光伏大棚设计交流与探讨72

光伏农业一体化项目设计的实践与经验交流河北能源工程设计有限公司HeBeiEnergyEngineeringDesignCo.,Ltd.王亮设计总工程师发展光伏农业一体化项目的优势1光伏农业一体化项目的结合方式2农业大棚的主要附属设施3光伏农业一体化项目的设计特殊点4目录土地利用优势：棚上光伏发电、棚下种植、养殖，提高了土地的综合利用率。节能优势：一部分光伏发电量可就地消纳，减少了输电线路上的损耗。经济效益优势：发展规模化、集约化的设施农业，可实现低消耗、高效益、并且收益稳定、风险小，同时可申请农业扶持资金，光伏又可享受可再生能源电价补贴，项目整体经济效益高。就业优势：设施农业可为失地农民提供二次就业机会，增加农民收入。政策优势：为促进分布式光伏发电发展，国家能源局[2014]406号文《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》，已将利用光伏农业大棚项目纳入分布式项目管理，可执行光伏电站标杆电价，是项目备案和电网接入有利政策。光伏扶贫优势：2014年10月，国家能源局、国家扶贫开发领导小组办公室联合印发了《关于实施光伏扶贫工程工作方案》，要因地制宜，利用贫困地区荒山荒坡、农业大棚或设施农业等建设光伏电站，直接增加贫困人口收入。发展光伏农业一体化项目的优势1

项目选址优势：地面电站每MW占地30-40亩，用地需求量高，利用建设用地不现实，只能选址于未利用地或农用地，然而，未利用地大多为荒山、荒坡、滩涂等，或地形较为复杂，或地质条件较差，增加了电站设计和建设难度。在此背景之下，光伏农业一体化的建设思路应运而生，项目可选址于除基本农田以外的农用地，以土地经营权流转方式取得土地，科学、合理、高效的将设施农业和光伏发电结合，在不改变土地利用性质的前提下，实现光伏电站的建设，并能使二者相得益彰，和谐并行发展。发展光伏农业一体化项目的优势1光伏农业一体化项目的立项思路：1、设施农业项目先在当地发改部门和农业主管部门备案，取得备案证；2、设施农业项目用地不占用基本农田，不占或少占耕地，尽量利用荒山荒坡、滩涂等未利用地，符合设施农用地管理有关要求和支持政策。生产设施用地、附属设施用地以及配套设施用地。3、光伏发电项目利用设施农业构筑物铺设光伏组件，光伏阵列部分不新增占地，配电房、变压器、逆变器、办公生活用地可试图利用设施农业项目中的附属设施用地指标，政策不允许时应办理农用地转用手续；4、附加光伏发电后，一体化项目要以发展设施农业为主，不得改变土地的使用性质，不得破坏耕植土层，项目寿命期结束后，耕土层应具备复垦条件；国土资发[2010]155号文《关于完善设施农用地管理有关问题的通知》国土资发[2014]127号文《关于进一步支持设施农业健康发展的通知》发展光伏农业一体化项目的优势12发展光伏农业一体化项目的优势1农业大棚的附属设施设计3光伏农业一体化项目设计的特殊点4光伏农业一体化的结合方式光伏农业大棚的两种分类方式：一、按照大棚结构分类1）基于日光温室建造的光伏农业大棚2）基于连栋大棚建造的光伏农业大棚二、按照遮光程度分类1）全遮光型2）部分遮光型3)不遮光型光伏农业一体化的结合方式2又称高效节能日光温室，北方地区又称为冬暖式大棚，具有单坡面结构，主要是利用透过前坡面的太阳光给温室增加温度，利用东、西、北三面墙体保温隔热，从而实现冬季喜温性蔬菜的生产，一般不进行人工补温。冬暖式蔬菜大棚源于山东寿光，现已发展至第六代、第七代，脊高至4m以上，跨度10m以上，棚长80-100m，可参照《山东Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型日光温室（冬暖大棚）建造技术规范》。日光温室的概念1前屋面：是温室的采光部位，也是散热部位，屋面铺设透明的塑料薄膜，夜间选择保温性能好的草帘和纸被覆盖，日间采光增温、夜间保温御寒。2后墙及山墙：北侧为后墙，东、西两侧为山墙，是寒风侵袭的主要部位，不仅起承重作用，还要起到蓄热隔温作用，使用保温性能良好墙体型式，有土筑墙、砖砌墙（空心墙或夹保温材料）、石头砌墙加墙后培土；3后屋面（后坡）：也是寒风侵袭的主要部位，用导热系数小的材料构成复合结构的保温层，在严寒地区，后坡保温层须设计成几乎绝热。4作业间：设置在温室一侧，可在寒冷冬季防止冷风直接吹入温室，起缓冲作用，亦做休息间、工具间。5防寒沟、通风口等栽培床后墙后坡前屋面步道防寒沟后坡仰角前屋面角防寒沟保温被日光温室的结构1）基于冬暖式日光温室的结构型式，结合当地气候条件、棚内选择种植品种，发展和改进了多种型式的光伏农业大棚，根据太阳能电池板安装位置的不同，又可分为：光伏农业一体化的结合方式2根据太阳能电池板安装位置的不同可分为铺设于前屋面上固定安装于后墙上部分遮光全遮光不遮光大棚结构：光伏组件铺设于日光温室前屋面，东、西墙和后墙采用EPS保温板或水泥复合板，采用钢柱和檩条作为保温板的龙骨，前屋面底部采用塑料膜封膜，南北跨度10m，东西长50-100m。结构传力方式：实际上是一种门式刚架结构，屋面荷载通过檩条传至屋面梁上，由梁传到钢柱传至基础。组件安装于前屋面的日光温室日光温室的前屋面由拱面改为平坡面，倾角一般设计为15-20°左右，塑料薄膜改为铺设电池板和透光玻璃。部分遮光型的日光温室：适合北方地区越冬种植，春、冬季节白天光照强，夜间温度低，电池板白天可以为植物遮挡过强的光照，夜间前屋面加盖保温棉被，在良好的墙体保温条件下，为温室创造适宜的环境，种植一些不喜强光、高温的叶菜蔬菜。部分遮光型-非晶硅薄膜组件部分遮光型-多晶硅双玻透光组件组件铺设于前屋面的日光温室非晶硅薄膜组件--带状排布的部分遮光—单棚容量17kW1MW占地约100亩案例组件铺设于前屋面的日光温室

