漁光互補技術(shù)在農(nóng)村分布式能源發(fā)展中的研究與實踐

■ 國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司 張 非 李 凱 王秀秀 虞哲燕

隨著科技創(chuàng)新和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，漁光互補光伏發(fā)電項目在東部沿海地區(qū)得到快速應(yīng)用。漁光互補是將新能源和漁業(yè)結(jié)合在一起，采用水面上建設(shè)光伏電站，水面下進行水產(chǎn)養(yǎng)殖的模式，從而實現(xiàn)“一地兩用、漁光互補”，可有效降低水域高溫影響，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益，促進節(jié)能綠色發(fā)展，推動農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益雙贏的目的。

近年來，為加快能源消費轉(zhuǎn)型升級，推動“雙碳”目標(biāo)落地實施，全社會開啟了新能源發(fā)展應(yīng)用的加速鍵。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的成熟，農(nóng)村地區(qū)分布式光伏發(fā)電站如雨后春筍般涌現(xiàn)，既能緩解緊張的能源需求，又能實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的目標(biāo)，因此光伏發(fā)電技術(shù)在世界各國的發(fā)展勢如破竹，已占據(jù)新能源領(lǐng)域的半壁江山。

光伏發(fā)電技術(shù)最核心的是光伏電站，光伏電站的建設(shè)需要長期占用大量土地資源，而我國人均土地占地面積少，光伏建設(shè)投資回報周期較長，導(dǎo)致光伏電站的發(fā)展受到一定限制。我國東部沿海地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達，尤其是舟山作為海洋漁業(yè)強市，享有“海天佛國，漁都港城”美譽，海域面積占比高達96%，具有發(fā)展?jié)O光互補光伏發(fā)電的廣闊前景和得天獨厚的地理優(yōu)勢。

漁光互補[1]是國內(nèi)分布式光伏圈內(nèi)的新秀，采用“板上發(fā)電、板下養(yǎng)殖”的模式，在不改變形態(tài)、不影響地面原使用功能的前提下，充分發(fā)揮漁、光互補優(yōu)勢，讓漁業(yè)養(yǎng)殖與新能源產(chǎn)業(yè)同步發(fā)展，極大地提高了土地的利用率和單位面積土地的產(chǎn)值，既能緩解生態(tài)壓力，又能實現(xiàn)一地多用，真正實現(xiàn)發(fā)電和養(yǎng)殖雙贏。

農(nóng)村地區(qū)因地理條件限制，多采用分布式光伏發(fā)電技術(shù)，主要建設(shè)在廠房屋頂及水庫區(qū)域。根據(jù)應(yīng)用場景不同，又可細(xì)分為養(yǎng)殖、種植業(yè)應(yīng)用的農(nóng)光互補，漁光互補發(fā)電和屋頂分布式發(fā)電以及與微電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的分布式發(fā)電等模式[2]?？傮w而言，漁光互補光伏發(fā)電技術(shù)采用取之不盡、用之不竭的太陽能作為能量來源，結(jié)合地理發(fā)展條件節(jié)約土地資源，在發(fā)電過程中不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)，在提高收益和節(jié)能減排上面的優(yōu)勢日趨明顯，目前已在東南沿海地區(qū)被認(rèn)為是建設(shè)分布式光伏電站的最優(yōu)實踐，并逐步向中西部地區(qū)拓展。

漁光互補發(fā)展現(xiàn)狀

漁光互補的發(fā)展

我國漁光互補光伏發(fā)電技術(shù)相較于國外發(fā)展較晚，2014年9月2日，國家能源局發(fā)布的《關(guān)于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知》中提到，應(yīng)因地制宜利用灘涂、魚塘、湖泊等建設(shè)就地消納的分布式光伏電站[3]，江蘇常熟于2014年實現(xiàn)國內(nèi)首家漁光互補光伏電站并網(wǎng)投運，這為漁光互補光伏技術(shù)的發(fā)展和推廣起到了示范引領(lǐng)作用。近年來，江蘇、浙江等地漁光互補光伏電站如星羅棋布般發(fā)展起來。2022年1月，浙江省人民政府辦公廳印發(fā)《浙江省擴大有效投資政策二十條》，其中明確提出，“加快光伏發(fā)電項目建設(shè)。允許10萬米3以下水庫水面建設(shè)漁光互補光伏發(fā)電項目?！蹦壳耙呀?jīng)并網(wǎng)的典型項目有浙江寧波慈溪200兆瓦漁光互補光伏發(fā)電項目，江蘇揚州寶應(yīng)108兆瓦漁光互補光伏發(fā)電項目，以及湖南益陽北港長河100兆瓦漁光互補項目等。

