溫室智能裝備系列之八十五設(shè)施蔬菜農(nóng)漁光伏互補調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

馬偉+王秀

背景

“農(nóng)漁光伏互補”是在溫室棚頂利用太陽能發(fā)電，溫室內(nèi)進行蔬菜生產(chǎn)及漁業(yè)養(yǎng)殖的新型農(nóng)業(yè)模式。通過建設(shè)棚頂以及地面空閑空間的光伏工程實現(xiàn)清潔能源發(fā)電，最終將電能并入國家電網(wǎng)或為周邊電力不便的荒山林地農(nóng)業(yè)項目提供能源，同時在溫室內(nèi)將光伏科技與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和循環(huán)養(yǎng)殖業(yè)密切有機結(jié)合。發(fā)展現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)，既具有無污染零排放的發(fā)電能力，又不額外占用土地，可實現(xiàn)土地立體化增值利用，也可實現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合，最終達到光伏發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雙贏的良好局面。

目前初步的應(yīng)用模式已經(jīng)得到探索性發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2014年3月，中國規(guī)模較大的“農(nóng)光互補”蔬菜大棚、“漁光互補”水產(chǎn)養(yǎng)殖、光伏畜禽養(yǎng)殖大棚項目等已經(jīng)達到400多個。除經(jīng)濟效益外，對環(huán)境保護帶來的社會效益也不容忽視。按照800個60 m的日光溫室估算，年均發(fā)電約6000萬kW·h，年發(fā)電收益預(yù)計6000多萬元，每年可節(jié)約標準煤22000多t，減少CO2排放5.7萬t，減少粉塵排放1.5萬t[1-2]。另外，預(yù)計還可通過種植、觀光、采摘獲得年收益3000余萬元。

“農(nóng)漁光伏互補”作為一種新型的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，技術(shù)規(guī)劃有很重要的意義，所涉及到的環(huán)節(jié)主要有光伏板布置、作物遮光減產(chǎn)、光伏電能的儲備和分配、電源的穩(wěn)定性、配套用電設(shè)備的布置、農(nóng)業(yè)環(huán)境的檢測和調(diào)節(jié)等[3]。作為一個相對封閉的環(huán)境，開發(fā)對應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效提高整個生產(chǎn)系統(tǒng)的效率。設(shè)施蔬菜農(nóng)漁光伏互補調(diào)控系統(tǒng)從農(nóng)光、漁光和農(nóng)漁互補3個角度出發(fā)，調(diào)配好光伏電能和用電設(shè)備之間的關(guān)系[4]，讓能源最大化的產(chǎn)生集群效益，從這一點上來說，是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向。

原理

設(shè)施蔬菜農(nóng)漁光伏互補調(diào)控系統(tǒng)采用嵌入便攜式設(shè)計，主要基于光伏電能在方式創(chuàng)新的需要，在光伏電站建設(shè)和利用方式上與農(nóng)業(yè)精準對接，將信息化手段和機械結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，利用裝備來改善調(diào)控效果。針對荒漠化土地、荒山荒地、灘涂、廢棄物堆放場、新農(nóng)村拆遷、廢棄礦區(qū)改建后建立的設(shè)施農(nóng)業(yè)基地和園區(qū)應(yīng)首先建立光伏電站，其所產(chǎn)生光伏電能可就近配套給周邊光伏日光溫室的負載和漁業(yè)設(shè)備消耗使用。根據(jù)溫室蔬菜生產(chǎn)中加溫、降溫、植物保護、消毒等裝備的需要，以及漁業(yè)增氧、投喂、捕撈、加熱設(shè)備的電能需求，對兩個部分加以調(diào)和，起到節(jié)省和優(yōu)化光伏能源的目的，同時通過對電能儲備和轉(zhuǎn)化進行時間和空間上的調(diào)節(jié)，達到滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)施蔬菜農(nóng)漁光伏互補調(diào)控系統(tǒng)包括4個部分，分別為配電部分、溫室部分、電動負載部分、漁業(yè)部分。調(diào)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。配電部分的核心是電源管理，包括光伏組件、集控器、市電接口、電纜、逆變器、蓄電池等；溫室部分的主要內(nèi)容是作物、照明、水、肥、藥；電動負載部分主要有水循環(huán)泵、消毒裝置、彌霧噴藥裝置、加熱降溫裝置、增氧裝置、投喂裝置、溫控系統(tǒng)（卷簾機、電動通風(fēng)）等。主要的控制核心是水的循環(huán)和熱的循環(huán)。

