寧夏地區(qū)光伏枸杞產(chǎn)業(yè)模式的研究

馬俊鵬，楊靜玲，劉菲燕

（1.寧夏回族自治區(qū)電力設計院有限公司，寧夏 銀川 750016；2.北方民族大學，寧夏 銀川 750030）

0 引言

寧夏太陽能資源豐富,建設條件較好，截至2021年底光伏累計裝機13 840 MW，占寧夏電力裝機的22%，逐漸成為推動寧夏經(jīng)濟社會發(fā)展的重要動力。在光伏建設高速發(fā)展的同時，寧夏適宜光伏發(fā)展的土地資源日趨緊張，用地空間不斷萎縮導致其持續(xù)高效發(fā)展受到嚴重制約。通過“光伏+”理論研究和工程應用的不斷探索，光伏農(nóng)業(yè)可在不改變土地性質(zhì)的前提下將光伏組件與農(nóng)作物種植空間及設施進行有效結(jié)合，不僅能高效利用太陽能資源、土地資源，產(chǎn)出清潔綠色能源，而且能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，為綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一種新的路徑。寧夏枸杞種植面積已達到6.7萬hm2，成為寧夏九大重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一，種植面積將會進一步擴大。本文著重結(jié)合寧夏實際區(qū)情探索光伏枸杞產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新發(fā)展模式及其產(chǎn)生的社會經(jīng)濟價值，并以已投運光伏枸杞示范項目為典型案例，對其空間利用的技術方案進行研究分析，以實際產(chǎn)出物生理指標數(shù)據(jù)評估“光伏+”對枸杞品質(zhì)的影響程度，并通過調(diào)研的實際數(shù)據(jù)量化其可直接帶動的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，為光伏產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展和枸杞產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化推進提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 國內(nèi)外研究情況的簡介

中國光伏產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟將光伏農(nóng)業(yè)初步定義為一種在農(nóng)業(yè)之上服務于農(nóng)業(yè)，有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展和效益提高的光電與農(nóng)業(yè)復合系統(tǒng)。光伏農(nóng)業(yè)模式的開發(fā)與推廣不僅可以充分利用豐富的太陽能資源產(chǎn)生的綠色電力能源，節(jié)約煤炭、土地和資源能耗，減排CO2、SO2和煙塵等污染物，還可就地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電力需求，增加農(nóng)村缺能地區(qū)的能源供應量，減少資源浪費，實現(xiàn)綜合利用，降低農(nóng)村生產(chǎn)、生活用能造成的環(huán)境污染，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、促進農(nóng)民增收、增加就業(yè)機會等方面將會發(fā)揮更大的作用［1-6］。

目前對太陽能發(fā)電方面研究較多的為地面光伏發(fā)電項目。光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)電項目起步較地面光伏發(fā)電項目晚，對其研究相對較少，歐洲和日本［7-9］的研究內(nèi)容多趨向于對光伏組件與大棚的結(jié)合方式、光伏組件類型及發(fā)電效率等方面，但是針對發(fā)電項目對生態(tài)農(nóng)業(yè)影響的研究很少。近年來，光伏農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展也促進了國內(nèi)研究，文獻[10-11]對大型漁光互補進行了定量分析，可以提高資源利用率和單位面積土地的經(jīng)濟價值，對光伏電站的大范圍應用具有重要的推動作用。文獻［12］中四川省喜德縣兩河口鎮(zhèn)瓦爾西總村農(nóng)光牧光一體光伏扶貧電站對光伏牧業(yè)進行了探索，但到目前為止還沒有學者詳細分析光伏電站的建設對枸杞生理特征的影響，以及智能技術的融合對枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合影響，本文將對此展開研究。

2 寧夏光伏枸杞產(chǎn)業(yè)模式研究

在農(nóng)業(yè)大棚種植中應用光伏發(fā)電，優(yōu)化傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚塑料頂棚單一功能，充分利用“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)+生態(tài)環(huán)境”特色資源，依托觀賞、采摘苗等生態(tài)農(nóng)村旅游資源，配合有機、健康蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)采摘,逐步發(fā)展多模式的集“觀光+休閑+體驗”一體化旅游項目，對發(fā)展規(guī)?；⑻厣^光農(nóng)業(yè)有積極促進作用［13］。寧夏枸杞已成為我區(qū)最具地方特色和品牌優(yōu)勢的戰(zhàn)略性主導產(chǎn)業(yè)，枸杞在全區(qū)種植面積約6.7萬hm2，占全國45%；同時，太陽能資源豐富，輻射總量等級屬于全國豐富帶。依托寧夏自然稟賦資源，以特色優(yōu)勢有機枸杞種植農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主線，建設以有機農(nóng)業(yè)為基礎，以市場為導向，科學合理融合光伏發(fā)電提高土地產(chǎn)出率、提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，引進高新農(nóng)業(yè)科學技術及設施，改善生產(chǎn)條件、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，以高標準、高科技含量、高效益培育現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、觀光旅游一體化的有機枸杞標準化種植產(chǎn)業(yè)：

