光伏發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用*

余 情，楊金明

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

光伏發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用*

余 情，楊金明?

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

溫室的高能耗有礙于其發(fā)展，引入可再生能源是溫室節(jié)能減排的有效舉措。本文介紹了一種將光伏發(fā)電及控制技術(shù)應(yīng)用于溫室的方法，太陽(yáng)電池組件直接安裝在溫室室頂，通過(guò)與市電并聯(lián)及少量蓄電池配置保證供電可靠性和功率平滑性，并基于無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子參數(shù)的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)不但能夠根據(jù)設(shè)定目標(biāo)自動(dòng)地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境，而且能夠監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)情況。溫室運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足冬季溫室用電，并部分解決夏季溫室用電，大大減少對(duì)化石能源的需求，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

光伏發(fā)電；溫室；監(jiān)控系統(tǒng)；節(jié)能減排

0 引 言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室生產(chǎn)技術(shù)以其先進(jìn)的生產(chǎn)模式在我國(guó)得到了大規(guī)模普及[1]。溫室生產(chǎn)可以通過(guò)人工干預(yù)的方式，人為地創(chuàng)造一個(gè)適合所培育作物的生長(zhǎng)需要的環(huán)境，從而有效地提高土地利用率，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)[2,3]。但是這種精細(xì)化的生產(chǎn)模式卻需要耗費(fèi)大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫室能耗成本約占溫室生產(chǎn)總費(fèi)用的30%～40%[4]。在我國(guó)北方地區(qū)，每667 m2連棟溫室每年僅供暖耗煤量高達(dá)100～200 t[5,6]；南方地區(qū)每667 m2溫室僅夏季降溫耗電量就高達(dá)20 000 kW·h[7]。特別是隨著溫室生產(chǎn)向智能化和精準(zhǔn)化管理發(fā)展，溫室耗能將進(jìn)一步加大，成本也逐漸增加[8]。這樣的生產(chǎn)方式違背了當(dāng)下所提倡的節(jié)能減排政策，嚴(yán)重影響了其可持續(xù)發(fā)展。因此，增加可再生能源在溫室中的應(yīng)用將成為溫室持續(xù)發(fā)展的重要手段。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，特別是光伏建筑一體化技術(shù)的日趨成熟，為太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)引入到溫室生產(chǎn)中打下良好的基礎(chǔ)[9-11]。

本文提出的溫室光伏發(fā)電供能系統(tǒng)采取與市電并聯(lián)運(yùn)行的方式，以保證供電可靠性。本著光電即發(fā)即用的高效應(yīng)用原則，只配置了少量蓄電池以抑制功率波動(dòng)。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效率，采用了適宜的能量管理策略，并基于開發(fā)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合溫室特性要求的光伏發(fā)電運(yùn)行管理控制和溫室的運(yùn)行控制。本文提出的溫室光伏發(fā)電供能系統(tǒng)在一個(gè)420 m2的溫室中得到了應(yīng)用，運(yùn)行結(jié)果表明了光伏發(fā)電供能系統(tǒng)及其能量管理系統(tǒng)的有效性，能夠有效地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)解決了溫室大部分用電問(wèn)題，達(dá)到了溫室管理自動(dòng)化和節(jié)能減排的效果。

圖1 溫室實(shí)景圖Fig.1 Picture of greenhouse

圖2 溫室室頂Fig. 2 Roof of greenhouse

1 光伏溫室結(jié)構(gòu)

1.1 溫室建筑結(jié)構(gòu)

溫室為全封閉式玻璃鋼架結(jié)構(gòu)，墻體和部分室頂為透明玻璃，總占地面積420 m2（如圖1）。室頂為多個(gè)三角尖頂結(jié)構(gòu)，在室頂南向尖頂斜面直接鋪設(shè)太陽(yáng)電池組件，為了兼顧太陽(yáng)能光伏發(fā)電和植物栽培日照強(qiáng)度及均勻性要求，采用了電池片間隔布放的雙玻太陽(yáng)電池組件（圖2），電池組件總鋪設(shè)面積為210 m2。

1.2 雙玻太陽(yáng)電池組件

本應(yīng)用所采用的雙玻太陽(yáng)電池組件由中間復(fù)合太陽(yáng)能電池片的兩片鋼化安全玻璃構(gòu)成，電池片之間由導(dǎo)線串、并聯(lián)匯集引線端的整體構(gòu)建，單塊組件功率75 W，開路電壓18 V，共鋪設(shè)240塊，共18 kW。蓄電池為100 A·h、12 V鉛酸蓄電池，共配置40個(gè)。

2 監(jiān)控管理系統(tǒng)

2.1 溫室供電系統(tǒng)

溫室供電系統(tǒng)如圖3所示，24塊串聯(lián)成一路，形成10路輸出，經(jīng)匯流箱匯流后，接入帶與市電自動(dòng)切換功能的逆變器。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)電池組件、控制器、蓄電池和逆變器等組成（圖3）?？刂破鲗?shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的MPPT和對(duì)蓄電池的充放電控制，配備蓄電池是考慮到光伏發(fā)電的變化性和溫室用電的不平衡性。為了保證溫室用電可靠性，采取與市電并聯(lián)運(yùn)行的工作方式，在光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足且蓄電池荷電狀態(tài)低下時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電。

