太阳能光伏农业大棚初步评估报告

太阳能光伏农业大棚初步评估报告前言太阳能光伏农业大棚将光伏产业与农业联系起来,带动绿色农业发展,有望实现真正的低碳、绿色和循环农业。现在我国温室大棚农业正处于快速发展阶段，光蔬菜大棚就有将近64万公顷，使得光伏农业大棚有着光明的市场开拓空间。2009年10月在江西上饶沙溪镇,光宝承建了国内首个薄膜太阳能农业大棚发电站。根据不完全统计,在江西、广西和江苏,目前全国已有近30个薄膜太阳电池农业大棚发电站的“示范点”,部分实现并网发电。但到目前为止，还大都处于试验示范阶段，并没有大规模的推广和商业运用。具体阻碍发展因素有以下几点：成本高：一般农业蔬菜大棚造价不超过100元/米^2，造价最高的玻璃智能温室大棚在700元/米^2，而光伏农业大棚造价透光率和发电效率的矛盾：透光率高，发电效率就降低，这两者不可以兼得。目前种植豆芽、芽黄菜等不需要阳光的蔬菜最理想，叶菜类（特别是耐高温高湿品种）对生长无较为明显影响。其余都待实验验证。且以上都没有数据佐证。薄膜太阳能电池的寿命：晶硅电池在国际上得到证实的使用寿命超过30年，而薄膜电池的使用寿命则说法不一，商业模式是建立在薄膜电池的使用寿命为20年的基础上的。土地利用率的问题：因为考虑光照角度及光线、结构等问题造成土地利用率不高，选择性降低。财政补贴：国家对薄膜太阳能农业大棚电站的补贴不高，今年两会期间，曾有人大代表提议，在“金太阳示范工程”项目补助50%的基础上，将资助比例提高到70%。种植作物的选择问题：因为要同时符合光伏农业大棚特点、市场和行情、作物生长规律，目前市场上还没有找到一个成熟的模式。故此，我们在公司大棚种植以探讨可行性种植模式。光伏农业大棚特点：太阳能板透光性薄膜太阳能的透光率和光与光合作用的关系如下图所示。因为阳光照射不仅与光合作用息息相关，且对果实中色素、糖分等的影响，因此光照时间对一些作物的成熟会有影响，光伏大棚应该把这些影响考虑在内。现在的一些光伏大棚也会加LED灯增加光照时间。图1、对不同波长光的透光率图2、不同波长光与光合作用的关系光照对作物的影响，以西红柿为例，根据西北农业科技大学的研究，番茄种子最低发芽温度为8．7℃，最适温度是20—25℃，高于35℃不少品种发芽率降低。据试验，西红柿每天日照时数14—16小时为最理想，但在光照充足的情况下，日照8小时也生长得很好。对光照度的要求以3—4万勒克斯为宜，其光饱和点为7万勒克斯。长期阴天，西红柿易徒长，枝叶幼嫩、细弱，易落花落果，果实发育不充分，着色不良和平淡无味，产量减低。有人曾做过试验，把西红柿从第一花穗开花时进行各种不同日照的处理，大体12—13天后，完全自然光照1—3穗花，，平均落花仅15．2％，50％的自然光照则落花62．9％，15％的自然光照落花高达91．1％。温室内自然温度增加3-5度（约27度），并且光照强度增加10000LX处理下番茄果实蔗糖、果糖和可溶性糖积累明显增加。保温性能农业大棚对保温性能的要求高，在冬季保温可以起到良好的促生长作用。不同作物对生长最适宜温度不同，一般作物最佳生长温度都在15到30度。虽然光伏大棚薄膜太阳能板吸收部分阳关，但由于四周密封，无法散热，所以棚内温度仍大于棚外温度。8月份取早上6点、中午12点，晚上6点三个阶段时间棚内外平均温差分别为0度、6度、4度。在太阳光可以照射进棚内的情况下温度快速升高。白天棚内温度已经不适于植物生长。以西红柿为例，生育适温为13～28℃，同化作用最适宜温度20～25℃；温度低于15℃生长缓慢，且不能开花或授粉不良；5℃茎叶生长停止；1℃以下开始冻死；30℃以上呼吸消耗大于同化积累；35℃以上影响开花结果；40℃停止生长；42℃，空气湿度在50%以下就可能烧苗。种子发芽最低温度为10℃，最高35℃，最适宜28～32℃；低于15℃或高于30℃都不利于西红柿红素的形成。所以大棚夏天可考虑打开周围四壁通风（或把壁面做成活动式或者可拆卸式），或者喷雾等降温措施。