1）依托光伏綠電豐富種植精細化管理手段。枸杞是喜光植物，種植可選擇相對耐涼性、不耐高溫的寧杞5號、7號品種，一定程度規(guī)避較弱光照對枸杞不利影響；在栽培株行距不變情況下，通過模擬研究光伏板下透光率，確定最佳株間位置，規(guī)避光照對枸杞生長影響。通過“光伏+”輸出的現(xiàn)代化技術潛力優(yōu)化田間種植管理模式、科學推動有機種植標準化，推廣高品質(zhì)枸杞品種，建成有機枸杞規(guī)范化生產(chǎn)配套技術體系，對有機種植基地實行統(tǒng)一標準、統(tǒng)一供種、統(tǒng)一指導的經(jīng)營管理模式，配套開展科研、生產(chǎn)實驗、科普示范、成果展示、技能培訓等活動，提升枸杞綜合品質(zhì)。

2）融合多元技術拓寬枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。光伏枸杞可通過結(jié)合智能化、數(shù)字化的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，致力于現(xiàn)代有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開發(fā)。以“光伏+儲能”模式為代表的智能微電網(wǎng)建設，將改善傳統(tǒng)新能源電源波動性和間歇性特征，增強源網(wǎng)荷儲的融合與靈活性。以能源管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術融合為切入點，集成無土栽培技術與自動化裝備，通過可視化管理和智能化決策，實現(xiàn)作物精準化高效生產(chǎn)，最終通過開展用能信息廣泛采集、能效在線分析，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互動、多能協(xié)同互補、用能需求智能控制。依托光伏輸出的綠色電力和智能系統(tǒng)規(guī)劃投資建設枸杞產(chǎn)品精深加工廠及倉儲物流配送中心，探索開展枸杞精深加工、保健產(chǎn)品研究開發(fā)與生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品物流等經(jīng)營活動，促進農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)代化、土地利用高效化的同時完善上下游產(chǎn)業(yè)鏈條，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，形成生產(chǎn)、加工、運送一體化發(fā)展，多維手段持續(xù)提高產(chǎn)品附加值，把寧夏特色資源優(yōu)勢融合孵化為更具經(jīng)濟性的地方產(chǎn)業(yè)，提高農(nóng)民生產(chǎn)積極性，帶動農(nóng)戶增產(chǎn)增收，以綠色低碳助力鄉(xiāng)村振興的高質(zhì)量實施。

寧夏適宜種植枸杞的土地資源豐富,且分布廣泛，隨著農(nóng)網(wǎng)改造計劃的推進，國家電網(wǎng)有限公司對鄉(xiāng)村“沐光”的支持力度逐步加強，開發(fā)建設分布式光伏枸杞潛力巨大。在國家鄉(xiāng)村振興實施、整縣光伏推進的相關政策加持下，依托寧夏銀川濱河新區(qū)光伏枸杞示范項目規(guī)?；圏c的基礎，在寧夏條件成熟的地方因地制宜、靈活多元地開展分布式光伏枸杞的試點研究，大力推進枸杞區(qū)域化發(fā)展、良種化栽培，規(guī)范病蟲害防治、標準化生產(chǎn)和機械化裝備。同時，為整個鄉(xiāng)村的能源平衡提供解決方案，助推鄉(xiāng)村用戶成為綠色電力生產(chǎn)型消費者，全力提升鄉(xiāng)村用能電氣化水平，大力推廣電能替代，以基本單元為對象探索寧夏“雙碳”目標實施路徑。在這種模式下，枸杞種植、光伏建設、電站運維為促進本地就業(yè)及為鄉(xiāng)村經(jīng)濟注入活力。加快現(xiàn)代化農(nóng)村基礎設施以及設備的建設，讓人民群眾的生活更有保障。企業(yè)也可以通過產(chǎn)業(yè)投資得到更多收益，還能增加當?shù)氐木G電產(chǎn)出，助力美麗新農(nóng)村建設，助推寧夏鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的高質(zhì)量實施。

3 寧夏光伏枸杞示范項目運行實效

3.1 項目技術方案

2016年，位于寧夏銀川市的光伏枸杞示范項目啟動規(guī)劃和建設，構(gòu)建了“一地多用、農(nóng)光互補”的新型特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，在枸杞種植上方規(guī)劃建設了3 GWp的光伏發(fā)電，一期已建成投運1 GWp的光伏發(fā)電，積極推進建立農(nóng)光游一體化有機枸杞標準化種植示范基地，推動特色枸杞產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。光伏電站主要由光伏方陣、組串式逆變器、箱變、交流集電線路、升壓變壓器、并網(wǎng)點配電柜等組成，每1 MW光伏子陣最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）路數(shù)高達88路，太陽能經(jīng)直流轉(zhuǎn)換、逆變匯集高效升壓成符合電網(wǎng)頻率和電壓要求的電源。同時，利用高支架、帶傾角（20°）的平單軸充分保證地面空間和光伏板下農(nóng)作物的日照時間，通過調(diào)整光伏基座東西、南北間距，控制畝定植株數(shù)等措施，項目區(qū)將光伏板高度增加到了2.2 m；光伏基座東西間距6.7 m、南北7.8 m，畝定植株數(shù)為196株，達到了既不影響光伏項目，也不影響種植項目實施的目的。

