浅析双碳背景下光伏农业的发展现状

安科瑞 刘迈

　　摘要：实现“双碳"目标已被提升至国家战略层面。近年来，全国光伏产业的迅猛发展和各级政策的持续推动，光伏与农业的结合已探索出多样化的发展模式。这些模式不仅显著提升了土地的利用效率，还促进了农业的低碳转型。展望未来，科技技术的整合以及创新的融合将共同塑造“光伏农业"的新篇章，我们有潜力进一步拓宽光伏农业的应用领域。这不仅将为光伏农业的持续发展注入新动力，也将为实现国家的“双碳"目标贡献重要力量。

　　关键词：光伏农业；农光互补；“双碳"

　　0引言

　　传统能源的过度依赖导致全球气候状况日益严峻，开发和利用新能源已成为国际社会的共同目标。2020年9月，在第七十五届联合国大会上的讲话中宣告，中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和"。于我国而言，积极开发清洁能源是实现“双碳"目标的关键途径。在现有的清洁能源中，水电和风电的开发受到地理和环境因素的较大限制，而氢能和核聚变等前沿能源技术尚未成熟。相比之下，太阳能以其清洁、易获取、安全可靠以及应用范围广泛的特性，加之其几乎无限的资源潜力，已经成为增长速度最快的可再生能源之一。当前太阳能利用的最佳方式是利用光伏电池的光生效应，将太阳辐射能直接转换成电能，即光伏。光伏发电技术已经成为我国大力支持的可再生能源发电方式之一。得益于技术进步、设备制造、产业链完善等方面的优势，我国光伏产业在全球竞争中占据了有利地位。这不仅推动了我国光伏产业向全球价值链的中端迈进，也为我国能源结构的转型升级和“双碳"目标的实现提供了重要支撑。

　　然而，地面光伏电站作为光伏发电的主要形式，在建设过程中往往需要占用大量土地，成为光伏产业发展的制约因素。为了保护生态环境，国内许多地区已经为光伏项目设置了生态保护红线，这无疑在一定程度上限制了光伏产业的发展空间。此外，根据最新数据，我国公益林面积达到18.5亿亩，占全国林地总面积的43.4%。除了公益林外，各省市还拥有大量的省级和市县级公益林。根据现行规定，国家和省级以上的公益林均将光伏项目列为禁止性项目，不允许以光伏开发为名进行公益林的调整或变更用途。这进一步凸显了在生态保护和光伏产业发展之间寻求平衡的重要性和紧迫性。鉴于此，有学者提出了光伏农业。

　　光伏农业，其含义包括光伏在农业中的应用和农光互补两个方面，通常指在种植、养殖等农业活动中整合光伏发电系统，旨在提高土地利用率和产出效率。中国，作为全球农业重地，其广袤的农田为光伏技术的集成提供了理想场所。光伏系统不仅能够稳定供应清洁电力，满足现代农业需求，还通过并网为国家电网贡献绿色能源，同时增加农民收入。光伏农业的推广对于提升生产效率、促进农村经济多样化、实现国家的“双碳"目标均至关重要。因此，不断优化光伏农业模式，对于加速农业现代化和能源结构转型，具有深远的战略意义。

　　1光伏农业模式

　　分光伏农业包括光伏在农业中的应用和农业光伏或农光互补。光伏在农业中的应用代表了光伏技术与农业生产环节的具体融合，其核心目的在于缓解偏远地区农业生产中普遍面临的能源短缺问题，并推动绿色生产实践。这种应用不仅为农业生产提供了一种可持续的能源解决方案，而且有助于降低对化石燃料的依赖，减少温室气体排放。农业光伏或农光互补模式强调的是光伏发电系统与农业生产各子部门之间的深度整合。这种模式超越了单一的能源供应，更加关注光伏发电与农业生产之间的相互影响、竞争与合作关系。通过精心设计和科学管理，可以实现光伏设施与农作物种植、畜禽养殖等农业活动的有机结合，从而农地资源的利用效率，实现农业生产与清洁能源发电的双赢。光伏农业不仅能够提高土地的综合产出，还能够为实现农业的可持续发展和国家的“双碳"目标作出贡献。

　　（一）光伏在农业中的应用

　　光伏技术与农业的结合最早在灌溉领域得到应用。两者的结合显著增强了灌溉系统的能源自给自足能力，并为偏远地区的农业用水问题开辟了新路径。技术演进及应用拓展使得光伏不仅应用于灌溉，还覆盖了病虫害防治、农产品储存保鲜及农业照明等多个领域。这一多样化应用提升了农业生产效率，增强了可持续性，同时减轻了对环境的影响，可助力农业向绿色智能化转型。

