西藏高原以風(fēng)光可再生能源驅(qū)動(dòng)植物工廠可行性研究

吳怡然

（西安交通大學(xué)，西安 710000）

西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部，北緯26°50′-36°53′，東經(jīng)78°25′-99°06′之間，是中國(guó)西南邊陲重要門戶和國(guó)防屏障。全區(qū)面積120.223 萬(wàn)平方公里，平均海拔4000 m 以上，素有“世界屋脊”之稱。自治區(qū)設(shè)有拉薩、昌都、日喀則、林芝、山南、那曲6 個(gè)地級(jí)市，1 個(gè)阿里地區(qū)，常住人口308 萬(wàn)人。人口分布：日喀則70 萬(wàn)、昌都65 萬(wàn)、拉薩55 萬(wàn)、那曲46 萬(wàn)、山南32 萬(wàn)、林芝19 萬(wàn)、阿里9 萬(wàn)。2019 年12 月23 日，西藏已基本消除絕對(duì)貧困，全域?qū)崿F(xiàn)整體脫貧。

西藏自治區(qū)空氣稀薄，氣壓低，含氧量少，平均空氣密度為海平面空氣密度的60%-70%，含氧量比海平面少35%-40%。(NASA)水平峰值日照時(shí)數(shù)（h）：拉薩5.450、昌都4.847、山南5.408、日喀則5.733、那曲5.299、阿里5.559、林芝4.717；拉薩氣象站：春季全區(qū)平均風(fēng)速最大，為3.0 m/s，夏、秋、冬季依次為2.3 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s。氣溫低，積溫少，晝夜溫差大，年均氣溫為-2.4℃-12.1℃，自東南向西北遞減，每年6 月-7 月最高，1 月最低，日溫差15℃以上。季節(jié)性降水明顯，年降水量66.3-894.5 mm，東南向西北遞減，降水集中在5-9 月，占年降水量的80%-95%。大部分地區(qū)年大風(fēng)日數(shù)在30 天以上，西部和北部高達(dá)100-160 天。干旱、洪澇、雪災(zāi)、霜凍、冰雹、雷電、大風(fēng)、沙塵暴等災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生，其中冰雹居全國(guó)之首。氣候垂直變化大，自東南向西北依次為：熱帶、亞熱帶、高原溫帶、高原亞寒帶、高原寒帶。區(qū)域氣候變暖明顯，尤其是1991-2010 年西藏增溫強(qiáng)烈，升溫率達(dá)0.79℃/10 年，明顯高于全國(guó)其他區(qū)域。耕地面積343.14萬(wàn)畝，人均耕地1.41畝，分布零散，休耕時(shí)間長(zhǎng)，土質(zhì)較差，土壤肥力與水分流失嚴(yán)重，屬低產(chǎn)田。受自然條件和技術(shù)條件限制，全區(qū)均墾系數(shù)僅為0.2%。

一、高原立體化種植

1、項(xiàng)目背景

至2018 年底，西藏全區(qū)累計(jì)公路通車?yán)锍?7785 km，大部分生產(chǎn)生活物資需從其他地區(qū)進(jìn)入，特別是時(shí)鮮蔬菜、肉類、禽蛋等主要通過(guò)G214、G318、青藏鐵路、航空等運(yùn)入，中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)較多，物價(jià)上浮較大；且途中時(shí)間較長(zhǎng)，特別是時(shí)鮮類蔬菜較易變質(zhì)腐敗，亞硝酸鹽急劇升高。亞硝酸鹽具有致癌作用，進(jìn)入人體后會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，嚴(yán)重的可以引起中毒致人死亡。日常食用較多的蔬菜，強(qiáng)烈建議杜絕食用長(zhǎng)途運(yùn)輸、擱置時(shí)間長(zhǎng)、腐敗的蔬菜、隔夜菜、剩菜、腌制的咸菜。蔬菜應(yīng)具備新鮮、健康、美味、價(jià)優(yōu)四大特點(diǎn)。

全球所需農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值在萬(wàn)億級(jí)，市場(chǎng)區(qū)域跨度大，深化設(shè)計(jì)和規(guī)?；?yīng)鏈整合的種植方式將成為可能。技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)生產(chǎn)方式進(jìn)步，隨著蔬菜種植方式改變，世界各地都將迎來(lái)一系列農(nóng)業(yè)變革。例如城市中種植農(nóng)作物，建造城市農(nóng)場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)本土本地生產(chǎn)、本土本地消費(fèi)，人們自主決定吃什么蔬菜，并學(xué)會(huì)種植這些蔬菜。