項目全部采用光電轉(zhuǎn)化率高效的單晶硅組件，如圖1所示，配備先進的某智能組串式逆變器和帶傾角的平單軸自動跟蹤技術，光伏子陣的轉(zhuǎn)換效率為98.3%～99%。配合帶傾角（20°）的平單軸自動跟蹤專利技術，較傳統(tǒng)集中式光伏電站，發(fā)電量提高18.7%。配備的某智能光伏云系統(tǒng)可遠程診斷，精確快速定位故障，并優(yōu)化巡檢消缺路線，實現(xiàn)各類故障提前排查處理，提高運維效率。

圖1 寧夏光伏枸杞示范項目竣工實景圖（2017年）

3.2 實際運行效果

2013年，寧夏銀川市啟動黃河東岸荒漠化治理。這片位于黃河東岸的荒漠化土地曾經(jīng)滿目焦黃、寸草不生，植被覆蓋率僅有30%。2016年示范項目建成投運后，通過植樹造林、種植苜蓿等舉措逐步改良土壤、修復生態(tài)，2018年植被覆蓋率已提升到了85%，如圖2所示。截至2020年12月底，較傳統(tǒng)火電，該電站累計減少CO2排放204.7萬噸，相當于新種植約8 900萬棵樹。同時，依托光伏電站先進智能的信息與通信技術（information and communications technology，ICT）以及無線寬帶系統(tǒng)、無人機巡檢、智能光伏云等運維手段，對枸杞種植推行現(xiàn)代化、標準化管理，采用國際領先的水肥一體化滴灌技術，使用自加工無公害有機肥料，最大程度節(jié)約水資源，保證土壤活性，保留枸杞營養(yǎng)價值。

圖2 寧夏光伏枸杞示范項目全場運行后鳥瞰圖（2018年）

3.3 枸杞種植效果

示范項目建設6 667 hm2有機枸杞標準化種植示范基地及沿示范基地周邊配套建設防風固沙生態(tài)林2 667 hm2。投入運行后，已完成區(qū)域內(nèi)土壤經(jīng)有機質(zhì)提升及生態(tài)修復，如圖3所示。采用枸杞有機標準化種植技術種植2 306萬株高產(chǎn)枸杞（按照成活率85%計算），形成年產(chǎn)有機枸杞鮮果7.5萬噸枸杞產(chǎn)業(yè)示范帶。在農(nóng)光一體化特殊環(huán)境下，枸杞的內(nèi)含物含量與國內(nèi)其他枸杞產(chǎn)區(qū)也有明顯差異。其中枸杞多糖含量為4.3 g/100 g，β-胡蘿卜素為8.3 mg/100 g，遠高于其他產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)品先后取得歐盟、日本、美國有機認證，連續(xù)3年取得GAP認證。

圖3 寧夏光伏枸杞示范項目枸杞種植實景圖（2018年）

3.4 社會經(jīng)濟效益

示范項目把發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)和精準扶貧有機結(jié)合起來，利用枸杞產(chǎn)業(yè)勞動密集性特點，積極探索“企業(yè)+貧困農(nóng)戶及下崗職工”合作經(jīng)營的精準扶貧模式，帶動貧困家庭脫貧致富奔小康。項目建成后，季節(jié)性帶動農(nóng)戶2 000戶以上，戶均年增收達6 000元以上，并提供1 800個就業(yè)崗位。對電站光伏板的清洗和枸杞地除草、抹芽、修剪、施肥、采摘，基地每年用工約8萬人次，農(nóng)民可增收約4萬元［14］。此外，年接待農(nóng)業(yè)觀光客10萬人次。光伏枸杞的雙就業(yè)可以幫助當?shù)剞r(nóng)民脫貧致富。

4 結(jié)論

光伏枸杞是構(gòu)建“一地多用、農(nóng)光互補”的新型綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，可較大限度、較高效率利用寧夏特色自然資源。已投運的光伏枸杞示范項目占地6 667 hm2，應用帶傾角的平單軸高效發(fā)電技術方案，在不影響枸杞正常生長的前提下，可規(guī)劃建設光伏發(fā)電規(guī)模3 GWp，年均發(fā)電量54億kW·h；年產(chǎn)枸杞7.5萬噸，枸杞多糖含量為4.3 g/100 g、β-胡蘿卜素為8.3 mg/100 g；基地每年用工約8萬人次，每個農(nóng)戶可增加年收入約4萬元，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟、社會雙收益。同時，通過“光伏+”輸出的綠色電力和多元智能技術優(yōu)化田間種植管理模式、縱向規(guī)劃枸杞產(chǎn)品精深加工廠及倉儲物流配送中心，完善上下游產(chǎn)業(yè)鏈條，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。光伏枸杞以綠色、低碳、科技、創(chuàng)收為出發(fā)點，探索光伏建設新模式，滿足光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要；實現(xiàn)枸杞種植現(xiàn)代化，形成產(chǎn)業(yè)一體化發(fā)展。