　　1.光伏灌溉。光伏灌溉技术通过太阳能光伏板转换阳光为电能，直接驱动水泵抽水至农田，有效满足灌溉需求。这项技术以其环保、节能和高自动化的特点，特别适合电力不稳定或偏远地区，那里传统电力供应要么不可及，要么成本过高。以中国西北地区为例，其干旱气候与丰富的太阳能资源使该地区成为光伏提水技术应用的理想之地。这项技术在西部大开发战略中发挥着关键作用，不仅确保了农业生产的稳定水源，还促进了节能、环保，并支持了贫困地区的经济提升，推动了该区的可持续发展。光伏提水技术有助于改善当地能源结构，加速绿色农业的发展，同时为国家实现“双碳"目标贡献力量。

　　2.光伏温室。光伏温室技术将光伏发电与农业设施创新结合，通过在屋顶安装太阳能发电装置，不仅有效利用太阳能，还为作物提供理想生长环境。这些温室通过高效空间利

　　用，实现土地资源节约，为农民带来额外收入，推动农业结构优化。光伏温室不仅适用于传统作物，也适合对光照和温度有特殊要求的作物，如食用菌。随着技术进步和成本降低，光伏温室有望成为现代农业和乡村振兴的驱动力，同时对农业的可持续发展和能源结构转型作出重要贡献。

　　3.光伏病虫害防治。光伏病虫害防治技术采用太阳能杀虫灯等设备，利用特定波长的光吸引害虫，并以物理方式捕捉或消灭它们，有效减少农药依赖。这种方法不仅保障了食品安全，降低了环境污染，还保护了生态系统平衡。相较于传统化学防治，光伏技术显著减少了对土地肥力和生态环境的破坏。随着技术成熟和成本降低，光伏杀虫灯将成为农业绿色防控的有效替代方案，推动农业向可持续和环境友好型发展转型。

　　4.光伏农产品储存。光伏供电的制冷系统通过维持最佳温湿度，有效延长了农产品的保鲜期；同时，光伏烘干技术通过太阳能去除农产品中多余水分，达到安全储存标准，延

　　长了储存时间。此外，光伏电力还助力农产品的初步加工，如去皮和切片，这不仅增强了市场价值，也便于储存和运输，增强了光伏农业的经济和市场竞争力。

　　5.光伏照明。光伏照明技术将太阳能转换为电能，供照明使用，具有环保、节能、技术先进、寿命长、维护简便等优点。随着自然资源稀缺和能源成本上升，这种清洁、可再生的照明方式日益重要，有潜力取代传统照明。在电网不发达的偏远地区，光伏照明尤为重要，能有效解决地域广阔带来的输电难题和高昂成本。它为农业提供稳定的光源，增强了农业生产的自给自足和适应性，特别是在温室、养殖棚和田间作业区的应用，显示了其独立性和灵活性的优势。

　　（二）农光互补

　　农光互补模式通过在光伏板下进行农业生产，同时利用光伏板捕获太阳能发电，实现土地的高效利用。这一模式不仅提高了土地使用效率，还为农民带来了额外的能源收入，促进了经济收益的增加。农光互补推动了农业与可再生能源的融合，为农业的可持续发展开辟了新路径。

　　1.温室光伏大棚。科技进步使温室大棚成为农业生产的关键设施，但温度仍是农户的挑战。光伏农业大棚通过集成薄膜光伏组件，有效调节温度并提供稳定的照明和电力

　　供应，同时节约土地资源。其产生的过剩电力可并网使用，而离网系统与LED照明的结合进一步优化了植物生长周期。这一集成方案不仅提升了能源利用效率，还提高了作物产量和质量，彰显了光伏农业大棚在提升设施性能和推动可持续发展方面的巨大潜力。

　　2.光伏养殖。光伏生态养殖模式是光伏发电与农业融合的创新实践，专注于在家禽散养区上方架设光伏组件。此模式以低成本、简易设计和易于维护的优势，优化了土地使用，同时产生绿色能源，降低能耗，并促进生态养殖，提升了土地的综合效益，还推动了农业的绿色、可持续发展。

　　3.光伏种植。光伏种植模式在农业大棚或开阔地带安装太阳能电池板，在实现发电的同时，种植对光照需求不高的作物，如蔬菜、瓜果、食用菌和中药材。这种模式通过智能

　　系统调节光照和温度，优化作物生长环境，促进健康生长，并节约能源。它不仅提升了土地利用率，还推动了农业向现代化、智能化的转型，为农业从业者带来了经济和环境双重利益。