圖3 溫室供電系統(tǒng)Fig. 3 Power supply system for greenhouse

2.2 溫室用電設(shè)備

溫室內(nèi)部需調(diào)節(jié)的環(huán)境因子有：溫度、濕度、和光照強(qiáng)度等，配備了空調(diào)、噴霧水泵、遮陽(yáng)網(wǎng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)和補(bǔ)光燈等調(diào)節(jié)設(shè)備。這里采用了空調(diào)作為溫度調(diào)控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)植物栽培環(huán)境因子的精確調(diào)控。針對(duì)廣東地區(qū)主要以降溫為主的氣候特點(diǎn)，為了減少空調(diào)降溫電耗，在溫室頂部加裝了淋水降溫設(shè)施，該措施除了可直接通過(guò)熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)降低太陽(yáng)直射造成的室頂高溫外，還有清潔太陽(yáng)電池表面和降低因溫升而造成的太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的損失效應(yīng)。溫室電氣設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 溫室電氣設(shè)備配置Table 1 Electric devices in greenhouse

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Greenhouse monitoring and control system structure

為了實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子的精確監(jiān)控、保證人身安全以及提高溫室的自動(dòng)化水平，開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和前端控制系統(tǒng)組成。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，各傳感器采集到的有關(guān)溫室環(huán)境的信息、光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電量和溫室運(yùn)行耗電量通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)編寫好的人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存接收到的信息數(shù)據(jù)，并將采集到的變量數(shù)據(jù)發(fā)送給前端控制器PLC，生成相應(yīng)的指令來(lái)控制溫室中的設(shè)備動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫室的最優(yōu)化運(yùn)行。以上各模塊之間都通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[12]。

3 溫度調(diào)節(jié)與能量管理策略

廣州地區(qū)用電負(fù)荷主要以夏季空調(diào)降溫為主，這里的溫室監(jiān)控與能量管理策略主要針對(duì)溫室的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程。溫度控制流程如圖5，為了提高能效，只有在室頂溫度高于50℃時(shí)，才開啟水幕水泵進(jìn)行室外淋水降溫。因太陽(yáng)輻射能強(qiáng)時(shí)，溫室室內(nèi)溫度高，這時(shí)光伏發(fā)電量也大，為光電的即發(fā)即用提供了條件。為了應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能的變化性及保證設(shè)備的安全和供電可靠性，采取了以下能量管理措施：

（1）檢測(cè)光照強(qiáng)度和蓄電池荷電狀態(tài)；

（2）當(dāng)光照強(qiáng)度高且蓄電池荷電狀態(tài)高時(shí)，直接啟動(dòng)整個(gè)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；

（3）當(dāng)光照強(qiáng)度較低且蓄電池荷電狀態(tài)較低時(shí)，空調(diào)由市電供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)只為溫室中除空調(diào)外的小功率設(shè)備供電，并為蓄電池充電。

圖5 溫室控制流程圖Fig. 5 Temperature control flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與效能分析

溫室的栽培對(duì)象為高檔花卉，其生長(zhǎng)的適宜溫度為15℃～28℃。本文綜合考慮花卉生長(zhǎng)和溫室能耗問(wèn)題，將溫室內(nèi)部夏季的上限溫度設(shè)置在28℃，冬季的下限溫度則為18℃。設(shè)計(jì)好以上參數(shù)后，從8月開始，讓系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)每小時(shí)自動(dòng)記錄一次相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖6a為夏季一天24小時(shí)溫度變化情況，夏季晴熱高溫，在無(wú)降溫措施的情況下，室內(nèi)一天平均氣溫在35℃左右，最高溫可達(dá)44℃，通過(guò)降溫調(diào)節(jié)以后，室內(nèi)溫度控制在28℃及以下。圖6b為對(duì)應(yīng)的電量消耗情況，夏季空調(diào)電耗較大，光電不能滿足要求，要由市電補(bǔ)充，圖中溫室用電量（1）和溫室用電（2）分別表示只用空調(diào)降溫時(shí)的溫室用電量和加入屋頂淋水降溫措施后溫室的用電量，第一種情況溫室用電量為135 kW·h，第二種情況溫室用電量為125 kW·h，表明在溫室頂部加裝了淋水降溫設(shè)施確實(shí)降低了溫室降溫電耗。

圖6 夏季溫室溫度調(diào)節(jié)及電耗情況Fig. 6 Temperature regulation and power consumption situation in summer

圖7a為冬季典型天氣下一天24小時(shí)溫度變化情況，圖7b為該天光伏發(fā)電量和溫室用電量圖，圖中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電量曲線和溫室用電曲線完全重合，表明溫室用電全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供。

本著光電即發(fā)即用原則，在滿足冬季用電的前提下，解決夏季部分用電量，設(shè)計(jì)達(dá)到了這個(gè)要求。

圖7 冬季溫室溫度調(diào)節(jié)及電耗情況Fig. 7 Temperature regulation and power consumption situation in winter

