周博士考察拾零（一百一十五）幾種光伏食用菌設施模式

周長吉（農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125）

曾幾何時，光伏農業(yè)的概念叫響了祖國的大江南北。筆者曾調研過多個光伏農業(yè)生產園區(qū)[1-4]，但基本都是以種植蔬菜為農業(yè)生產目標。由于蔬菜生產對光照強度要求高，而光伏發(fā)電為獲得更多的發(fā)電量需要截獲一定量的光照，因此農業(yè)生產和光伏發(fā)電因為光照資源產生競爭關系，在實際生產中通常是犧牲農業(yè)生產而保全光伏發(fā)電，一是因為光伏發(fā)電一勞永逸，基礎設施建設完成后基本可以坐收盈利；二是光伏板實際上阻截了陽光，直接影響了農業(yè)生產的產量和質量，農業(yè)生產效益不高或者說基本沒有效益。盡管園區(qū)生產者們在想辦法保全農業(yè)生產，如選用耐弱光的作物[2]、光伏板設置在日光溫室的后屋面[3]、采用具有一定透光率的非晶硅光伏板、減小光伏板在溫室采光面上的布置密度、改變光伏板在溫室屋面上的布置方式等[5]，但光伏發(fā)電和作物生產爭光、爭地的矛盾一直沒有妥善解決。

食用菌生產僅需要極弱的光照或不需要光照，工廠化食用菌種植是在完全人工補光的廠房中生產，而一些喜光的食用菌一般也是在強烈遮光的溫室或大棚內種植，用光伏板遮光不僅滿足了食用菌生產遮光的要求，而且光伏發(fā)電額外創(chuàng)造了工業(yè)的經濟效益，使土地生產的效益向空間延伸，大大提升了土地開發(fā)利用效益，是真正意義上的光伏農業(yè)。

早期光伏食用菌種植設施是將光伏板滿鋪在設施屋面上，將其作為設施的屋面板，四周設置保溫圍護墻，形成封閉的食用菌種植設施（圖1）。這種設計使設施處于全封閉狀態(tài)，設施的保溫性能好，但通風和降溫性能較差，尤其到了夏季，由于光伏板背板的熱輻射將光伏板吸收的大量熱量直接釋放到設施中，使設施內長期處于高溫環(huán)境，增設通風降溫設施又增加了建設投資和運行費用，因此設施的建設成本和運行費用較高，大大降低了農業(yè)生產的實際收益。

圖1 屋面覆蓋光伏板四周保溫板圍護的食用菌生產設施

2020 年8 月，筆者在貴州省黔西南苗族布依族自治州安龍縣調研時發(fā)現在群山林立的平壩區(qū)內建設了大片的光伏設施（圖2）。在貴州這種山多地少的地區(qū)，難得有如此寬闊的平壩面積，怎么能夠建設如此規(guī)模的光伏發(fā)電廠呢？帶著這個疑問筆者走進了光伏設施的現場，原來這是在光伏板下安裝塑料大棚，并在塑料大棚中種植香菇的大面積光伏種植設施。

圖2 安龍縣平壩區(qū)內的光伏食用菌設施

貴州在“十三五”期間提出發(fā)展“十二大產業(yè)”，食用菌產業(yè)位列其中。利用光伏板下塑料大棚種植食用菌，可在光伏板下形成敞開空間，有效降低了光伏板背板輻射傳熱在塑料大棚內的集聚，塑料大棚依靠自然通風解決了夏季的通風降溫問題，塑料大棚又保證了冬季的保溫問題，而且大棚建造的成本還不高，由此實現了在較低投資的條件下獲得光伏發(fā)電和食用菌生產的雙重經濟效益，在不破壞耕地和符合國家耕地政策的前提下，實現了經濟效益和生態(tài)效益的最大化，因此是一種真正意義上的光伏農業(yè)模式。在此，筆者將這種設施形式做一介紹，供業(yè)界同仁們研究和借鑒。