漁光互補建設(shè)模式

目前，水面光伏電站的建設(shè)模式主要為漁光互補式和漂浮式，其中漁光互補式光伏電站又稱為固定式光伏電站，采用打樁建設(shè)模式，常規(guī)采用2×28排布方案為基本單元，每個基本單元8根樁，具有施工方便、適用性廣、成本較低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)勢，但隨著水深的增加，打樁電站的成本也會明顯上升。漂浮式光伏電站結(jié)合現(xiàn)有光伏漂浮系統(tǒng)的網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)及漁光互補裝置，由漂浮方陣提供浮力，適用于水深、浪高、水底環(huán)境要求高、養(yǎng)殖魚類等特定場景，可減少水分蒸發(fā)，抑制藻類生長，防止水體富營養(yǎng)化，具有運維便利，水面清潔良好，成本較低等優(yōu)勢。

漁光互補特點

在環(huán)保性能上，漁光互補光伏電站采用太陽能發(fā)電，環(huán)保無污染，通過光伏組件的安裝，可在一定程度上降低水面溫度，夏季為水域提供良好的遮擋作用，降低水產(chǎn)生物高溫影響及水面植物光合作用，一定程度上抑制藻類繁殖，提高水質(zhì)環(huán)境和資源利用效率。

在產(chǎn)研結(jié)合上，當(dāng)前漁光互補發(fā)展迅速，“光伏＋業(yè)務(wù)”融合性高，可充分促進漁業(yè)生產(chǎn)和光伏發(fā)電的協(xié)同性、互補性和融合性，并據(jù)此建立漁光互補技術(shù)體系或標(biāo)準(zhǔn)，并為光伏＋業(yè)務(wù)提供一站式解決方案新思路，產(chǎn)研學(xué)結(jié)合并進形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)新模式，進一步提高科技創(chuàng)新能力，促使鄉(xiāng)村振興更上新臺階。

在效益發(fā)展上，漁光互補項目無能源消耗成本，在當(dāng)今國際形勢下，可為用戶節(jié)省大量投資成本，又可獲取持續(xù)穩(wěn)定的補貼收益，達到增產(chǎn)增收的目的，提高水庫或魚塘綜合可利用價值。加上模塊化設(shè)計、模塊化設(shè)備匹配度高，將極大提升系統(tǒng)可靠性和維護便利性。

漁光互補項目技術(shù)應(yīng)用

項目氣象地理條件

舟山市太陽能資源充足，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示，年日照小時數(shù)達2 100～2 800小時，2020年全年日照小時數(shù)位列浙江省第一，年日照天數(shù)為233～242天，日平均氣溫為16.3 ℃，年太陽輻射量為468.3～492.7千焦/厘米2是國內(nèi)太陽能資源可利用的優(yōu)質(zhì)開發(fā)區(qū)域。

舟山市定海區(qū)某養(yǎng)殖場位于舟山市定海區(qū)長白島，地形狹長，四面環(huán)海，沿岸多深水良港，良好的地理環(huán)境滿足了漁光互補光伏項目的一切要求，可充分利用廣袤的水上區(qū)域開發(fā)豐富的太陽能資源，建設(shè)綠色環(huán)保的新能源業(yè)態(tài)，有利于推動社會、環(huán)境和經(jīng)濟三方更好地和諧發(fā)展。

圖1 2021年浙江省年平均日照時數(shù)分布

圖2 2021年浙江省年平均總輻射分布

項目建設(shè)

本項目整體設(shè)計思路為采用分布式光伏電池組件，分塊安裝于該養(yǎng)殖場，集中并網(wǎng)，采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式，按照就近分散接入，就地平衡消納的原則進行設(shè)計，并在設(shè)計、安裝時兼顧景觀效果及自然環(huán)境的有機結(jié)合和減少土地的占用面積。光伏電站利用太陽能電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，通過直流/交流并網(wǎng)逆變器將太陽能電池陣列發(fā)出的直流電逆變成50赫茲、380伏的交流電，接至用戶內(nèi)部低壓配電系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)。