铜铟镓硒薄膜组件—带状排布的部分遮光—单棚容量29.7kW1MW占地约100亩组件安装于前屋面的日光温室非晶硅薄膜组件—伞状排布的部分遮光—单棚容量约21kW1MW占地约100亩案例组件铺设于前屋面的日光温室全遮光型温室：温室内部几乎没有光照，温度变化较为平衡，种植品种可选耐阴的食用菌，如平菇、金针菇、白灵菇、香菇等，以及植物药材，如三七、人参、西洋参等。全遮光型-多晶硅不透光组件组件铺设于前屋面的日光温室光伏支架生根于温室后墙上，或是支架立柱直接落地，组件选型不受限制，电池板成了温室的附属构件，不改变温室原有的采光和种植模式。适合高纬度地区越冬蔬菜种植。但是，由于组件安装高度较高，为了不影响后排温室的采光，温室之间的间距要加大，一定程度上造成了土地利用率的下降。不遮光型-常规单玻晶硅光伏组件组件安装于后墙的日光温室案例光伏支架生根于后山墙组件安装于后墙的日光温室阴阳棚：以传统棚的北墙体为共用墙，增建一个长度相同但采光面朝北的棚，两棚一体称之为阴阳棚。阳棚在白天掀草帘补光增温，适宜种植喜光品种；阴棚采光条件差，温度变化较为均衡，可栽培食用菌、西洋参等耐阴品种。与传统日光温室相比：1、提高了土地利用率；2、节省了大棚的建造成本；3、减少热量散失，阴棚接受阳棚散热，阴棚对阳棚起到保温作用，阳棚对阴棚起到提温作用。光伏阴阳棚基于阴阳棚的结构型式，设计了光伏阴阳棚。光伏支架生根于棚内的基础，支架立柱可兼做后墙结构柱，电池板对阴棚起到一定的遮光作用。组件选型不受限制，阴棚光伏组件的阴影范围之内，因此土地利用率高。光伏阴阳棚阴阳棚结构：中间采用钢柱架高光伏组件，钢柱两侧采用拱形钢架作为农业大棚的骨架，中间通过檩条作为屋面封膜的支撑。根据大棚保温性能以及墙体材料的不同，光伏阴阳棚又分为春暖棚和冬暖棚（水泥复合板、土墙、砖墙冬暖棚）。冬暖棚春暖棚光伏阴阳棚2）基于连栋大棚结构的光伏农业大棚：基于传统的连栋温室进行设计，屋面由拱坡改为平坡，南坡塑料薄膜改为铺设电池板和透光玻璃，北坡采用塑料薄膜，设置卷帘机通风，四周采用薄膜、玻璃或阳光板为围护材料，保温性能相对较差，适合中、低纬度南方地区。

