光伏發電式?；~塘的可行性方案研究

何士威 胡辰 劉妍 郭涵語 王晨晨

摘 要： 起源于明代后期的“?；~塘”是對能量充分利用的典范，如今“?；~塘”這一模式已成為了集多種循環類型為一體的、完整的生態系統。本項目在傳統模式的?；~塘系統上融入光伏發電產業，以達到提高能源利用率，減少成本，增加收益。使新型系統更加環保，低碳，經濟的目的。

關鍵詞： ?；~塘；光伏發電；能源；可持續發展

基金項目：國家級大學生創新創業項目（201610370022）

引言

“?；~塘”于明代后期興起，于廣東省珠江三角洲地區，是珠三角勞動人民在長期生產勞動中創造出來的一種特殊耕作模式。這種獨具地方特色的農業生產形式的出現絕非偶然，主要原因是在當時這里地少人多，而這種農業模式可以吸納更多的勞動力，又有極高的經濟效益。在全球商品貿易大潮的推動下，它一步步走向成熟，最終成為理想的生態農業典范。

但是由于進30年來市場經濟的發展，人們的觀念不斷地被商品價值觀沖擊，?；~塘逐漸被人們認為是產值落后的傳統農業生產模式，種桑養魚的收入低下，已經滿足不了現代人們的經濟需求。故此?；~塘漸漸消逝了，以往興旺的盛況不在，老一輩的“漁工”“蠶娘”也相繼老去。年輕人大多急于追求做最現實的利益，不愿意將自己的時光投身于傳統產業的復興上。

那么我們真的要看著這樣的傳統文明沒落下去嗎？我想這不僅是一個產業的衰退，更是一種資源循環利用可持續發展觀念的確實?，F如今科技的發展迅猛，在新能源開發方面更有重大突破，那么我想可以是否用科技帶動傳統，在此間喚醒哪似乎已經陷入沉睡了的對資源循環利用的美好觀念。

新能源是二十一世紀世界經濟發展中最具決定力的五大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新世紀中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續發展戰略的重要內容。從能源利用的國際發展趨勢來看，光伏發電最終將以替代能源的角色進入電力市場。預計到2030年，光伏發電在世界的總發電量中將占到5%-20%。

1、?；~塘

陸地種桑，塘里養魚蠶沙（蠶糞）喂魚，塘泥肥桑，栽桑、養蠶、養魚三者結合，形成桑、蠶、魚、泥互相依存、互相促進的良性循環，避免了水澇，還可以加入沼氣池，為系統提供燃料，沼氣渣可以做肥料。營造了十分理想的生態環境，收到了理想的經濟效益，對資源達到了多重利用，同時減少了環境污染。?；~塘模式圖（生態原理）如圖1所示，其特點如下：

2、光伏發電

光伏發電其實就是太陽能發電的一種，其直接能量來源就是太陽。這里是指利用半導體界面的光生伏特效應將太陽能直接轉換成電能。其核心元件是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池有很大的應用前景，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點。而且使用壽命長，只要有太陽的存在，太陽能電池就可一次投資長期使用。而且相比較其他發電方式而言，太陽能電池不會引起環境污染。

基于以上描述，可以考慮在?；~塘系統中加入光伏發電的系統，利用魚塘水面，在豐富的養殖水面上架設光伏組件進行發電，形成上可發電下可養魚的創新發展模式，既能充分利用空間節約土地資源，又能利用光伏電站調節養殖環境，還能優化地區能源結構改善環境，并可提高單位魚塘產量增產增收，在水產養殖和光伏產業上實現領域共享。另外光伏發電的應用更是可以在陸地上，在建筑物的屋頂上，非晶硅太陽能電池是可以制成半透明的，用其作為作為建筑的一部分，白天既能發電又能使部分光線透過玻璃進入室內，為室內提供十分柔和的照明（紫外線被濾掉）能擋風雨，又能發電；美國，歐洲和日本的太陽能電池廠家已生產這種非晶硅瓦。?；~塘的根本能量來源是太陽能，如今在現有基礎上加入的光伏發電系統，更是對太陽能的直接利用。兩者的結合大大提高了?；~塘對太陽能的利用率。

3、兩者的結合

光伏發電在?；~塘系統中的應用如圖3（a），（b）所示：

但是將兩個毫無關聯的系統完美的融合在一起并不是那么簡單，這里需要攻克的難題有三個：一是將太陽能組件產生的電能應用或者集中起來；二是克服太陽能的隨機性和波動性；三是光伏發電系統中的安全問題。

