新型光伏农牧场设计

潘 慧，徐亚铂，陈雪峰，潘文海

(1.河南城建学院，河南 平顶山 467036；2.平顶山市农业农村局，河南 平顶山 467036；3.河南大学，河南 开封 475004；4.商丘市柳河实验小学，河南 商丘 476711)

1 引言

太阳能是一种清洁能源，加大对太阳能资源的利用也成为了世界发展的主流目标。近年来，国际上对光伏与农牧业的结合模式相继开展了深入研究，既促使了国内外相关研究人员对“光伏+”经济模式的重新定位与思考，也在一定程度上推动了社会的可持续发展。由于传统的农牧业养殖模式太过单一，环境污染较为严重，资源得不到充分利用，可将光伏与农业、牧业进行全方位协调，统筹“光-住-农-牧”之间的关系，为中小型农牧场设计出“光伏+农业+现代牧业”可循环的绿色生态系统。这将有助于实现缓解能源紧缺、促进资源高效利用，进行环境保护和营造良好生态氛围的目的。

2 光伏农牧场的规划

在中小型农牧场中融入分布式并网光伏发电装置，为农牧场提供日常生活、生产所必要的电力。多余电能可输送至电网，不足的电能也可直接从电网获取；光伏可与畜牧业中的沼气相结合，从而实现光-沼互补发电；协调农牧场中农业、牧业两者之间的生产关系，使资源得以循环利用；完善农牧场内部协调机制，促进资源充分利用和生态保护。

3 农牧场发电系统的设计

3.1 系统用电量分析

因为中小型农牧场是含农牧户住房、农业、牧业的统一体，光伏发电在农牧业中应用时，既要保证农牧户基本日常生活用电情况，也要保障畜牧区和农业区负载的用电情况，所以应综合考虑各方面负载使用。通过表1各区负载用电量汇总可得，整个农牧场负载总功率8030W，每日总耗电量19270 W·h，这就为接下来的系统容量设计提供了理论依据。

表1 负载用电量汇总

3.2 系统容量的配置

3.2.1 光伏组件的选型

产品型号：PVM-300，电池片：72pcs，6×12 nn；峰值功率：300 W，尺寸：1956 mm×992 mm×50 mm；峰值电压：36 V，峰值电流：8.33 A；开路电压：43.2V，短路电流：9.2A。

3.2.2 容量设计

电池组件串并联的数量可根据负载需求量计算，由下列公式可计算出电池组件的并联数、电池组件的串联数、电池组件总功率，以满足系统的需求[1]。

电池组件的并联数=

农牧场内负载日均用电量为19270(Wh)，换算可得负载日均用电量为88(Ah)；组件日平均发电量由组件参数数据可得为8.33A；由气象条件分析可得当地峰值日照时数为4.28h；电池组件效率：包含电路损失、光照衰减、组件表面洁净程度等因素，一般取0.9；交流逆变器转换效率，一般取0.85。

系数1.43通常是指光伏电池组件的最大工作电压与系统运行电压的比值。

电池方阵的总功率 = 组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率 = 4×9×300 = 10800W。

由此可知此发电系统需要9块太阳能电池板进行串联，4组太阳能电池板进行并联，共需36块电池板。因为太阳能电池板在工作时，除自身之外其他外界因素也会对发电量产生一定的影响，因此其实际总功率会稍有损耗。

3.3 光伏系统优势

充分利用畜牧舍顶棚空间资源，节省了占地面积和顶棚材料的费用。并网发电节省了蓄电池的储能环节，有效降低了更换蓄电池的昂贵成本。采用“自发自用、余电上网、不足补充”的发电模式，缓解了电网传输和分配的压力。该发电系统能提供10 kW左右的电量，用于保证农牧场内住户日常基本生活、养殖区和种植区的正常运转。光伏发电还可与下述畜牧业(沼气)建立相关联系，促进牧业的发展。