在系統(tǒng)工作流程設(shè)計上，放棄傳統(tǒng)的并行結(jié)構(gòu)。為了更好地實現(xiàn)水循環(huán)和熱循環(huán)的簡化和可靠運行，系統(tǒng)全部采用鏈式結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)勢可以體現(xiàn)優(yōu)先級的高低，對于關(guān)鍵的部分，電能和熱能會優(yōu)先進行配置。圖2是系統(tǒng)工作流程。光伏能源使用方案中的分配策略是首先需要解決的問題，合理的分配能源是系統(tǒng)的核心。溫室環(huán)境調(diào)控是作物和水產(chǎn)的大環(huán)境，是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，要重點給予配置。溫室的水、肥、藥、光環(huán)節(jié)是高產(chǎn)的重要保證，涉及灌溉、施肥、噴藥、補光等環(huán)節(jié)，調(diào)控系統(tǒng)將其納入并進行能源分配，但優(yōu)先級較低，可通過人工等其他作業(yè)方式進行強化。

電源管理

溫室按照長度60 m，寬度8 m計算，共計480 m2。需要20塊以上非晶硅電池組件，每塊功率大于100 W。為保證系統(tǒng)自給，配備20塊12 V 200 A·h（1A·h=3.6 kC）膠體免維護電池。系統(tǒng)逆變裝置功率3.5 kW。額定電流30 A。圖3是電源管理流程圖。電源管理中按照優(yōu)先級順序，溫室環(huán)境調(diào)控裝置和增氧裝置優(yōu)先使用能源，以避免造成生產(chǎn)損失。

實例

農(nóng)漁結(jié)合僅從裝置出發(fā)不難實現(xiàn)，作為陽臺景觀或有限空間的利用方面已經(jīng)進行了嘗試，圖4所示是國外某公司一種很好的利用形式，在此基礎(chǔ)上深入探究，對解決能源的科學(xué)利用，提高產(chǎn)能具有重要意義[5]。進一步，農(nóng)漁光伏的互補探索重點在調(diào)控系統(tǒng)上，只有調(diào)控系統(tǒng)的精密化，才能實現(xiàn)精準化管理，借助裝備的集成和能源使用優(yōu)先級的管理提高產(chǎn)量和品質(zhì)。通過增氧裝置能提高養(yǎng)殖密度和肉質(zhì)，定量投喂裝置可以根據(jù)需求科學(xué)控制喂養(yǎng)的時間。蔬菜收獲后殘留的葉子經(jīng)過消毒可作為魚餌，魚池廢棄物加熱脫毒后可以用來給蔬菜施肥，魚池的水白天可作為儲熱材料，夜間通過根部滴灌來提高作物根系生長速度。熱循環(huán)和水循環(huán)的精密管理可以實現(xiàn)高效利用和產(chǎn)出。

展望

目前，社會倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、低碳的經(jīng)濟發(fā)展模式，“農(nóng)漁光互補”模式遠超越了已有的簡單農(nóng)光互補思路，其基于裝備運用的創(chuàng)新蘊含著巨大的發(fā)展機會和市場空間。通過對裝備的靈巧運用，可以彌補簡單的電能上網(wǎng)單一模式。“農(nóng)漁光互補”模式的主要優(yōu)勢有：①擴展了光伏電能的應(yīng)用通道。通過裝置直接利用，實現(xiàn)光伏電能就地消化，建立了獨立運行的生產(chǎn)系統(tǒng)，優(yōu)化光伏富余能源單一依靠市電的局面。②改變農(nóng)漁光伏互補技術(shù)難題。解決單一建設(shè)大棚光伏無法發(fā)揮大農(nóng)業(yè)的集群優(yōu)勢的難題。③社會效益顯著。除可觀經(jīng)濟效益外，還對清潔能源的高效利用產(chǎn)生良好的社會示范作用。

參考文獻

[1] 昝錦羽，劉祖明，廖華.光伏溫室大棚溫度的模擬研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，34（2）：42-47.

[2] 董微，周增產(chǎn)，卓杰強.光伏低碳溫室設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2013（4）：54-57.

[3] 徐小力，劉秋爽，見浪護.光伏充氣膜溫室自跟蹤發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012（S1）：305-310.

[4] 張勇.光伏溫室組件覆蓋率及遮光機理研究[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2015，35（11）：36-39.

[5] [2016-8-25].http：//www.ecofriendlyhouses.net/greenhouse.html

項目支持：果類蔬菜北京市創(chuàng)新團隊崗位專家項目。