連棟雙坡面光伏支架下的設施模式

為保證光伏板之間互不擋光，傳統的光伏板都是坡面向南、南北間隔布置。光伏板向南的傾斜坡度主要取決于建設地區(qū)的地理緯度，以單位面積光伏板周年截獲最大太陽輻射為目標，根據太陽光的周年輻射強度和輻射角度，按照太陽能理論進行計算確定。南北相鄰光伏板之間的間距以當地時間冬至日9:00 以后南側光伏板不遮擋后側光伏板采光為原則，按照該時刻的太陽高度角計算確定。

傳統的地面光伏發(fā)電站都是采用單柱支撐光伏板，為了最大限度降低工程造價，光伏板的架設高度一般距地面1 m 左右。由于光伏板架設比較矮，在光伏板下安裝塑料大棚的高度將受到限制，大棚內的種植空間小，不僅不便于種植操作，而且環(huán)境調控的難度也較大。為此，園區(qū)的建設者在建設光伏支架時，將光伏板的下沿提高到了距離地面3.5 m 的高度，保證了光伏板下塑料大棚的建設空間。為了使光伏板的布置完全不影響板下塑料大棚的建設和生產，設計者將支撐光伏板的支架設計成了連棟雙坡面門式剛架結構（圖3～4），將光伏板布置在門式剛架結構的南側屋面，北側屋面鏤空（圖5），一是不影響北側屋面的散射輻射進入大棚；二是在熱壓和風壓的自然作用下南側屋面上光伏板背板的輻射熱將會很快散失不會在光伏板下集聚大量的熱量而造成下部塑料大棚內的熱量集聚，從而有效降低了塑料大棚運行的降溫負荷。

圖3 連棟雙坡面光伏支架結構圖

圖4 連棟雙坡面光伏支架實景圖

圖5 連棟雙坡面光伏支架下的單棟塑料大棚

在連棟雙坡面門式剛架光伏支架下一般建設單棟的塑料大棚（圖5），每個門式剛架下建設一座塑料大棚。這種建設模式保證了種植塑料大棚之間的通風間距和安裝或更換塑料薄膜以及遮陽網的操作空間。為了保證食用菌種植對遮光的要求，在塑料大棚外表面還進一步覆蓋了黑色遮陽網。由此可以看出，光伏板對塑料大棚內食用菌的種植完全沒有影響，在“光”這一共需資源上最大限度將其用于光伏發(fā)電，不會給農業(yè)生產造成任何影響，農光互補是完全可行的。

和沒有光伏支架的傳統塑料大棚設施生產區(qū)一樣，單棟的塑料大棚由于大棚棟與棟之間需要留有一定的通風和作業(yè)空間，從土地高效集約利用的角度來講，還存在一定的土地浪費現象。為提高土地利用率，設計者采用了連棟溫室的設計思想，直接借用連棟雙坡面光伏支架的立柱，在立柱上設天溝，用天溝支撐大棚屋面，即形成土地面積高效利用的連棟塑料溫室（圖6）。從外形看（圖6a），這種結構是一種雙層屋面的連棟溫室，其中上層屋面南側鋪設光伏板，北側鏤空，下層屋面為溫室屋面，用塑料薄膜覆蓋保溫遮雨，用遮陽網遮陽進一步降低溫室內的光照強度。和傳統的連棟塑料薄膜溫室一樣，溫室通風采用屋面卷膜通風，在溫室天溝兩側屋面設置手動或電動卷膜開窗，可有效降低溫室內的空氣溫度，保證室內種植作物的正常生長。

圖6 連棟雙坡面光伏支架下的連棟塑料溫室

單棟單坡面光伏支架下的設施模式

無論是連棟雙坡面光伏支架下單棟塑料大棚還是連棟雙坡面光伏支架下連棟塑料薄膜溫室，都需要連片的平整且規(guī)則的土地，但在山區(qū)或丘陵地帶，找到大片的平整土地并不容易，或者雖有平整土地但也不一定很規(guī)則。為了能有效利用每一寸土地，彌補連棟雙坡面光伏支架不能充分利用零碎、邊緣或不規(guī)則土地的缺陷，建設者設計了一種單棟單坡面的光伏支架（圖7）。這種支架只有一個朝南的屋面，上鋪光伏板，光伏板下和連棟雙坡面光伏支架下單棟塑料大棚一樣布置一棟塑料大棚。為了避免光伏板過多遮光，設計者在本應布置4 塊光伏板的屋面上有意少鋪了1 塊，即在光伏屋面的中部開設了一個窗口，可使部分直射陽光照射到光伏板下部的塑料大棚，從而有效保證了塑料大棚的采光。