例如建造房頂溫室。僅在戶外打造露天農(nóng)場(chǎng)是不夠的，要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)城市空間，讓蔬菜在室內(nèi)生長(zhǎng)、生產(chǎn)。由于避免了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在的農(nóng)藥殘留、病蟲(chóng)害、污染、低產(chǎn)等問(wèn)題，從而使口感和質(zhì)量100%可控、符合消費(fèi)者需求；同時(shí)提高空間的利用率、提高產(chǎn)值以及達(dá)到節(jié)約土地的目的，新一代工廠化、立體化，智能化和工業(yè)化種植技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2、市場(chǎng)展望

城市農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)使命就是讓城市能在食品生產(chǎn)方面自給自足，我們開(kāi)始審視立體種植這種模式，希望以辦公室為研究中心，研究大自然，尋求最佳生長(zhǎng)條件，滿足不同植物的需求；然后進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，研究不同的光譜和營(yíng)養(yǎng)方案，以及白天可能發(fā)生變化的不同環(huán)境等，通過(guò)技術(shù)手段創(chuàng)造許多不同的小氣候環(huán)境，培育數(shù)千個(gè)不同的植物品種。通過(guò)這種模式生產(chǎn)出來(lái)的食物蔬菜具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并以口感作為植物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)需求訂制蔬菜。如果客戶需要蔬菜更甜一些，我們可以用數(shù)學(xué)和模型來(lái)改變環(huán)境條件，下一次就能為客戶生產(chǎn)出更甜的植物。不用任何農(nóng)藥，也不噴任何化學(xué)制劑，選用非轉(zhuǎn)基因種子，生產(chǎn)出最干凈、最健康的食物。

未來(lái)無(wú)土栽培和立體種植系統(tǒng)進(jìn)入超市將節(jié)省99%的能耗，包括但不限于運(yùn)輸、冷藏、物流等產(chǎn)生的能耗，還能解決當(dāng)前食物體系所面臨的的嚴(yán)重浪費(fèi)問(wèn)題。進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，推廣到所有超市、酒店、餐館、辦公室甚至可能推廣到的每家每戶，建立城市營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)。隨著城市農(nóng)場(chǎng)的快速興起，城市居民和農(nóng)民的界限將越來(lái)越模糊。未來(lái)，憑借先進(jìn)的通信技術(shù)和智能工具，人們可以在自己家中種植新鮮、健康的蔬菜，實(shí)現(xiàn)全年供應(yīng)不斷。

3、項(xiàng)目現(xiàn)狀

利用上層空間在城市中大力發(fā)展城市農(nóng)場(chǎng)，在種植集裝箱、工廠內(nèi)安裝傳感器，能夠?qū)κ覂?nèi)的亮度、濕度和空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。農(nóng)場(chǎng)就像真正的無(wú)菌實(shí)驗(yàn)室，里面的所有因素都會(huì)得到精確的控制，所有的作物生長(zhǎng)不必?fù)?dān)心自然環(huán)境狀況，生長(zhǎng)周期短于傳統(tǒng)露天生長(zhǎng)的農(nóng)作物。

植物工廠里，蔬菜瓜果生長(zhǎng)在“集裝箱”里，只需一鍵啟動(dòng)，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)栽培，針對(duì)植物本身的最佳生長(zhǎng)需求進(jìn)行環(huán)境模擬，大大提高蔬菜瓜果的生長(zhǎng)質(zhì)量和效率。通過(guò)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱LED）控制光照時(shí)間，只用7-8 h 就可以滿足植物對(duì)光照的需求，在培養(yǎng)方面很有優(yōu)勢(shì)，而且還能縮短整個(gè)生長(zhǎng)周期。發(fā)芽階段基本上只要白光就可以；發(fā)芽期過(guò)后，主要需要藍(lán)光和紅光進(jìn)行光合作用。在自然光照條件下，光合作用能效通常較低，而利用LED 為每株作物提供所需紅光和藍(lán)光，能有效提高光合作用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，確保每個(gè)月收獲兩次。傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)采收率為60%-70%，室內(nèi)收獲得益于先進(jìn)的技術(shù)手段，采收率可達(dá)95%左右，每年總產(chǎn)量約81 噸。