连栋光伏大棚连栋大棚光伏农业一体化的结合方式2连栋光伏农业大棚大多数为部分遮光型，建设在中、低纬度地区，因全年温度和光照强度变化都较小，日照充足，昼夜温度变化小，棚内温度变化均衡。可采用双玻晶硅组件或薄膜组件，双玻组件可使室内的光照更均匀，接近或达到无阴影效果，设计时应根据棚内作物对光照需求合理排布电池板。非晶硅薄膜组件—伞状排布的部分遮光双玻晶硅组件-带状排布的部分遮光连栋光伏农业大棚连栋光伏农业大棚结构型式：由钢柱、三角形钢屋架、排水天沟、屋面檩条构成。屋面荷载通过拱架或屋架传到天沟，天沟传至钢立柱，最终传至基础。天沟采用U型截面，天沟除担负排水作用外，也作为钢梁承担结构受力。铺设电池板后，钢结构承载能力要增强，比原塑料大棚抗风增强。南坡倾角设计为15-20°左右，单排跨度在7-9m左右，宽50-100m左右，一般10-15连续跨，南、北总长约80-120m。连栋光伏农业大棚光伏组件可采用透光的双玻晶硅组件或具有一定透光率的化合物薄膜组件。大棚每跨南坡铺设光伏组件，北坡铺设塑料薄膜，四周围护结构采用塑料薄膜封膜，既可以保证良好的采光效果，也可以起到保温的作用。根据农业种植的要求，周圈围护墙上设置塑料薄膜门。连栋光伏农业大棚3）敞开式光伏农业大棚大棚的主体结构采用门式钢架结构，门式刚架上部架设檩条固定光伏组件，组件与组件间的缝隙可不做密封防水处理。该大棚钢结构支架安装位置相对较高，主要是保证大棚内部的车辆通行、农业种植机械的操作等要求。敞开式光伏农业大棚敞开式连栋光伏农业大棚将光伏支架升高，底端距地面1.5m以上，前后排间距适当加宽，8m以上，保证作物生长空间和农业机械的作业空间，地面上可根据土壤、气候条件种植大地作物。敞开式大棚是一种多方质疑的光伏农业结合型式，解决电站项目用地的问题，用地上有违规嫌疑，项目后期合法、正常运营有风险。敞开式光伏农业大棚敞开式连栋光伏农业大棚

4）与禽畜养殖棚舍结合的光伏农业禽畜养殖棚舍多为简易式的钢架结构，由钢立柱，横向钢梁，屋面檩条构成，屋顶铺设彩钢保温复合板的轻型保温材料，四周墙体根据当地气候环境采用砖砌墙、水泥复合板或夹心彩钢板。在养殖棚舍的结构设计之初，将附加的电池板荷载考虑进去，沿屋顶光伏组件平行铺设光伏组件，采用利用夹具与彩钢瓦肋边固定，也就构成一座屋顶电站。光伏农业一体化的结合方式2在保温性能要求不高时，光伏组件也可直接做棚舍屋顶的围护材料，与屋面檩条通过压板或螺栓固定，组件之间缝隙采用密封条及结构胶做防水处理。电池板铺设在南坡，北侧铺设彩钢板，并根据需要增设采光带。光伏养殖棚舍设计说明:1.基础母羊舍占地面积：936平米、长72米、宽13米。2.单个基础母羊舍屋顶安装6组阵列，每组阵列44块255Wp组件、双排排列,倾角20°，方位角18°。羊舍羊舍屋顶光伏目录2发展光伏农业一体化项目的优势1光伏农业一体化项目设计的特殊点4光伏农业一体化的结合方式农业大棚的附属设施3光伏农业大棚是农业与光伏发电的有机结合，两者要兼顾，为了保证作物良好生长、取得较佳的经济效益，农业大棚的配套附属设施同样需要精心设计。主要包含内遮阳保温系统、加热补温系统、通风降温系统、补光系统、电气及智能控制系统等。智能化光伏农业大棚是利用终端传感器，采集大棚内土壤和空气温、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数,智能化控制空气增湿系统、滴灌系统、补光系统等。