其它通透性一般大棚设计要考虑灌溉排水、通风、防雨雪风霜。四周壁面的自由拆卸组合（可以调节气温空气，又可有效利用土地，利于风昆虫授粉），壁板材料的选择以适应不同气候和种养殖类型，通风也可调节二氧化碳溶度。温室大棚因为保温等要求所以对密闭性要求很高。但在夏天因为仅室外温度已经达到植物最佳生长温度，所以以前的简易大棚一般到夏天都会拆除或者给棚内通风、喷水等以降低棚内温度。同时通风也可以降低棚内的湿度。在不通风的情况下，棚内白天相对湿度可达60－80%，夜间经常在90%左右，最高达100%。棚内适宜的空气相对湿度依作物种类不同而异，一般白天要求维持在50－60%，夜间在80－90%。为了减轻病害的危害，夜间的湿度宜控制在80%左右。大棚密闭性和透光性使得一些昆虫难以进入大棚，从而不能对植物授粉。由于蜜蜂金龟子等一些授粉昆虫有趋光性，进入大棚后会在大棚内会不停的撞透光板无法飞出去，在中午炎热高湿的环境下很快就会死亡。现在大棚为了保温，在北方地区会再其中一面筑起土墙，或者四面修一层基础墙。上面薄膜用卷帘机控制开关。增加大棚内的二氧化碳浓度可以明显提高植物产量，因为光合作用是一个吸收二氧化碳释放氧气的过程。同时二氧化碳是温室气体，浓度越高保温性越好。以下为集中植物常见的二氧化碳需求量：一般大气中二氧化碳CO2含量不足330PPm品种苗期（ppm）开花期（ppm）结果期（ppm）结果盛期（ppm）黄瓜1500250035004500辣椒1500300038004600西葫1000200028003500西瓜1500260037004800西红柿1200220034005100芸豆900180024003300土豆1800290042003800西芹800中期1200后期1600草莓1200260036004600葡萄1400280041005500农业用地面积因为光伏农业大棚单位面积成本大大高于一般用地，因此土地的利用率直接涉及单位成本的计算。光伏农业大棚在优先考虑发电效率和作物经济价值的基础上尽量提高土地利用效率。在向阳面与被阴面（有太阳能板面）根据不同的光照条件配置以对光照要求不同的植物。光伏农业大棚四周土地的利用：光伏大棚四周墙面下一般大棚都极少利用，在南方夏季气候合适时可以不做土或砖墙，利于利用土地。一些较高的大棚可用于立体农业，提高空间利用率，用LED光补充光照。特别是用在育苗的时候，可把育苗床上架。藤蔓类作物可用架子或者绳索牵引往上生长。在防雨及灌溉设施较好的请款下可以减少排水沟和垄沟，硬化的路面便于人和器材通行即可。二、光伏农业大棚初步试验过程1、实验目的：为验证及量化各种作物在光伏农业大棚下的生产性能，以挑选出最适宜光伏农业大棚条件下的作物，充分发挥光伏农业大棚的优势。2、实验起止时间和参与人员：时间段8.6---8.193、实验条件和工具A土壤类型：地处钱塘江边，为砂粒细的砂质土。当地气候类型：亚热带海洋性湿润气候区，常年平均气温15.9°C，年均降雨量1187毫米，日照2002.9小时，无霜期233.5天。8月份气温在26-35度之间。B工具：遮阳网、锄头、竹架、茅草、水桶、喷水壶、秤、温度湿度计4、作物的选择为体现实验的普遍性和代表性，故初步选择叶菜类：大白菜、苋菜、油麦菜说明：苋菜油麦菜木耳菜耐高温、易于种植成活，生长速度快。大白菜要选用耐高温品种，生长周期短，怕雨淋瓜果类：西红柿、黄瓜说明：是夏季常种植品种，但都有较短花期，需要注意人工授粉问题。及通风降温，以提高坐果率根茎类：一点红萝卜夏秋常见作物，水分要求高，比较耐高温调味类：辣椒、小葱小葱对环境要求不高，也比较耐高温。