微波硫燈補(bǔ)光技術(shù)在農(nóng)業(yè)節(jié)電中的應(yīng)用

林 芬，岑 旭，陳孟穎，郭建鵬，林偉彬

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350001；2.國網(wǎng)福州供電公司，福州 350001；3.國網(wǎng)福建節(jié)能公司，福州 350001；4.福建省億力集團(tuán)公司，福州 350001）

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，電力需求量增長速度放緩。一方面能效標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，客戶迫切希望減少用電量，降低用能成本；另一方面，供電服務(wù)作為電網(wǎng)企業(yè)的主營業(yè)務(wù)，如何增供促銷是電力市場開拓的重點(diǎn)。我國正處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期，農(nóng)業(yè)用電需求量逐年增加。本項(xiàng)目通過挖掘農(nóng)作物生長補(bǔ)光燈市場，創(chuàng)新采用微波硫燈進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚補(bǔ)光，降低傳統(tǒng)大棚補(bǔ)光用能成本，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，從而有效拓展農(nóng)業(yè)用電需求，實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)與用電客戶利益共盈。

目前常見的農(nóng)作物補(bǔ)光光源有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、汞蒸汽燈、金鹵燈、LED燈等，以金鹵燈使用最廣泛，LED燈技術(shù)發(fā)展最快。然而這些補(bǔ)光燈在應(yīng)用中不同程度上存在局限性，金鹵燈受到光譜結(jié)構(gòu)的限制，紅色系光多、藍(lán)色系光少，且能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高，能耗費(fèi)用約占全部運(yùn)行成本的50%～60%；LED燈的穿透性差，光強(qiáng)達(dá)不到大范圍補(bǔ)光的要求，不能適應(yīng)大面積植物、花卉等大棚農(nóng)業(yè)的需要。［1］

1 農(nóng)作物補(bǔ)光用電潛力巨大

為提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，花卉、瓜果、蔬菜等農(nóng)作物大量使用大棚種植，并使用人工補(bǔ)光等技術(shù)彌補(bǔ)冬春兩季日照時(shí)間不足導(dǎo)致的農(nóng)作物生長速度慢、產(chǎn)量低、品質(zhì)差等問題，從而縮短農(nóng)作物生長周期，實(shí)現(xiàn)多季栽培，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)報(bào)告的數(shù)據(jù)，全球植物生長燈市場將以12%的年復(fù)合增長率持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2020年市場價(jià)值將超過30億美元，這必將成為電力市場拓展的新增長點(diǎn)。

2 微波硫燈簡介

2.1 工作原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)

微波硫燈是利用微波激發(fā)硫分子的無極放電光源，微波發(fā)生器磁控管產(chǎn)生的2 450 MHz頻率的微波通過波導(dǎo)耦合到置于諧振腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)石英球泡中，球泡中含有氬氣和硫元素，被微波能激勵(lì)而發(fā)光，微波硫燈屬于分子發(fā)光，光譜接近太陽光譜，穿透力極強(qiáng)。無燈絲、無電極的燈泡不僅光效強(qiáng)、低能耗，使用壽命能持續(xù)60 000 h以上，光通量可幾近持之以恒，整個(gè)壽命期限基本無衰減，始終放射出大于自己輸入功率幾倍的超強(qiáng)光亮度，結(jié)構(gòu)如圖1所示。［2］圖2為常見光源光通量維持率對比圖。

圖1 微波硫燈結(jié)構(gòu)圖

圖2 常見光源光通量維持率對比圖

2.2 微波硫燈在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢

微波硫燈發(fā)光效率很高，可以達(dá)到120 lm/W以上，優(yōu)于金鹵燈、大功率LED燈等在用補(bǔ)光燈，在相同照明效果的情況下，消耗功率大幅降低，節(jié)能效果明顯。，根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚硫燈應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生100 lm同等亮度，其消耗功率為0.67 W，低于大棚農(nóng)業(yè)廣泛應(yīng)用的金屬鹵燈（1.5 W）和市場認(rèn)可能耗較低的LED燈（1.25 W），節(jié)能效果顯著［3］。表1為常見光源能耗對比。

表1 常見光源能耗對比

與市場上在用光源相比，微波硫燈是全光譜結(jié)構(gòu)的光源，是最接近陽光的人造光源。將微波硫燈應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，照度遠(yuǎn)超金鹵燈和LED燈，對促進(jìn)植物光合作用明顯優(yōu)于其他光源。該燈普照度高，光源照射面積較其他光源大，填補(bǔ)了大范圍農(nóng)作物補(bǔ)光的市場空白。以高5～7 m的大棚為例，若使用金鹵燈，每盞燈照射到地面的面積約5 m2，每畝（667 m2）大棚補(bǔ)光需要120盞金鹵燈；若使用LED燈珠，由于LED燈光方向性強(qiáng)，需要LED燈珠3 000個(gè)；若使用硫燈，每盞硫燈照射面積約8 m2，僅需要72盞硫燈。圖3為硫燈與金鹵燈的光譜對比圖。

圖3 硫燈與金鹵燈的光譜對比圖

微波硫燈壽命長，能耗低，提高產(chǎn)量效果顯著，對廣大農(nóng)民和農(nóng)業(yè)公司具有強(qiáng)大的吸引力，將有效促進(jìn)現(xiàn)有大棚補(bǔ)光燈進(jìn)行更新?lián)Q代，吸引未使用補(bǔ)光燈田地使用該技術(shù)，明顯增加電網(wǎng)企業(yè)售電量。