农业大棚的附属设施3

智能化农业光伏大棚系统组成农业大棚的附属设施设计3

智能化农业光伏大棚系统组成智能化农业光伏大棚系统组成示意图

农业大棚的附属设施设计3

喷灌及滴灌系统农业大棚的附属设施设计3

湿度调节及通风系统农业大棚的附属设施设计3

灌溉水过滤设备农业大棚的附属设施设计3

采暖及空调系统农业大棚的附属设施设计3目录2发展光伏农业一体化项目的优势1光伏农业一体化项目设计的特殊点4光伏农业一体化的结合方式农业大棚的附属设施3光伏农业一体化项目设计的特殊点41、对光伏组件的选型要求农业大棚上应用的光伏组件主要型式有：1）薄膜光伏组件——组件本身具有一定光线透过性，用于全遮光棚、部分遮光棚，适宜种植弱光或中等喜光品种；2）晶硅双玻组件——封装电池片间有一定间隔，用于连栋温室上，室内光照更均匀，适宜种植喜光品种；3）晶硅铝合金边框组件——完全不透光，适宜种植耐阴品种。2、对光伏系统设备提出更高要求大棚内湿度一般60%以上，在钢构表面、大棚膜面易冷凝、结露。这种高湿环境对钢结构本体存在腐蚀，对布置在大棚内的光伏组件、接线盒、电缆、桥架、汇流箱等的安全稳定运行存在隐患，如降低设备绝缘强度、造成导电金属或电路板腐蚀、降低使用寿命、造成电气短路故障等，尤其是光伏组件。

高湿环境光伏农业一体化项目设计的特殊点43、组件安装倾角特殊性如果组件铺设于前屋面（采光面），倾角的设置要兼顾大棚采光、保温需要和光伏发电效率。日光温室的理想前屋面倾角：太阳光与采光面的夹角叫入射角，入射角越小，透光率约大，太阳光线垂直照射到前屋面时透过率最大。理想的前屋面倾角为：α=φ+δ

φ为当地纬度，δ为赤纬角δ=23.5°以西安为例，当地纬度33.4°理想前屋面倾角56.9°会造成屋脊过高，一方面造成温室自身建造成本增高，另一方面造成前后排温室间距增大，降低土地利用率，不合理、不实用。光伏农业一体化项目设计的特殊点4合理前屋面倾角：中午12点，当入射角在0～40°范围时，随着入射角的加大，透光率逐渐下降，但变化不明显；但入射角增大到40°以后，透光率明显下降。合理的前屋面角为：α=φ+δ-40°，则西安地区合理前屋面倾角为16.9°。此时，光伏组件倾斜面上接受的太阳辐射量较最佳倾角损失5%左右。光伏农业一体化项目依托农业大棚建设，因此应以农业项目为基础，考虑降低大棚造价，提高土地利用率。光伏农业一体化项目设计的特殊点44、设备安装、维护难度大光伏农业一体化项目光伏组件安装在农业大棚棚顶，一般高度在2.7m-4.5m，进行安装、维护或更换难度大，组件、汇流箱、汇流电缆等发生故障时，人工巡检难度较大，难以及时发现。光伏农业一体化项目设计的特殊点45、光伏农业大棚不易实现1MW标准化设计地面电站基本上是以1MW型式的单元，进行模块化设计，系统方案成熟，定型设备、可靠，小的光伏阵列在场区内排布、调整灵活。相比，光伏农业大棚实现1MW模块化设计，难度较高，有时甚至会影响到设备选型。例如如果大棚容量过小、分布过于分散，灵活的设计一些小容量系统，比如使用小容量的组串式逆变器代替大型集中逆变器。大片棚顶中片棚顶小片棚顶光伏农业一体化项目设计的特殊点46、大棚结构设计的特殊性