辣椒自花传粉，不需要通过媒介传播花粉场地平面图（带颜色的为棚内）8.4号开始播种黄瓜(8.7发芽)路茄子（8.9发芽）黄瓜（8.7发芽）苋菜（8.6发芽））油麦菜（没发芽）大白菜（8.6发芽）辣椒（8.9发芽）茄子(8.9发芽)莴笋（没发芽）辣椒（8.9发芽）莴笋（没发芽）萝卜(8.5发芽）小葱（8.8发芽）萝卜（8.5发芽）路电箱花（8.10发芽）花（8.10发芽）西红柿（没发芽）木耳菜（8.10发芽）木耳菜（8.10发芽）向日葵向日葵枸杞枸杞三、实验过程记录每天温度湿度天气状况（包括棚内外两份），早中晚三次表1、实验期平均温度记录时间棚外棚内对比6:0026.5度26.5度没太阳情况下一致13:0033.7度39.4度棚内温度已不适合植物生长18:0030.2度36.7度没太阳后温度逐步降低注：以上温度为平均温度。发芽时间表统计表格表2、发芽时间表品种棚内棚外对比黄瓜3天3天同苋菜2天没有同油麦菜没发芽没有同大白菜2天没有同莴笋没发芽没有同萝卜1天没有同茄子5天5天同辣椒5天5天同小葱4天没有同木耳菜6天没有同西红柿没发芽没有同凤仙花6天6天同向日葵没发芽没发芽同枸杞没发芽没发芽同表3、发芽率品种棚内棚外对比黄瓜72.3%87.2%棚内低于棚外苋菜85．0%没有种正常油麦菜0没有种无发芽大白菜85.0%没有种正常莴笋0没有种无发芽萝卜75%没有种正常茄子68．9%84.6%棚内低于棚外辣椒64.1%78.3%棚内低于棚外小葱58.9%没有种低于正常70%水平木耳菜69.0%没有种低于正常70%水平西红柿0没有种没发芽凤仙花66.8%73.7%棚内低于棚外向日葵0没有种没发芽枸杞0没有种没发芽表4、苗成活率品种棚内棚外对比黄瓜58.4%94.7%棚内低于棚外苋菜61.2%没有种低于正常水平油麦菜0没有种无发芽大白菜94.3%没有种正常莴笋0没有种无发芽萝卜64.3%没有种低于正常水平茄子79.7%95.3%棚内低于棚外辣椒64.6%93.5%棚内低于棚外小葱54.3%没有种低于正常水平木耳菜90．2%没有种正常西红柿0没有种没发芽凤仙花71.4%90%棚内低于棚外向日葵0没有种没发芽枸杞0没有种没发芽表5、生长状态统计品种棚内棚外对比黄瓜叶枯黄，基本停止生长，80%分蘖（2-4叶）98%分蘖（4-6叶），叶稍黄，有虫蛀（5%）棚内低于棚外苋菜61.2%，30%生长正常没有种低于正常水平油麦菜0没有种无发芽大白菜94.3%，生长较慢，已分叶没有种正常莴笋0没有种无发芽萝卜64.3%，抽苗严重，易倒伏。没有种低于正常水平茄子79.7%，生长缓慢92.0%棚内低于棚外辣椒74.6%，生长缓慢93.5%棚内低于棚外小葱54.3%，生长缓慢，易枯苗没有种低于正常水平木耳菜90．2%，生长停滞，分蘖慢没有种正常西红柿0没有种没发芽凤仙花71.4%，生长慢，苗嫩，2-4叶90%，4-6叶棚内低于棚外向日葵0没有种没发芽枸杞0没有种没发芽实验过程描述A实验过程状况种植行距：其中萝卜、大白菜、莴笋、苋菜、小葱撒播，行距15CM.。其余坑种，每坑凤仙花、向日葵、西红柿、木耳菜、黄瓜种子三粒，茄子、辣椒、枸杞5-6粒，间距15CM。翻土深度：播前地面全部翻过，播后覆土厚度为种子的2-4倍不等。中间没有施肥，每天早（6点）、晚（6点）浇水2次。B特殊情况解释天气异常：因大棚漏水原因导致冲毁萝卜（占20%），莴笋（占20%），木耳菜（25%）。同时因为大棚漏水的原因，小葱、黄瓜、萝卜、莴笋、木耳菜等在雨天都被水浸泡过。上述数据已经部分考虑因为大棚漏水浸泡造成的损失。因为正午是棚内温度很高，所以一般到中午地面水分就会蒸发完，空气中湿度也较棚外高。人为因数：丢失水桶一只C其它未知因数D数据的筛选提取标准：离均差：从已发芽作物生长状态来看（没有具体测量株高叶面大小），棚内单株个体差异率远大于棚外（棚内部分苗枯死的除外）。棚外作物基本生长速度保持一致，均匀度高。现在在整理数据的过程中，棚内还是又发生枯死现象。数据描述数据整理并绘制对比图表出芽率和成活率棚内外比较图3图4图5图6图7数据图表说明图3为棚内外出芽率比较，结合表2可以看出，棚内外种子的发芽时间并没有受到影响，但光伏农业大棚对种子发芽率有显著影响，棚内发芽率比棚外低了超过10个百分点。