4 光伏与牧业的结合

4.1 光-沼结合分析

在光伏与牧业相结合的过程中，光伏发电除了保证畜牧区负载的用电，如照明、水泵等设施外，还可与牧业中产生的沼气相联系。光-沼互补一体化智能发电系统由太阳能发电模块和沼气发电模块等组成，它可以根据功能需要完成光伏发电和沼气发电两路供电的自动切换[2]，为我们提供了一种新的发电思路。

4.2 光-沼互补发电优势

在光伏发电的基础上，结合沼气发电技术，共同为基区负载供电，实现了光伏发电和沼气发电两个供电系统，形成了一种新型的光沼互补发电模式。

白天主要以光伏发电为主，沼气发电为辅[3]；当太阳板发电不足，在阴雨天或者夜晚的时候，则以沼气发电为主，光伏发电为辅；有效保证了昼夜发电。

5 农业与牧业的结合

5.1 农牧业协调分析

在畜牧业养殖过程中会产生大量的废污，这些废污会造成严重的生态破坏。如果协调农业、牧业两者之间的生产关系，让废污经过一定的发酵处理并重新转化为成三沼(沼气、沼渣、沼液)，可以促进农业利用和资源循环。这种措施延长了产业链，既发展了畜牧业，又较好的培育了土地种植，减少了能量损失[4]。

5.2 农牧业循环系统设计

沼气发酵装置是连接农牧业中养殖业和种植业的桥梁(图1)。可以装置一套排污系统，每天定时将这些畜类粪污引入到沼气池中，经沼气池发酵后转变为三沼。利用三沼给农作物、大棚蔬菜及牧草提供有机肥，然后牧草可作为饲料用于养殖，农作物秸秆又可为沼气发酵提供原料。如此反复运行便可使农牧业间资源得到循环利用。此种循环模式可归结为“草-畜-加工-沼-种”[5]。

图1 农牧业循环结构

6 光-住-农-牧的整体优化

经过前期两两组合，现将光伏与牧业结合模块、牧业与农业结合模块整合在一起，并完善农牧场内部协调机制，便可规划出以光-住-农-牧为主导的现代新型化农牧场(图2)。

由此便可以很好地将光能、农牧户、牧业和农业结合起来，打造出“光-住-农-牧”四位一体的循环农牧场系统。这种生态模式不仅有利于节约资源、保护环境，而且农牧场内的光伏发电、饲养的畜类和种植的农作物、蔬菜等可以在满足农牧户自身需求的同时输送至市场，从而为农场主增加一定的效益。

图2 光-住-农-牧的整体优化

7 社会应用

“光伏+农业+现代牧业”生态环保系统的设计对社会的发展有着巨大的应用价值和推广前景，如下。

7.1 大型养殖企业建设

企业以生产效率和利润为基准，现有大型企业主要集中在畜牧业或农业的单一发展管理上，这样会使他们的收益大打折扣。如果在大型企业的基础上建立大型光伏电站、扩大养殖规模、辅助农业大棚，循环利用资源，就可利用三者共同达到较高的收益。

7.2 边远山区的开发

西部地区地理位置优越，但产业和设备相对落后，如果在西部地区开发此种生态模式，不仅可以解决他们的用电问题，也可以因地制宜并发展属于他们的特色产业，促进西部地区的发展。

7.3 农村扶贫

农村农牧业资源丰富，也可以根据空间适当缩小模式。以农业和养殖为能源的原材料基地，将丰富的沼气资源与光、电、热结合在一起，按照“自发自用、余电上网、自给自足、面向市场”的模式构建新型农村扶贫的应用示范点。这样既增加了农民的收益，也美化了乡村，是解决农村贫困的较好项目之一。

此种“光伏+农业+现代牧业”的模式有着很大的优势，有效地为农牧业的发展提供了一种新的经营理念。我相信随着时代的发展，科技的进步和人们思维的开阔，此种生态模式将会变得深受人们欢迎。