3 項(xiàng)目分析

3.1 項(xiàng)目概況

選擇福建省福州市羅源縣起步鎮(zhèn)護(hù)國村3塊位置相鄰、土壤條件基本一樣、面積均為1 334 m2的土地，1號地作為參考地，為非大棚普通種植土地，2號地為采用金鹵燈補(bǔ)光的大棚種植土地，3號地為采用微波等離子燈補(bǔ)光的大棚種植土地。通過種植西紅柿與小白菜進(jìn)行3種情況的對比。

3.2 記錄與分析說明

2016年9月-2017年3月，在不同的光源下，對3塊試驗(yàn)田上種植的西紅柿的生長情況進(jìn)行記錄，記錄內(nèi)容如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用農(nóng)作物補(bǔ)光燈能夠縮短西紅柿的育苗期、開花坐果期、結(jié)果期，使用微波硫燈補(bǔ)光后，西紅柿的生長速度比普通田地提高一倍，比金鹵燈補(bǔ)光提高30%；畝產(chǎn)比普通田地增加21%，比金鹵燈補(bǔ)光增加7%。硫燈補(bǔ)光田地的西紅柿產(chǎn)量比普通田地增加2倍，比金鹵燈補(bǔ)光增加60%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，采用微波硫燈補(bǔ)光大棚種植能夠大幅增加西紅柿產(chǎn)量。圖4為西紅柿在不同光源下的生長情況。

圖4 西紅柿在不同光源下的生長情況

表2 西紅柿在不同光源下的生長情況

2016年10—12月，在不同的光源下對3塊試驗(yàn)田上種植的小白菜的生長情況進(jìn)行記錄，記錄內(nèi)容如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用農(nóng)作物補(bǔ)光燈能夠縮短小白菜的生長周期，使用微波硫燈補(bǔ)光后，小白菜的生長速度比普通田地提高1倍，比金鹵燈補(bǔ)光提高35%；畝產(chǎn)比普通田地增加6%，比金鹵燈補(bǔ)光增加4%，硫燈補(bǔ)光田地的小白菜產(chǎn)量比普通田地增加1.13倍，比金鹵燈補(bǔ)光增加57%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，采用微波硫燈補(bǔ)光大棚種植能夠大幅增加小白菜產(chǎn)量。

表3 小白菜在不同光源下的參數(shù)記錄

圖5為小白菜在不同光源下的產(chǎn)量及生長周期情況。

圖5 小白菜在不同光源下的產(chǎn)量及生長周期情況

4 微波硫燈的推廣效益分析

4.1 社會(huì)效益

保持相同的光照強(qiáng)度，每畝（667 m2）大棚可用72個(gè)50 W硫燈替換原有120個(gè)100 W金鹵燈，以每天用電10 h計(jì)算，每畝（667 m2）大棚年可節(jié)約電量3.07萬kWh。在福建省全面推廣使用硫燈，年可節(jié)約電量4.59億kWh；在華東地區(qū)推廣年可節(jié)約電量45.99億kWh；在全國推廣年可節(jié)約電量153.30億kWh，減少燃煤513.56萬t，分別減少排放 CO2、SO2、NOX、粉塵1 528.20萬t、45.96萬t、22.98萬t、404.40萬t，相當(dāng)于少啟動(dòng)354.12萬kW裝機(jī)容量的燃煤發(fā)電機(jī)組。

其次，微波硫燈燈泡采用單質(zhì)硫和惰性氣體，不含重金屬汞，從根本上克服了液體汞和汞蒸氣的嚴(yán)重環(huán)境污染，廢棄后不會(huì)對環(huán)境造成污染，從根本上解決了白熾燈、節(jié)能燈、熒光燈等光源廢棄后的汞污染問題。

4.2 企業(yè)效益

在全國大范圍推廣使用硫燈可有效地開拓電力市場，增加電網(wǎng)企業(yè)售電量。根據(jù)市場調(diào)研報(bào)告“十三五”期間的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，若新建農(nóng)業(yè)大棚全部采用硫燈進(jìn)行農(nóng)作物補(bǔ)光，“十三五”期間福建省每年新增售電量2 900萬kWh，全國電網(wǎng)企業(yè)每年新增售電量10.8億kWh。

4.3 用戶效益

硫燈具有促進(jìn)農(nóng)作物生長、能耗低等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。截至2016年年底，福建省規(guī)模以上大棚農(nóng)業(yè)基地平均擁有大棚624 919 m2，改造后平均年節(jié)約電費(fèi)2 012.71萬元。以種植小白菜為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，對新建大棚基地，在29個(gè)月收回投資成本后，年收益增加52.78元/m2，平均每個(gè)基地增收3 298.24萬元；對將金鹵燈改造為硫燈的大棚用戶，在17個(gè)月收回投資成本后，年收益增加77.21元/m2，平均每個(gè)基地增收4 829.45萬元。

5 結(jié)束語

微波硫燈光譜接近太陽光，光效高、壽命長、能耗低，實(shí)驗(yàn)證明能夠有效提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)照明滲透率的提升，微波硫燈作為大棚補(bǔ)光光源具有廣泛的市場推廣空間，從而能夠有效拓展農(nóng)業(yè)用電需求，實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)與用電客戶利益共贏。D

［1］ 王偉偉，馬俊貴.設(shè)施溫室補(bǔ)光燈的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程.2014，4（6）：47-50.

［2］ 許麗梅，曾葆青，黎曉云.微波硫燈的技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.微波學(xué)報(bào).2010（8）：729-732.

［3］ 盧有祥.微波硫燈的技術(shù)進(jìn)展［J］.光電技術(shù).2007，48（2）：1-5.

［4］ 高金鵬，於新建，陳啟林，等.氙燈和硫燈照射對棉花生長發(fā)育的不同影響［J］.植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào).2004，30（2）：221-224.