农业温室大棚的设计使用年限为15年；光伏电站设计规范要求电站使用年限在25年以上，结构设计时要按50年考虑。光伏电池板替换了塑料薄膜，大棚结构承担荷载增加，应进行结构建模计算，重新分析构件受力，在满足结构安全、50年使用寿命的条件下，尽量采用轻型钢材，如冷弯薄壁卷边槽钢、Z型钢、几字钢等，降低结构用钢量、控制成本。

光伏农业一体化项目设计的特殊点48、光伏农业一体化的总平面规划光伏农业项目集合了设施农业、观光旅游、光伏发电的功能，在总平面规划设计时，除要考虑发电工艺合理需求外，还应关注合理布置农业生产布局，关注观光旅游功能，在功能区划分、道路规划、人流、物流组织等方面进行统筹考虑。光伏农业一体化项目设计的特殊点4公司背景、性质、营业范围公司位于河北省石家庄市，成立于1989年，主要从事发、输、变电工程的设计、咨询和服务，包括常规火力发电、太阳能、风能、垃圾、污泥、生物质等新能源发电、送变电、电力系统规划、接入系统、电力通信、工业与民用建筑、市政等工程的设计、咨询和总承包业务。公司资质国家发改委核发的工程咨询甲级资质，专业包括火电、新能源、送变电；建设部核发的工程设计资质，资质等级为电力行业乙级、市政行业（给排水、热力）乙级、建筑行业乙级。光伏发电项目的业务发展我公司已完成项目规划报告、可行性研究报告、项目申请报告等前期咨询300余项，完成电站施工图设计100余项，累计实现并网容量达800MW，单体电站容量最大为200MW，完成微网储能电站8项。光伏农业一体化项目的可研报告50项，施工图设计18项目，已实现并网发电容量115MW，主要包括：英利集团定州国香养殖棚10兆瓦光伏发电项目；昌盛日电3MW农业生态大棚光伏发电示范项目；中节能招远养殖棚9.8MW太阳能光伏发电项目；中节能临沂20兆瓦光伏农业科技大棚电站项目；中节能汉川10兆瓦光伏农业科技大棚电站项目；景冉石家庄岳村10兆瓦光伏农业大棚电站项目；石家庄循环化工园区50兆瓦农业光伏发电项目；银川永宁县200兆瓦农业科技大棚并网发电项目一期30MW工程；

英利集团定州国香养殖棚10兆瓦光伏发电项目项目地点：河北省定州市装机容量：10MW，43栋猪舍屋顶并网方式：10kV并网投运时间：2012年2月并网发电量：1150万kWh/年

大唐山东即墨高新区20MW屋顶光伏发电项目（2011年金太阳示范工程集中连片项目）——昌盛日电3MW生态农业大棚项目地点：山东省即墨市装机容量：3MW，19栋连栋棚并网方式：10kV并网投运时间：2011年12月并网

中节能汉川农业科技大棚太阳能光伏并网发电项目项目地点：湖北省汉川市装机容量10MW，54栋连栋棚，4栋单栋棚35kV并网，2013年9月并网，发电量900万kWh/年大棚内主要种植食用菌、富硒茶叶棚外空地发展绿化苗木与花卉种植

中节能临沂20兆瓦光伏农业科技大棚电站项目项目地点：山东省临沂市装机容量：20MW，71栋连栋棚，3栋单栋棚并网方式：2回10kV并网投运时间：2013年11月并网，发电量：2240万kWh/年主要开发种植蓝莓、食用菌、蔬菜及高端苗木花卉

中节能招远蚕庄9.8MW太阳能光伏发电项目项目地点：山东省招远市装机容量：9.8MW，42栋养殖牛舍大棚并网方式：35kV并网投运时间：2013年10月并网，发电量：1194万kWh/年棚内养殖肉牛

河北景冉石家庄岳村10兆瓦光伏农业大棚项目项目地点：河北省石家庄市装机容量：10MW，397栋单栋棚，2栋连栋棚并网方式：10kV并网投运时间：2014年8月并网，发电量：1180万kWh/年棚内种植食用菌、蔬菜等

凯润昌黎200MWp光伏生态农业项目一期50MW项目地点：河北省昌黎县装机容量：5