二、太陽(yáng)能光伏

1、太陽(yáng)能概述

中國(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富，全國(guó)有2/3 以上的地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)在2000 h 以上。太陽(yáng)能既是一次性能源，又是可再生能源，資源豐富，可免費(fèi)使用，無(wú)需運(yùn)輸，而且對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染。隨著工廠化、立體化模式發(fā)展，智能化和工業(yè)化種植所需能源，如風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能、生物質(zhì)能、潮汐能、化石能等，廣義上都來(lái)源于太陽(yáng)能；狹義的太陽(yáng)能則僅限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)能的直接轉(zhuǎn)換。

2、太陽(yáng)能的三大優(yōu)點(diǎn)

太陽(yáng)能是人類可以利用的最豐富的能源，可以說(shuō)“取之不盡，用之不絕”。

無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島及邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用價(jià)值。

太陽(yáng)能是一種清潔能源，在開(kāi)發(fā)和利用時(shí)不產(chǎn)生“三廢”，即廢氣、廢水、廢渣，沒(méi)有噪聲，更不會(huì)影響生態(tài)。

3、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的三個(gè)步驟

太陽(yáng)能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稱之為“光生載流子”。兩者的電極性相反，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。

電極性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN 結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離開(kāi)。

光生載流電子和空穴分別被太陽(yáng)能電池的正極、負(fù)極收集，并在外電路上產(chǎn)生電流，從而獲得電能。

4、光伏計(jì)算

（1）發(fā)電量

光伏系統(tǒng)單位功率每年輸出的能量通常按照下面的公式來(lái)計(jì)算：

Eout=Ht×P0×PR

Eout—單位功率光伏系統(tǒng)每年輸出的能量（kWh）；

Ht—全年峰值日照時(shí)數(shù)；

P0—光伏系統(tǒng)額定功率（kW）；

PR—系統(tǒng)綜合效率。

每生產(chǎn)1 千瓦多晶硅光伏系統(tǒng)消耗的電能是2525 kWh[1]。

以拉薩為例，緯度20.94°，最佳傾角30°，最佳傾角安裝時(shí)，每平方米每天的發(fā)電量約為5.8634 kWh/m2.d，能量?jī)斶€時(shí)間1.57 年；垂直安裝發(fā)電量為3.6935 kWh/m2.d，能量?jī)斶€時(shí)間2.5 年。

（2）CO2減排量

中國(guó)CO2排放指數(shù)EI 為0.814 kg/kWh，光伏減排CO2潛力按照下面的公式來(lái)計(jì)算：

PM=Ht×P0×PR×N×EI

N—壽命周期年數(shù)；

EI—CO2排放指數(shù)。

光伏減排CO2潛力修正為PM=(Ht×P0×PR-2525)×EI[1]

拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)的減排CO2潛力最大。按照方陣最佳傾角安裝和垂直安裝的光伏系統(tǒng)，在其壽命周期內(nèi)，每安裝1 kW光伏系統(tǒng)，可以分別減少CO2排放量37.15 噸和22.64 噸。垂直與最佳傾角安裝的光伏系統(tǒng)發(fā)電量之比為63%。

三、垂直軸風(fēng)力發(fā)電

1、垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成

垂直軸風(fēng)力發(fā)電采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，葉片選用了飛機(jī)翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)受到因變形而改變效率。有4-5 個(gè)垂直槳葉，由4 角形或5 角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成風(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，送往控制器進(jìn)行控制，輸配負(fù)載所用的電能。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)、控制器、逆變器、垂直漿葉組成。其特點(diǎn)顯著表現(xiàn)為：占地少、噪音低、使用壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)風(fēng)速?。u輪型僅2.5 m/s）、成本低、安裝方便。適用于高速公路、農(nóng)村、家庭住宅、公寓大廈、工廠、度假村、賓館、偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電人口改造、新農(nóng)村建設(shè)、小區(qū)新能源、游船、漁船、城市中心區(qū)域公共照明、通信機(jī)站。

2、垂直軸風(fēng)機(jī)與水平軸風(fēng)機(jī)