　　近年来，我国光伏产业在西部省区荒漠地带开发建设大型风光一体化基地的同时，也大力推进了以“千家万户沐光行动"为代表的分布式光伏发电项目。这些项目不仅有助于缓解土地资源的紧缺问题，还促进了绿色能源的开发和利用。从实际效果来看，“公共屋顶+光伏互补"模式在有效利用公共屋顶资源的同时，还为公共单位在发展绿色能源和实现“双碳"目标方面树立了示范作用。在政府的奖励补助政策支持下，“私有屋顶+光伏互补"模式有效地利用了城镇建筑资源，推动了绿色能源的发展。预计“建筑屋顶+光伏互补"将成为未来绿色建筑的标准配置。此外，“农渔产业+光伏互补"模式通过结合“农（牧）业+光伏互补"和“渔业+光伏互补"等方式，创造了一种“上层光伏发电、下层种植养殖经营"的科学模式。这种模式不仅土地资源的空间利用和经济效益，而且实现了绿色农业产业发展与绿色能源产业建设的有机结合，为农业产业的可持续发

　　2光伏农业发展的重要意义

　　（一）提升土地效率，推动农业绿色转型安装在土地上方的光伏组件，配合下方的种植和养殖活动，实现了土地的高效多层次利用。整合观光旅游和科技展示，进一步提升了土地的经济价值和使用效率。光伏系统为农业提供了稳定的清洁能源，支持其向低碳化和数字化转型，同时减少了能源传输损失，满足了现代农业对清洁电力的需求。

　　（二）衔接脱贫成果与乡村振兴

　　光伏农业的融合策略实现了土地的双重收益，农业生产的传统收入与光伏发电自给自足，降低了成本。额外发电量通过并网销售，为农民增收。光伏产业的发展促进了基础设施改进和就业机会创造，推动了地方经济增长。“十三五"期间，光伏扶贫项目有效支持了脱贫攻坚。未来，光伏与农业的结合将进一步在乡村振兴中扮演关键角色，为农民提供稳定增收途径，实现经济、社会和环境效益的多方面提升。

　　（三）推动农业低碳化，实现“双碳"目标农业低碳发展需提升化肥利用效率、优化畜禽粪污处理方式，同时融合固碳技术。同样关键的是，推动可再生能源替代传统能源。确保现代农业机械化与智能化过程中清洁能源的稳定供应，对促进农业减排至关重要。例如，一个1000kW光伏发电项目，占地20—25亩，不影响农业生产，预计年发电量150万kWh，相当于年节约标煤540吨，减排二氧化碳1600吨。光伏农业是实现节能减排和“双碳"目标的有效策略。尽管光伏农业在技术集成、成本节约及政策支持等方面存在挑战，但通过政府、企业与科研机构的协作以及技术创新和管理革新，可以推动其科学发展。光伏农业的普及对农业的可持续性与乡村振兴具有重要意义，其实践有助于开拓农业与新能源融合的新途径，为产业升级提供动力。

　　3Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

　　3.1平台概述

　　Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

　　微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

　　3.2平台适用场合

　　系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

　　3.3系统架构

　　本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

　　4充电站微电网能量管理系统解决方案

　　4.1实时监测

　　微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

　　系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

　　系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

　　微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

　　子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

　　4.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

　　本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　4.1.2储能界面

图3储能系统界面

　　本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

　　本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

　　本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

　　本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

　　本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

　　本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

　　4.1.3风电界面

图12风电系统界面

　　本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　4.1.4充电站界面

图13充电站界面

　　本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

　　4.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

　　本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

　　4.1.6发电预测

　　系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

　　4.1.7策略配置

　　系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

　　具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

　　4.1.8运行报表

　　应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

　　4.1.9实时报警

　　应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

　　4.1.10历史事件查询

　　应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

　　4.1.11电能质量监测

　　应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

　　1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

　　2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

　　3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

　　4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

　　5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

　　6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

　　4.1.12遥控功能

　　应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

　　4.1.13曲线查询

　　应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

　　4.1.14统计报表

　　具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

　　4.1.15网络拓扑图

　　系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

　　本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

　　4.1.16通信管理

　　可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

　　4.1.17用户权限管理

　　应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

　　4.1.18故障录波

　　应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

　　4.1.19事故追忆

　　可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

　　用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

4.2硬件及其配套产品

　　【参考文献】

　　【1】欧阳琪“双碳"目标背景下“光伏农业"的发展现状与展望

　　【2】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

　　【3】李燕霞 .“双碳"目标下促进光伏产业发展的税收优惠政策研究 [J]. 商业观察，2024，10（05）：29-32.