农光互补电站中光资源分布研究

光伏农业是近年来光伏电站投资建设的热门话题。为了突破光伏电站用地的困境，农光互补光伏电站项目在国内外得到快速发展，国家政策对光伏农业项目给予补贴支持。在光伏农业的快速发展中，令光伏从业者、设计院等比较困惑的事情是，普通的光伏电站下、农业大棚下种植什么最合适，效益最大。而目前作为农光互补主要形式的光伏大棚工程状况令人震惊，如《光能》2015年5月刊，第85期张喆《光伏大棚or大棚光伏》中提到，某山地食用菌生产基地，其实是假借种蘑菇圈了一大片山地。某国企江苏的1000亩农业大棚已经并网发电，但是大棚地下却是野草……因此，光伏电站与农业等如何完美结合，迫切需要解决农作物种植问题，该问题亟待深入研究，本文以光资源分析作为主题探讨相关问题。

一、光对万物的意义

关于上帝用六天创造宇宙万物，《创世记》是这样记载的：第一天，上帝说要有光，就有了光;第二天，上帝说要有天空，就有了天空;第三天，上帝说要有陆地和海洋，就有了陆地和海洋;第四天，上帝说要有太阳和月亮，就有了太阳和月亮;第五天，上帝说要有鱼和飞鸟，就有了鱼和飞鸟;第六天，上帝说要有动物和人，就有了动物和人。

从上帝创造万物的过程，我们可以看到，有了光才可以生万物。光是太阳辐射能以电磁波形式投射到地球表面上的辐射线。光主要来自太阳辐射，其他星体的光仅占极小部分。光是生命的极为重要的生态因子之一。地球上所有生命都是依靠进入生物圈的太阳辐射能流来维持的。太阳辐射对地球表面和水体不仅带来光照，还直接产生热效应。光能影响有机体的理化变化，从而产生各种各样的生态学效应。

(1)光对动物和植物的生存提供能量的来源。动植物对光的刺激都会产生一定的反应，如视觉、繁殖、发育、行为、分布等。

(2)光直接影响植物的光合作用和色素的形成。没有光，绿色植物难以生存。水环境的光照条件远远不及陆地，即使在水的上层，光照强度也较空气中小得多，在水体的深处则是永远黑暗的。因此光在水生植物的生活中具有特别重要的生态意义。没有阳光，绿色植物就不能进行光合作用，也就不能生存。光不仅影响植物的生活，还影响植物的分布。在陆生植物中，有些只有在强光下才能生长得好，如松、杉、柳、槐、玉米等;有些只有在密林下层的若光下才能生长得好，如药用植物人参、三七等。

(3)光对于动物的重要意义，一方面是通过植物和影响其他环境因素的动态而产生的间接关系，另一方面主要起着信号作用，对于动物的行为和生理上有很大影响。在有些情况下光是动物生活中所需要的环境因子之一。阳光，对动物的影响也很明显。阳光能够影响动物的体色。例如，大多数鱼身体背部的颜色较深，腹部较浅，这就与阳光的照射有关系。光照还能影响动物的生长发育。有人做过这样的实验：把蚜虫培养在连续无光照的条件下，所产生的个体大多没有翅;把蚜虫培养在明暗交替的条件下，所产生的个体大多有翅。然而，光对动物的深刻影响在许多方面还没有充分的了解，因为光对有机体的作用可能是直接的，也可能是间接的，还有可能是通过对其他环境因子的影响而起作用。

光资源是光伏电站建设的核心要素，当场地、电网等条件合适，即可建设光伏电站，戈壁滩、山地等均可，但戈壁滩、山地等缺水的地方可能并不适合农业生产。影响动植物生长的因素有很多，阳光、温度、水、空气湿度、土壤中的养分、空气的成分等等。其中阳光和温度对作物的影响最大，而光伏电站对环境温度的影响有限，光伏大棚的温度也是可调的，因此本文主要分析光伏电站中、农光大棚中光资源的分布。

二：项目所在地光资源分析

2.1我国光资源分布

我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。

图1 我国太阳能资源分布图

按照日照辐射强度上图中将我国分为四类地区。

一类地区(最丰富带)全年辐射量在6300MJ/m2以上。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等地。

二类地区(很丰富带) 全年辐射量在5040～6300MJ/m2。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。

三类地区(较丰富带) 全年辐射量在3780～5040MJ/m2。主要是长江中下游、福建、 浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

四类地区(一般带) 全年辐射量在3780MJ/m2以下。主要包括四川、贵州两省。此区是我国太阳能资源最少的地区。

一、二、三类地区，年辐射量不小于3780 MJ/m2，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。四类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

表1 我国光资源分布划分

2.2 项目所在地光资源分析

本农光互补项目位于安徽宿州。宿州简称为“宿”，安徽省地级市，宿州市位于安徽省北部。地理位置东经116°09′-118°10′、北纬33°18′-34°38′。襟连沿海，背倚中原，素有安徽省北大门之称。 宿州市位于黄淮平原南端，属北温带半湿润季风气候，是南北冷暖空气交汇的过渡地带，季风气候明显。 宿州四季气候变化大，冬季的时间比较长，有四个月之久，比较寒冷;夏日炎热，持续时间较长;春秋两季很短，气候适宜，雨水适中，空气潮湿。宿州多年平均降雨量为840mm左右，降水量的年际变化大，最大年降雨是最小年降雨的3.2倍，5-9月份降雨占年降雨量的四分之三，常以大雨、暴雨、特大暴雨形式出现，极易发生洪涝灾害。

根据宿州的水平面光资源分析，该市年辐射量为1351.9kWh/m²，即4866.84MJ/m²。属我国第三类太阳能资源区域，非常适合建设太阳能光伏发电项目。

表2 宿州气象要素

三、农光互补不同模式光资源分析

3.1 模式1光伏电站与农业的简单结合

光伏和农业的简单结合，是在光伏阵列间距中，种植农作物，两者结构上是独立的，在空间布局上相互结合，选择种植低矮的农作物，或者提高光伏组件高度，保证种植的农作物的高度低于光伏阵列，避免影响光伏发电。

图2 常规的大型地面光伏电站

光伏电站建设方案：

常规设计的大型地面光伏电站常采用光伏组件竖向双排布置。该地建设的光伏电站可采用260Wp的光伏组件竖向双排2X22安装在一个支架单元上设计，22块光伏组件串联为一个组串。1MW光伏电站，配置两台500kW逆变器和1台1000KVA的就地变压器。每台逆变器接入96串光伏组串共549.12kWp。通过PVsyst进行模拟，宿州地区的光伏组件最佳角度为27度。

方阵倾角确定后，要注意南北向前后方阵间要留出合理的间距，以免前后出现阴影遮挡，前后排间距为：冬至日(一年当中物体在太阳下阴影长度最长的一天)上午9：00到下午3：00(真太阳时)，光伏组件之间南北方向无阴影遮挡。固定方阵安装好后倾角不再调整。《光伏发电站设计规范》中给出平整场地光伏阵列不被遮挡的阵列中心间距公式：

式中：为阵列斜面长度，为组件倾角，为项目所在地纬度。光伏阵列中心间距为阵列斜面投影与间距之和，，阵列间距示意图如图3。

图3 光伏阵列间距示意图