圖7 單棟單坡面光伏支架及其塑料大棚

對于種植如香菇等食用菌而言，這種屋面天窗的設計是否有意義筆者似有一定的保留，但如果塑料大棚內種植相對喜光的作物，這種對光伏發(fā)電的犧牲卻非常有利于保障農業(yè)生產的功能，為今后改變種植作物的品種留出了一定空間。至于大棚內光照的不均勻性以及適合哪些作物生產還有待不斷的探索和實踐。

獨立柱光伏支架下的設施模式

筆者在調研中還發(fā)現，盡管有大量的光伏支架采用了門式剛架結構，下面可根據需要建設單棟塑料大棚或連棟塑料溫室，但仍有不少的光伏支架采用了獨立柱支撐的地面光伏電站的結構形式（圖8a）。這種光伏支架支撐光伏板的空間高度較低，光伏板下沿距離地面的高度為2.0 m。這是為種植羊肚菌而專門設計的。羊肚菌為地面種植，適宜生長溫度為5～20℃，按照安龍縣的氣候資料，這里10 月～ 次年4 月室外溫度基本在這個范圍內。為了充分利用自然條件并盡量減少建設投資，羊肚菌的生產選擇在室外氣溫適宜的每年10 月～ 次年4 月份期間完全依靠室外自然條件種植。種植期間的大部分時間內只需要在光伏支架的相鄰立柱上設置縱向和橫向的鋼絲，并在鋼絲上搭設遮陽網即可滿足基本生產要求（圖8b）。遇到極端氣候條件時，可在種植床面上臨時搭設小拱棚（圖8c），覆蓋塑料薄膜保溫即可安全越冬生產（因為當地冬季基本沒有低于0℃以下的天氣條件），同時搭設小拱棚覆蓋塑料薄膜還可防止夏季的降雨，不會影響作物的有效灌溉和施肥。

圖8 獨立柱光伏支架及其種植設施

2.0m 高的光伏板檐口基本不影響操作人員的作業(yè)。前后兩排光伏板支柱的間距為5.0 m，按照1.2 m 寬種植床面（兩邊操作），兩排光伏板支架下可鋪置3 條種植床面。床面上的小拱棚可采用竹條做拱桿；也可以采用標準化的鍍鋅鋼筋或鋼管做拱桿。塑料薄膜可采用一側固定，另一側活動的安裝方式；也可以采用頂部固定，雙側可卷起的安裝方式。在需要通風降溫時將塑料薄膜卷起，需要保溫時將塑料薄覆蓋即可。

大棚內香菇種植模式

大棚內的香菇種植采用菌棒直立地面栽培模式（圖9）。菌棒為15 cm×55 cm 的聚乙烯筒袋。大棚的跨度為6 m，標準種植床分為寬面和窄面兩種寬度（圖9b、圖9c），寬面寬度為1.4 m，窄面寬度為0.7 m，香菇棒之間凈距為5 cm，即每個菌棒的占地面積為20 cm×20 cm。種植床上每20 cm 間距拉一根鋼絲，菌棒靠立在鋼絲上即形成種植床。寬面床共靠立9 列菌棒，窄面床共靠立5 列菌棒，6 m 跨大棚共2 個寬面床和1 個窄面床，每跨共靠立23 列菌棒，60 m 長大棚共靠立6900 個菌棒。

圖9 大棚內香菇種植情況

大棚外表面覆蓋塑料薄膜和遮陽網用于大棚的保溫、保濕和遮陽，兩側安裝手動或電動卷膜器用于溫室的通風。大棚內安裝2 列噴頭用于降溫和增濕。需要指出的是在大棚的兩側山墻也應覆蓋黑色遮陽網，避免早晨和傍晚太陽東、西斜射時大棚內光照過強。