垂直軸風(fēng)機(jī)與水平軸風(fēng)機(jī)對(duì)比參數(shù)情況如表1 所示。

3、垂直軸主流規(guī)格技術(shù)參數(shù)

垂直軸風(fēng)機(jī)主流規(guī)格技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 垂直與水平軸風(fēng)機(jī)對(duì)照表

表2 垂直軸風(fēng)機(jī)主流規(guī)格技術(shù)參數(shù)

四、植物工廠與新能源的使用

1、植物工廠模塊化

典型的集裝箱式綠色立體種植規(guī)?？纱罂尚?，可利用廢棄的廠房、地下空間、人防設(shè)施，可以放置在高原、沙漠、海島、城市、農(nóng)田、公園、地鐵的任何地方。植物工廠能極大地提高單位土地的利用率，通過(guò)立體式排布可在1 m2的土地上實(shí)現(xiàn)與120 m2農(nóng)田相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，用水量卻僅為普通農(nóng)業(yè)的1%，并且完全無(wú)污染排放。高原新能源集裝箱式綠色立體種植系統(tǒng)配置有多個(gè)子系統(tǒng)：

（1）環(huán)境控制系統(tǒng)

以空調(diào)系統(tǒng)為主體，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)新風(fēng)、CO2、溫濕度。

（2）栽培系統(tǒng)

包括栽培架和栽培槽。栽培架可采用鋁型材、不銹鋼等材料，栽培槽可為塑料或PVC 材料。

（3）營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液配比系統(tǒng)。根據(jù)光配方影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素選擇性吸收的研究結(jié)果，提出一套營(yíng)養(yǎng)液精良自動(dòng)配比方案，開(kāi)發(fā)了可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)液元素如氮、磷、鉀、鎂、鈣、鐵、硼、錳、鋅、銅、鉬、硒等實(shí)現(xiàn)精量控制的營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)可控制無(wú)土栽培作物品質(zhì)，為功能性作物的生產(chǎn)提供可能。營(yíng)養(yǎng)液配比系統(tǒng)由微量進(jìn)入蠕動(dòng)泵、PLC 控制器、水泵等組成，實(shí)現(xiàn)精量控制植物工廠營(yíng)養(yǎng)液各元素組分的量及其比例。

營(yíng)養(yǎng)液供給系統(tǒng)：由循環(huán)水泵、電磁閥、管道等組成，按要求實(shí)現(xiàn)植物淺液流栽培的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)設(shè)定。

（4）升降式營(yíng)養(yǎng)液栽培槽

水培槽采用活動(dòng)框式的栽培層升降設(shè)計(jì)，既保證了栽培介質(zhì)中均勻、充足的水分或營(yíng)養(yǎng)液，也保證了根部對(duì)氧氣的需求及根伸長(zhǎng)所需的空間。此裝置可應(yīng)用于育苗，避免了育苗期頻繁的人工噴灑，提高了育苗效率及質(zhì)量；也可應(yīng)用于成苗定植，種植層高度可根據(jù)植株長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但成本相對(duì)較高。

（5）光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)的組成有以下幾種：

平板式光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期不可調(diào)式LED 燈。

光質(zhì)、光強(qiáng)、交替周期可手動(dòng)/智能控制的LED 燈板，根據(jù)需求制定。

實(shí)驗(yàn)中的智能可變LED 光源系統(tǒng)。該LED 光源以DMX512協(xié)議為基礎(chǔ)，應(yīng)用PLC 控制不同植物各生育階段的需光特性，通過(guò)PC 終端設(shè)定LED 燈板，實(shí)現(xiàn)光源光質(zhì)在可見(jiàn)光、紅外光、紫外光的變換，以及發(fā)光強(qiáng)度在0-300 μmol/m2·s（由燈板電功率決定）范圍的自動(dòng)調(diào)節(jié)。該LED 燈可運(yùn)用于規(guī)模化的生產(chǎn)型植物工廠中，充分發(fā)揮各種光質(zhì)在植物不同生育階段的作用。