該漁光互補光伏發(fā)電項目首期工程于2022年7月開工建設(shè)，總裝機容量215.82千瓦，占地2 000米2，架設(shè)光伏板394塊，逆變器2臺，總投資90萬元，于2022年12月正式并網(wǎng)發(fā)電。目前已建成1個標(biāo)準(zhǔn)蝦塘，預(yù)計年發(fā)電量約28萬千瓦·時，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤70.9噸，減少二氧化硫排放量6.5噸、氮氧化物排放量3.2噸、二氧化碳排放量215.4噸。2024年前將實現(xiàn)20余個蝦塘全覆蓋，整體占地面積40萬米2，屆時該項目的整體年發(fā)電量可達700萬千瓦·時。

本工程首期規(guī)模215千瓦，一次建成投運，通過太陽能電池板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，再經(jīng)串式并網(wǎng)型逆變器，單臺逆變器功率為100千瓦，將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，并入電網(wǎng)。本項目采用分散逆變、集中并網(wǎng)的布置方式，多個逆變器出線通過各自配電箱匯總后，通過一回線路將分布式光伏接入380伏低壓母線，實際輸出最大交流功率約800千瓦。項目一次系統(tǒng)接線示意圖見圖3。

圖3 一次系統(tǒng)接線示意圖

項目效益分析

經(jīng)濟效益

減少能源消耗成本。漁光互補項目利用技術(shù)的創(chuàng)新集成，將太陽能轉(zhuǎn)換成可供養(yǎng)殖的電能，降低養(yǎng)殖成本，實現(xiàn)零污染、零排放智能養(yǎng)殖模式，對于傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)型具有里程碑式的意義。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每節(jié)約1千瓦·時電量，相當(dāng)于減少0.785千克碳排放，相應(yīng)節(jié)約0.4千克標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放量0.997千克、二氧化硫0.03千克、氮氧化物0.015千克。該項目預(yù)計年發(fā)電量28萬千瓦·時，因此每年可減少煤炭消耗112萬噸，減少碳排放量133.9萬噸，減少二氧化碳排放量279.2萬噸、二氧化硫8.4萬噸、氮氧化物4.2萬噸。這種清潔、低碳、高效的養(yǎng)殖模式，不僅能實現(xiàn)漁、光一體化發(fā)展，還為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和服務(wù)清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供全新思路，推動社會高質(zhì)量實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

推動農(nóng)村創(chuàng)效增收。結(jié)合當(dāng)前光伏建設(shè)補貼政策，該項目主要收益為上網(wǎng)電費，可通過年發(fā)電量測算年度收益。項目經(jīng)營期內(nèi)年度發(fā)電量計算公式為:

式中:E為年發(fā)電量，千瓦·時；t為當(dāng)?shù)啬攴逯等照諘r長，小時；P為光伏方陣安裝容量，千瓦；K為電池組件長期運行性能衰降修正系數(shù)，一般取0.9。

舟山市峰值日照時長為3.92小時/天，光伏方陣安裝容量為215千瓦，根據(jù)計算公式可知:年發(fā)電量 = 3.92×365×215×0.9 = 276 859.8千瓦·時。

浙江省上網(wǎng)電價為0.415 3元/千瓦時，由上述年發(fā)電量計算年收益公式為:

式中:Ar為年收益，元；E為年發(fā)電量，千瓦·時；Pe為上網(wǎng)電價，元/千瓦·時；Pa為發(fā)電補貼，元/千瓦·時。

代入上述數(shù)值進行計算:276 859.8×0.415 3 = 114 979.88元

該系統(tǒng)投入成本900 000元，年收益114 979.88元，投資回報周期為:900 000 /114 979.88≈7.82，因此大約需要7.8年時間能夠收回投資。

一般來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用期限普遍為25年，因此從第8年至25年之間基本獲取為純利潤。以此為基礎(chǔ)測算:25年的總利潤 = 25 ×114 979.88 = 2 874 497元；凈利潤=（25 - 8）×114 979.88 = 1 954 657.96元；平均年收益 =1 954 657.96/25 = 78 186.32元。

綜上所述，該項目具有良好的經(jīng)濟效益，投資回報周期短，可作為農(nóng)村地區(qū)“光伏＋產(chǎn)業(yè)發(fā)展及創(chuàng)收增效”的主要推廣模式。

