基于溫室大棚的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用探究

章 慶

（天津市交通建筑設(shè)計(jì)院 天津 300000）

1 溫室大棚用電需求分析

項(xiàng)目地點(diǎn)位于天津市某種植專(zhuān)業(yè)合作社，該智能溫室大棚為日光溫室，主要包括供暖系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)等。其中用電設(shè)備主要有：電加熱板、補(bǔ)光燈、水泵、硫磺盒、攝像機(jī)、溫濕度測(cè)試儀。下面對(duì)大棚內(nèi)的各系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并分析各用電設(shè)備的運(yùn)行方式，通過(guò)統(tǒng)計(jì)智能溫室大棚內(nèi)各用電設(shè)備的全年功率變化，可總結(jié)出大棚內(nèi)用電設(shè)備的總功率變化情況。

1.1 各設(shè)備全年用電情況

1.1.1 供暖系統(tǒng)

智能溫室大棚冬季采用電輻射板為室內(nèi)供暖，大棚內(nèi)墻上均勻的分布著11個(gè)電輻射板，每個(gè)電輻射板的功率為500W。該供暖形式相較于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供暖方式能有效節(jié)約大棚的內(nèi)部空間，降低因運(yùn)行管理帶來(lái)的人工成本，不存在氣體排放引起的污染問(wèn)題。

電輻射板全年的運(yùn)行方式如表1所示。1、2、11、12月氣溫較低，需要啟動(dòng)輔助熱源供暖，電輻射板每天晚上8點(diǎn)至次日早上8點(diǎn)開(kāi)啟，運(yùn)行12個(gè)小時(shí)。這樣的運(yùn)行方式可以保證大棚在冬季夜間的室內(nèi)溫度保證在10℃左右，在此溫度下植物可以進(jìn)行正常的呼吸作用，為植物積累有機(jī)物，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。

表1 電輻射板運(yùn)行方式

1.1.2 灌溉系統(tǒng)

該溫室大棚利用水泵將水和營(yíng)養(yǎng)液輸送到苗床內(nèi)，水和營(yíng)養(yǎng)液從鏤空的盆底滲入盆中，苗床中的水和營(yíng)養(yǎng)液可以循環(huán)利用。這種澆灌技術(shù)可以節(jié)省人工澆灌的成本，同時(shí)避免了水和營(yíng)養(yǎng)液的浪費(fèi)。非常適合給盆栽植物進(jìn)行澆灌。

大棚內(nèi)的設(shè)有兩個(gè)水泵，分別用于澆水和澆營(yíng)養(yǎng)液。兩個(gè)水泵的功率均為750W。水泵的全年運(yùn)行方式如表2所示：

表2 水泵運(yùn)行方式

1.1.3 補(bǔ)光系統(tǒng)

植物生長(zhǎng)是通過(guò)光合作用進(jìn)行的，光合作用可以將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)藏在有機(jī)物質(zhì)中的化學(xué)能，以維持和推動(dòng)植物各種生命活動(dòng)的進(jìn)行。冬季日照時(shí)間短，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)于其他季節(jié)較弱，為了進(jìn)一步提高植物的光合作用，溫室大棚在冬季早晨和下午為植物補(bǔ)光，進(jìn)而延長(zhǎng)其光合作用的時(shí)間，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。智能大棚的補(bǔ)光時(shí)間集中在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低的1、2、11、12月四個(gè)月，在早上7點(diǎn)至8點(diǎn)開(kāi)啟。大棚屋頂共設(shè)置了20個(gè)高壓鈉燈，這些補(bǔ)光燈不僅起到了為植物補(bǔ)光的作用，照明時(shí)產(chǎn)生的熱量還能使室溫有一定程度的升高。補(bǔ)光燈的運(yùn)行方式如表3所示。

表3 補(bǔ)光燈運(yùn)行方式

1.1.4 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

溫室環(huán)境及其參數(shù)的監(jiān)控對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，通過(guò)大棚溫濕度記錄儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)部的環(huán)境溫度和濕度，使得農(nóng)作物能具有良好的生產(chǎn)環(huán)境，保證農(nóng)作物健康生長(zhǎng)。通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備和溫室大棚智能化管理平臺(tái)，相關(guān)技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)室內(nèi)氣象參數(shù)及作物的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而對(duì)溫室內(nèi)的各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程智能管控，這樣就能及時(shí)了解農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)際環(huán)境，對(duì)溫室中的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，及時(shí)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和溫濕度測(cè)試儀的運(yùn)行方式見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行方式

1.1.5 其他設(shè)備

農(nóng)作物從播種、生長(zhǎng)至收獲，經(jīng)常受到各種有害生物的危害，從而影響栽培植物的產(chǎn)量和質(zhì)量，而大棚溫室卻又為病蟲(chóng)提供了適宜的生存環(huán)境，為了保證植物的健康生長(zhǎng)，病蟲(chóng)害防治的重要性不言而喻。采用硫磺熏蒸是控制病害的有效方法，定期開(kāi)啟硫磺熏蒸器才能保護(hù)作物免受病蟲(chóng)害的威脅。表5給出了硫磺熏蒸器的運(yùn)行方式。

表5 硫磺熏蒸器運(yùn)行方式

1.2 溫室大棚全年總功率變化情況

通過(guò)分析各用電設(shè)備的功率變化情況，可以繪制出大棚用電設(shè)備的全年功率變化曲線，如圖1顯示，從圖中我們可以看出，溫室大棚的用電高峰主要集中在冬季，春夏秋季設(shè)備的總功率很小，其主要原因是電加熱板和補(bǔ)光燈的功率最大，二者主要在冬季的夜間運(yùn)行，使得冬季用電量很大。夏季主要是營(yíng)養(yǎng)液水泵、澆水水泵和硫磺盒間歇運(yùn)行，這些設(shè)備的功率都較小。