經過研究分析，想要在保留?；~塘的基礎上加入光伏發電系統，較為合適的選擇是將分布式并網光伏發電系統加進去。

在分布式光伏發電系統的組成部分中，并網逆變器是關鍵部件。其主要功能是把來自太陽能電池方陣輸出的直流電轉換成與電網電力相同電壓和頻率的交流電，并把電力輸送給與交流系統連接的負載，同時還具有極大限度地發揮太陽能電池方陣性能的功能和異?；蚬收蠒r的保護功能。

逆變器是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于把直流電力轉換成交流電力。一般由升壓回路和逆變橋式回路構成。升壓回路把太陽電池的直流電壓升壓到逆變器輸出控制所需的直流電壓；逆變橋式回路則把升壓后的直流電壓等價地轉換成常用頻率的交流電壓。逆變器主要由晶體管等開關元件構成，通過有規則地讓開關元件重復開-關（ON-OFF），使直流輸入變成交流輸出。當然，這樣單純地由開和關回路產生的逆變器輸出波形并不實用。一般需要采用高頻脈寬調制（SPWM），使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內始終讓開關元件按一定頻率朝一方向動作，這樣形成一個脈沖波列（擬正弦波）。然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波。

這里的逆變器不僅具有直交流變換功能，還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。

首先逆變器的運行方式可以跟隨太陽輻射強度的變化而做出相應改變：當日出后，太陽輻射逐漸增強，太陽能電池輸出功率增大，當達到逆變器工作所需的輸出功率后，逆變器即自動開始運行。當到日落時，太陽電池組件輸出變小，逆變器輸出接近0時，逆變器便處于待機狀態。期間逆變器會時刻監視太陽電池組件的輸出，只要太陽能電池組件的輸出功率大于逆變器工作所需的輸出功率，逆變器就持續運行，直到日落停機，即使陰雨天逆變器也能運行。其次逆變器還有最大功率跟蹤功能、防單獨運行功能（并網系統用）、自動電壓調整功能（并網系統用）、直流檢測功能（并網系統用）、直流接地檢測功能（并網系統用）。因為這些功能的存在使得兩個系統的結合成為可能。

但是新型系統的要保留?；~塘的，所以在地域上便有了限制。因為光伏發電組件的架設要求地勢平坦，日照充足，氣候穩定。另外在水上的光伏板的架設也是一個限制，是選擇漂浮式還是固定式，這也是要根據?；~塘的實況來決定的。?；~塘的實際規格與分布直接影響光伏板的架設。這些問題可以視情況來解決。

傳統的?；~塘的最終主要產品是魚，副產品有蠶繭、桑果、牲畜等。以一個普通規格的?；~塘為例，魚塘占地面積10畝（大約6670平方米）。在理想狀態下，魚的年產量計算如下：每畝魚塘年產可以有1200尾魚（約1.2斤每尾），除去成本：魚苗300元+飼料1500元+電費1200元（主要是增氧機工作耗電和日常用電）+其他200元，共3200元，以平均每斤5元的價格來售出的話可收入7200元，即每畝魚塘的純利潤約4000元，那么十畝魚塘年純利潤為40000元。這是主產品的利潤，加上副產品的收益每年大約可以有60000元的純利潤。

我們設想加入光伏發電組件后，首先系統中的電費可以結余下來，其次，在魚塘上方加入了光伏發電組件后，每畝魚塘的年產量大約可以增產至1500尾（1.5斤每尾）。年收益增加到了80500元。普通規格下的?；~塘加入了光伏發電組件后副產品的年收益提高不多或基本不變。在普通規格的?；~塘系統中大約可以架設3000平方米的光伏發電板（水面2000平方米加地面1000平方米），成本在300萬元左右。經過調查分析過后可以得出，3000平方米的光伏組件可有30個10千瓦的組串系統組成。預計年發電量在36萬度電。在國家政策補貼下，每年的凈收益在45萬元左右。那么預計在6至7年后就可以回本，之后的收入為純收益。而市面上一般的光伏組件的使用壽命在25年左右。也就是說新型的?；~塘系統在接下來的18年左右的時間內的收入比之前的收入提高了13倍以上。

如此，?；~塘系統收益倍增，而且與光伏發點系統的結合。也更加體現了對資源的循環利用，也達到了節能環保，可持續發展以及高收益的目的。那承載著古人們智慧的產業也得以保留，新興技術得到了很好的應用。更重要的是原始的對資源循環利用的美好觀念被延續了下去。

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