社會效益

符合國家節(jié)能減碳發(fā)展理念。當(dāng)今國際能源資源緊張，成本居高不下，漁光互補項目可有效減少能源消耗，尤其是煤炭資源，每年可減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等數(shù)萬噸的排放量，具有非常好的節(jié)能減排效益和綠色環(huán)保價值，也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的必由之路。隨著“光伏+產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)”的發(fā)展，漁光互補、農(nóng)光互補等一系列生態(tài)模式應(yīng)運而生，進一步深入踐行綠水青山的發(fā)展理念，推動了鄉(xiāng)村用能優(yōu)化，提高能效使用水平，從而助力實現(xiàn)鄉(xiāng)村綠色、低碳、經(jīng)濟發(fā)展。

拉動地方經(jīng)濟增長引擎。漁光互補項目通過獲取穩(wěn)定持續(xù)的上網(wǎng)電費及補貼，因此在農(nóng)村獲得了快速發(fā)展，有助于“雙碳”目標(biāo)下農(nóng)村農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型和地方產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，切實提高農(nóng)業(yè)附加值和農(nóng)村生產(chǎn)力，增加鄉(xiāng)村客戶收益和水產(chǎn)效益，實現(xiàn)清潔能源和農(nóng)村生產(chǎn)養(yǎng)殖的跨界融合，推動農(nóng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖全面升級改造、結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、用能更加高效，為拉動地方經(jīng)濟增長，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了全新思路。

旅游科教價值遠(yuǎn)大。項目建成后，可與農(nóng)村旅游資源互相融合輔助，助力打造宜居、宜游、宜業(yè)的現(xiàn)代化鄉(xiāng)村。通過打造舟山海島水產(chǎn)品牌，賦能鄉(xiāng)村振興，在增加水產(chǎn)品附加值的同時，可結(jié)合旅游業(yè)發(fā)展現(xiàn)代休閑觀光農(nóng)漁業(yè)。如何借助舟山群島優(yōu)勢，利用大規(guī)模的漁光互補設(shè)施吸引游客觀光旅游，打造舟山城市特色新名片，推動發(fā)展特色旅游產(chǎn)業(yè)，切實提升村民的幸福感、獲得感。同時，項目實施過程中也可建立可持續(xù)的政府、企業(yè)、高校等多方聯(lián)動機制，打造集綠色能源、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、文旅休閑、鄉(xiāng)村研學(xué)為一體的產(chǎn)學(xué)研科教平臺，推動鄉(xiāng)村振興與綠色發(fā)展。

生態(tài)效益

促進節(jié)水減排。漁光互補光伏發(fā)電項目可有效減少水體蒸發(fā)量70%～85%，有利于降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟和環(huán)境成本，且改變了傳統(tǒng)的養(yǎng)殖設(shè)施結(jié)構(gòu)，一定程度上提高水產(chǎn)存活率，并可在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整，建設(shè)具有循環(huán)功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過改變傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，擴大水產(chǎn)養(yǎng)殖面積，不僅為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供足夠的能源，又可實現(xiàn)節(jié)水增效。此外，該項目不會產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等對環(huán)境有害的物質(zhì)，且會抑制藻類生物的光合作用，控制水草生長泛濫，避免水藻污染，有利于生態(tài)修復(fù)。

推動智慧漁業(yè)發(fā)展。分析研究表明，漁光互補光伏電站對水體中的溫度、營養(yǎng)度、光照條件等都有較強影響，在一定程度上可為不同養(yǎng)殖種類水產(chǎn)生物提供理想的生長條件。由于光照強度和周期變化會對水產(chǎn)系統(tǒng)造成一定影響，也可通過人工控制手段改變光照條件，實現(xiàn)水產(chǎn)生物的優(yōu)質(zhì)、快速生長，推動舟山群島藍(lán)色海洋經(jīng)濟實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

結(jié)論

長白大滿養(yǎng)殖場是將現(xiàn)代漁業(yè)園區(qū)與光伏發(fā)電項目高度結(jié)合的應(yīng)用典范，開啟了水下養(yǎng)殖與水上發(fā)電的雙贏模式，在充分發(fā)揮土地效益，實現(xiàn)水域高效利用、增加清潔能源產(chǎn)能的同時，提高水產(chǎn)品的質(zhì)量和效益，打造特色旅游休閑模式，實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民創(chuàng)效增收，對土地綜合利用和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到良好的示范引領(lǐng)作用，真正實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益共同發(fā)展。同時，加快新能源與各區(qū)域產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，大力促進鄉(xiāng)村振興，推動區(qū)域經(jīng)濟跨越發(fā)展貢獻力量，是可在農(nóng)村地區(qū)推動發(fā)展的“光伏＋產(chǎn)業(yè)”新思路、新模式。