棚内外除未发芽的外，发芽时间也属于正常范围内。图4为棚内外苗成活率比较，结合表5可以看出，棚内外种苗的差异及其显著。棚内在土壤条件优于棚外的情况下，苗弱，均匀度差，且黄瓜、苋菜、萝卜、小葱在出苗后5-10天内都有枯死现象发生，先是小部分叶子有枯黄卷曲或者根茎折断倒伏，后面发展为逐步枯死。棚外除小部份黄瓜苗有虫咬及叶子颜色稍偏黄之外，基本都正常生长分蘖。而且棚内现在作物生长基本处于停滞状态，分蘖慢，像凤仙花、茄子、辣椒仍处于种苗前期状态，只有两片由种子变化而来的叶子，棚外却大多数有4-6片叶子，苗的高度和强壮度也超过棚内，在无遮挡的情况下不倒伏。图5和6分别为棚内外出芽率和苗成活率的比较。从图5可以看出，发芽率虽然较低，但接近70%的最低标准水平，且发芽率都比较整齐。而成活率却大大低于标准水平，且各个品种高低不等，像大白菜出芽率和成活率都很高，能达到种苗标准的就更少了。棚外发芽率成活率都很整齐，没有因为不同品种而出现很大的变化。棚外发芽率及成活率都超过正常的标准水平。特别是黄瓜，棚内外成活率差异极大。图7为棚内所有品种出芽率成活率对比。有莴笋、向日葵、枸杞、油麦菜四格品种没有发芽。其余品种可以看出，发芽率和成活率并不存在着直接的联系。例如苋菜、萝卜发芽率高成活率却很低，而木耳菜发芽率低于两者，成活率却非常高。三、结果分析对比结果在棚内外两个环境条件下，考虑到棚内外影响因数有光照、温度湿度、通风、水分灌溉、土壤等得不同。以棚内、外作物的生长作为观测目标，在比较光伏农业大棚内的作物与大棚外的作物生长生产性能的差异，从而找出影响因数，进而为下一步制定解决方案提供基础。质量：从前面图表及分析可以看出，光伏农业大棚无论质还是量上都与同条件下棚外对比组存在较大差距。生产周期：在苗发出5天后，棚内德苗株生长逐渐停止，都停留在2-4叶（真叶）阶段。其中萝卜抽苗严重，造成倒伏，木耳菜和凤仙花只有两片由种子发育成的叶子（真叶）。成本：因为对比实验基础条件都假定相同，成本平摊：种子200元，锄头10元，水桶13元，平整土地（3人）2个工作日，播种（1人）1个工作日，每天除草浇水（1人）3-4个小时。除：棚外种子播下去到种子发芽后4天这段期间用到遮阳网（2*10米，成本200元，可用五年）。棚外雨天不用浇水，棚内雨天部分不漏水的地方仍需要浇水，其余地方需要排水增加成本。综上考虑，现在这个阶段棚内外的成本差异可以视为相同。操作便利：规模化生产中模块化、自动化程度：因为现阶段只是小规模对比实验，一些基础没有配备完整。考虑到光伏农业大棚是有限的空间，环境控制方面较为容易，将来在大规模生产运用过程中有较为便利的优势。多种作物的相互影响（为下一步混种等坐参考）：现在还无法看出分析原因根据以上的结果，可以考虑以下几个原因造成。从以下几个角度：A、关于莴笋、油麦菜、向日葵、枸杞四种作物没有发芽：莴笋、油麦菜是一种耐寒作物，其种子对发芽温度要求较低，在15℃左右最好，发芽率可达93%以上；超过25℃，种子发芽就成困难；超过35℃，种子基本上不发芽。向日葵和枸杞可能是种子的原因，因为大棚内外都没有发芽。B、发芽的作物总体发芽时间和发芽率正常，可以认为只要温度、水分充足，光伏农业大棚并不会对种子发芽造成不良影响，这也与前面提到的其它公司进行的在光伏农业大棚内闷豆芽、芽黄菜成功的例子相佐证。C、关于生长速度慢及枯死的问题：辣椒出苗前地温须控制在20℃左右，白天气温控制在28~30℃，夜间18～20℃。当幼苗出齐、子叶平展后，为防止幼苗徒长，适当降低气温，白天控制在25～27℃，夜间17～18℃。因为大棚内白天温度远超过最适温度，加上雨天被水浸泡过好多次，所以生长受影响。黄瓜枯苗原因大致有以下几点：病害和气候危害黄瓜叶片并最初表现在子叶上的病害有：细菌性角斑病、枯萎病、黑星、炭疽、疫病，其他危害叶