圖8為加裝太陽(yáng)電池前后及采取補(bǔ)光措施后的溫室內(nèi)光照強(qiáng)度情況，因?yàn)樵谑翼敿友b太陽(yáng)電池后，不能再采用室外遮陽(yáng)網(wǎng)，太陽(yáng)直照將影響室內(nèi)的光照強(qiáng)度。由圖可見(jiàn)，雖然太陽(yáng)發(fā)電影響了室內(nèi)的采光，但也在光強(qiáng)超過(guò)要求時(shí)起到了遮陽(yáng)作用，結(jié)合內(nèi)遮陽(yáng)網(wǎng)和補(bǔ)光燈的控制，可以滿足溫室的光照強(qiáng)度要求。補(bǔ)光燈電耗很少，故因太陽(yáng)電池遮陽(yáng)產(chǎn)生的不利影響很小。

圖9為光伏發(fā)電系統(tǒng)每月的發(fā)電量，由圖可以看出夏季日照充足，7月的發(fā)電量達(dá)到2 803 kW·h，而3月多雨，日照不足，發(fā)電量只有863 kW·h，光伏發(fā)電系統(tǒng)12個(gè)月累計(jì)發(fā)電量為22 343 kW·h。

圖8 溫室光照強(qiáng)度變化情況Fig. 8 Light intensity changes of greenhouse

5 結(jié) 論

將光伏發(fā)電技術(shù)引入溫室供能系統(tǒng)后，采用與市電并聯(lián)運(yùn)行的供電方式，結(jié)合適當(dāng)?shù)墓芾砜刂坪褪彝饬芩却胧?，解決了溫室大部分用電量，有效地解決溫室生產(chǎn)對(duì)化石能源的依賴，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本著即發(fā)即用原則的能量管理策略，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)施方式，提高了光電的應(yīng)用效率，同時(shí)該溫室監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各環(huán)境因數(shù)的采集和調(diào)節(jié)，到達(dá)智能高效管理目標(biāo)。

[1] 齊飛, 周新群, 張躍峰, 等. 世界現(xiàn)代化溫室裝備技術(shù)發(fā)展及對(duì)中國(guó)的啟示[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 10(24): 279-285.

[2] 杜尚豐, 徐立鴻, 馬程偉, 等. 可控環(huán)境生產(chǎn)系統(tǒng)建模、仿真與控制研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)科學(xué): 信息科學(xué), 2010, 40(增刊): 54-70.

[3] 李立揚(yáng), 王華斌, 白鳳山. 基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2012, 20(12): 3148-3150.

[4] 戴劍鋒, 羅紅衛(wèi), 李永秀, 等. 基于小氣候模型的溫室能耗預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2006, 39(11): 2313-2318.

[5] 張亞紅, 陳青云. 中國(guó)溫室氣候區(qū)劃及評(píng)述[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(11): 197-202.

[6] 張亞紅, 陳青云. 中國(guó)連棟溫室采暖期的確定及采暖能耗分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(2): 147-152.

[7] 郭永聰, 付祥釗. 珠江三角洲現(xiàn)代溫室環(huán)境與耗能水平調(diào)查與實(shí)測(cè)[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(1): 101-104.

[8] 張猛, 房俊龍, 韓雨. 基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(增刊1): 171-176.

[9] 陳超, 果海鳳, 周瑋. 相變墻體材料在溫室大棚中的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2009, 30(3): 287-293.

[10] 馬文生, 郝斌. 光伏建筑一體化相關(guān)問(wèn)題的探討[J].可再生能源, 2011, 29(1): 94-97.

[11] 劉東冉, 陳樹勇, 馬敏, 等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型綜述[J].電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(08): 47-52.

[12] 楊瑋, 呂科, 張棟, 等. 基于 ZigBee 技術(shù)的溫室無(wú)線智能控制終端開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(3): 198-202.

Application of Photovoltaic Power Generation Technology in Greenhouse

YU Qing, YANG Jin-ming
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The development of greenhouse is limited by its high energy consumption, application of renewable energy in greenhouse is an effective way for energy saving. In this paper, an approach of photovoltaic (PV) power generation and control technology is applied to greenhouse. The PV panels were installed directly on the top of the greenhouse. The PV system generates power for the greenhouse by parallel with the mains and a small amount of batteries were applied to ensure the reliability and smoothness of power supply. Besides, based on the wireless communication technology, a remote monitoring system was developed to acquire the greenhouse environmental factors and demonstrate relative data. The proposed system not only adjusts the environment parameters of greenhouse automatically according to the reference value, but also monitors the energy flow of the entire system. Results show that the system satisfies the needs of power for greenhouse in winter, as well as the partial in summer, thus greatly reducing the need for fossil fuels and achieves the goal of energy saving.

photovoltaic power generation; greenhouse; monitoring system; energy conservation and emissions reduction

TK51

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.002

2095-560X（2015）04-0251-05

余 情（1990-），男，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電及應(yīng)用研究。

2015-04-11

2015-06-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（51177050）

? 通信作者：楊金明，E-mail：jmyang@scut.edu.cn

楊金明（1962-），男，博士，教授，主要從事新能源發(fā)電及控制技術(shù)研究。