圖1 大棚全年用電設(shè)備功率變化情況

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用分析

上一節(jié)對(duì)溫室大棚內(nèi)各種用電設(shè)備全年的運(yùn)行功率以及所有設(shè)備的年總功率變化情況進(jìn)行了分析，下面將討論風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在該地區(qū)應(yīng)用的可行性，根據(jù)大棚的用電需求確定風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總功率并給出合理的運(yùn)行策略。

2.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于天津地區(qū)的可行性分析

根據(jù)《建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)手冊(cè)》[4]中的標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)，圖2和圖3分別顯示了天津地區(qū)全年的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度及風(fēng)速變化情況。

圖2 天津地區(qū)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度變化情況

圖3 天津地區(qū)風(fēng)速 變化情況

從圖中可以分析得出天津地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化有夏季強(qiáng)、冬季弱的特點(diǎn)，而風(fēng)速變化呈現(xiàn)冬季強(qiáng)、夏季弱的特點(diǎn)。因而風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電在全年可以相互補(bǔ)充，夏季主要通過(guò)光伏發(fā)電，充分利用太陽(yáng)輻射資源，冬季主要通過(guò)風(fēng)力發(fā)電，充分利用風(fēng)能資源?？梢灶A(yù)見(jiàn)，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏板數(shù)量的合理配置，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以在全年輸出持續(xù)穩(wěn)定的電能，總之，天津市的氣象條件符合風(fēng)光互補(bǔ)特性，具備風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用條件。

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)年平均發(fā)電量的確定

由智能溫室大棚用電設(shè)備全年的總功率變化，可以確定為溫室大棚供電的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年平均發(fā)電量。圖4顯示了溫室大棚逐月的設(shè)備平均功率。從圖中我們可以看出，1、2、11、12月份的設(shè)備平均功率最大，分別為3872W、3167W、3187W、3873W；3月較以上四個(gè)月有明顯降低，為1418W；其余月份的平均功率極小，均小于200W。為了達(dá)到溫室大棚的用電需求，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量應(yīng)滿足大棚冬季的用電負(fù)荷。

圖4 大棚逐月平均用電功率

通過(guò)對(duì)智能溫室大棚逐月設(shè)備平均功率的分析，要建設(shè)一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)和光伏板全年平均出力之和理論上應(yīng)不低于3800W。進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)容量計(jì)算時(shí)，還要在滿足上述風(fēng)光互補(bǔ)年平均發(fā)電量的基礎(chǔ)上，考慮將系統(tǒng)整體投資控制在最低水平，即找到二者綜合的最佳方案。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行策略

根據(jù)大棚夏季用電需求小而冬季用電時(shí)間主要集中在晚上的特點(diǎn)，夏季系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能存儲(chǔ)在蓄電池中無(wú)法利用，冬季大棚的主要耗電時(shí)段在夜間，而夜間屬于農(nóng)業(yè)用電的低峰用電時(shí)間，對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，如果采用離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，雖然可以使用蓄電池儲(chǔ)能，但是蓄電池具有的造價(jià)高、維護(hù)難、二次污染甚至存在安全隱患等弊端，不但增加了運(yùn)營(yíng)成本，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)保問(wèn)題。而如果采用并網(wǎng)的方式，將所發(fā)電能匯入市網(wǎng)，以電網(wǎng)作為儲(chǔ)能裝置，不僅可以省掉蓄電池，比獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)投資還可減少達(dá)35%～45%，從而使發(fā)電成本大為降低。這種分布式建設(shè)，就近就地分散發(fā)供電，進(jìn)入和退出電網(wǎng)靈活，有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，并可降低線路損耗，還可以起到調(diào)峰作用[5]

3 效益評(píng)價(jià)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

我國(guó)目前大力推廣風(fēng)光互補(bǔ)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)，根據(jù)天津市2018年最新的可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.75元/kWh，天津農(nóng)業(yè)用電電價(jià)為0.571元/kWh，而低峰時(shí)段用電價(jià)格只有0.32元/kWh，如果采用將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電直接并入市網(wǎng)，大棚設(shè)備用電由市網(wǎng)提供的運(yùn)行模式，不僅滿足了溫室大棚的用電需求，另外，每發(fā)出一度電最多還可以賺取凈利潤(rùn)0.43元，實(shí)現(xiàn)了可觀的發(fā)電收益。

3.2 社會(huì)效益[6]

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光資源進(jìn)行了合理利用，發(fā)揮風(fēng)光的天然互補(bǔ)性，使資源得到了合理配置。并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以在光照充足而風(fēng)力不足時(shí)通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)供電，風(fēng)力資源豐富而輻射照度不佳時(shí)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，風(fēng)能光能均匱乏時(shí)由市網(wǎng)供電，從而彌補(bǔ)了單一能源供電可靠性差的缺陷，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，減輕了環(huán)境污染的危害，同時(shí)帶動(dòng)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)因其清潔、環(huán)保、輸出穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，將并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚，既能保證大棚的用電可靠性，又可獲得發(fā)電收益，同時(shí)還改善了環(huán)境污染問(wèn)題，在盈利的同時(shí)又充分利用了可再生能源，真正實(shí)現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益雙豐收，具有良好的發(fā)展前景和較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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