耗是城市污水处理厂节能降耗 的关键环节 在 双碳 背景下 城市污水 处理厂的节能降耗与低碳化运行已成为行业 发展的必然趋势 因此 做好城市污水处理 厂低碳化运行对降低能耗 实现 双碳 目 标至关重要 参考文献 1 陈宏儒 城市污水处理厂能耗评价及节能途径 研究 D 西安 西安建筑科技大学 2009 2 赵冬泉 佟庆远 李宁 等 基于节能的鼓风 曝气系统溶解氧稳定智能控制方法 J 给水 排水 2008 44 7 116 119 3 高顺 刘长奇 唐虎 等 双碳背景下污水处理厂的 发展方向分析 J 给水排水 2023 59 S2 634 639 4 程宇凯 魏亮亮 宋悦 等 AO及AAO污水处理 工艺单元运行能耗分析及节能运行策略 J 广东 技术师范学院学报 2015 36 2 12 16 5 常纪文 井媛媛 耿瑜 等 推进市政污水处理 行业低碳转型 助力碳达峰 碳中和 J 中国环保 产业 2021 6 9 17 6 朱凤霞 基于碳源回用的城市污水处理剩余 污泥水解酸化产物调控研究 D 广州 华南理工 大学 2017 作者简介 朱杰 1977 男 江苏沛县人 工程师 工学学士 文学学士 研究方向为水污染治 理 与节能降耗低碳技术 加工编辑 冯为为 台推广等方面给予优先权 形成 绿色生产 优质优价 的良性循环 3 4 3 科技创新驱动是实现产业突破的重要 抓手 政府应设立专项基金 重点支持钙钛矿光 伏材料 智能微电网等前沿技术研发 以及联 合高校 科研机构共建产业创新平台 通过举 办国际性光伏技术博览会 设立产学研合作示 范基地等方式 加速科研成果转化 推行 揭 榜挂帅 制度 鼓励企业牵头攻克储能效率 并网稳定性等技术难题 推动光伏农业产业向 智能化 高效化方向迈进 4 结束语 光伏发电与农业生产的深度融合 不仅为 农业领域开辟了节能减排的新路径 还为实现 绿色可持续发展注入了强劲动力 同时其凭借 清洁 可再生 灵活布局等优势 在光伏农业 大棚 光伏养殖 光伏精准灌溉等多元场景中 展现出显著成效 未来 通过强化环保监管 优化系统设计 推动 智能 融合 完善政策体系 等措施 有望构建起更加高效 绿色 智能的 光伏农业产业生态 为实现农业现代化与 双 碳 目标提供有力支撑 助力我国农业生产向 绿色低碳 高质量发展方向稳步迈进 参考文献 1 李进 光伏农业科技大棚电站自动化控制技术 应用 J 农业开发与装备 2025 4 33 35 2 魏雯婧 罗久富 杨路培 等 农业光伏互补开发 与盈利模式研究 J 太阳能学报 2023 44 3 457 464 3 秦燕兰 光伏技术在农业生产与工程领域中 的应用 J 太阳能学报 2024 45 7 752 753 作者简介 李志皓 1988 女 山东寿光人 工程师 硕士 主要从事水质监测 节能环保等工作 加工编辑 冯 为为 上接第 4 页