智能LED 燈板。新型智能LED 燈板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。運(yùn)用單色光調(diào)光器和微電腦時(shí)控開(kāi)關(guān)結(jié)合進(jìn)行光配方設(shè)置，可設(shè)定單色光質(zhì)在一個(gè)光配方中的光強(qiáng)度以及開(kāi)閉頻率，實(shí)現(xiàn)單色光質(zhì)PPF 值（光合有效輻射單位）的連續(xù)變化，及最大頻率為0.5次/min 的混合光質(zhì)交替設(shè)置。同時(shí)，內(nèi)置電力監(jiān)測(cè)儀，為電能利用率的核算提供了更好的便捷性和準(zhǔn)確度。

（6）總控系統(tǒng)

總控系統(tǒng)使用人機(jī)交互觸摸屏作為上位機(jī)，采用用戶自設(shè)定方式。根據(jù)人工設(shè)定的參數(shù)、既定策略，達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液的分層循環(huán)，定時(shí)更新，自動(dòng)控制作物光照時(shí)長(zhǎng)?？偪叵到y(tǒng)由營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)子系統(tǒng)和LED 燈光控制子系統(tǒng)構(gòu)成。各子系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立，并共享同一上位機(jī)，通過(guò)畫面調(diào)用接口實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)子系統(tǒng)的工況。

控制參數(shù)可設(shè)置營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)參數(shù)和LED 燈板控制參數(shù)。手動(dòng)模式下可以通過(guò)屏幕按鈕自由操作各個(gè)開(kāi)關(guān)，包括電磁閥、水泵和LED 燈；自動(dòng)模式下，利用用戶自設(shè)定方式，將控制參數(shù)嵌入到既定的控制決策中，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制指令時(shí)，控制器開(kāi)關(guān)量輸出端口閉合，中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)得電吸合，驅(qū)動(dòng)電磁閥控制執(zhí)行器的開(kāi)關(guān)，同時(shí)按需求完成營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)和作物光照時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)控制。

（7）監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況、系統(tǒng)時(shí)間和畫面調(diào)用接口；視頻監(jiān)控植物生長(zhǎng)狀況，通過(guò)智能AI 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的精細(xì)化生長(zhǎng)控制。提供調(diào)用接口可擴(kuò)展視頻溯源，流媒體直播推廣。

（8）光伏植物工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)

電能是常見(jiàn)植物工廠系統(tǒng)中唯一的動(dòng)力能源，耗電量大是限制植物工廠發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一。研究表明，光源是人工光型植物工廠的主要耗能設(shè)備，占整個(gè)植物工廠耗能的60%以上。因此，從降低植物工廠運(yùn)行成本的角度出發(fā)，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與植物工廠相結(jié)合，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能后為植物工廠的運(yùn)行提供能源。

2、新能源與植物工廠的組合方式

（1）離網(wǎng)型

用電負(fù)載遠(yuǎn)離電網(wǎng)時(shí)，使用太陽(yáng)板的電能，通過(guò)控逆一體機(jī)，在儲(chǔ)存電能到蓄電池內(nèi)的同時(shí)，將直流電逆變成負(fù)載所需的交流電能。該模式由太陽(yáng)能電池組件、控逆一體機(jī)、蓄電池組等組成。種植的集裝箱整體負(fù)荷約為10 kW，8 h 為滿負(fù)荷，其他時(shí)間為滿負(fù)荷的1/3—1/4 耗能，最大為133 kWh。

太陽(yáng)能電池板一天至少需要發(fā)的電量為133/0.8=166 kWh才能達(dá)到平衡。根據(jù)能量守恒定律，鉛酸蓄電池放電深度為電池滿容量時(shí)的80%，另外由于在蓄電池充電的后期對(duì)電池的充電處于浮充狀態(tài)，所以應(yīng)留有10%的電池余量以更好的利用太陽(yáng)能電池發(fā)出來(lái)的電，所以：

C=Q2×d/(U×δ)

式中C 為電池容量，單位為A.H；U 為系統(tǒng)電壓，單位為V；δ 電池可放電量，一般可取70%-80%；d 為后備天數(shù)。電池的可放電系數(shù)取0.8，單體電壓取12 V。

C=166000/（12×0.76）=18201A.H。取總?cè)萘繛?8000 A.H。單體200 A.H/12 V，90 個(gè)，10 串9 并組成120V 電池組。

以拉薩地區(qū)為例，峰值日照時(shí)數(shù)5.53 h，要求電池用完后在晴天情況下10 天內(nèi)電池容量處于90%以上的狀態(tài)。則每天電池板用于充電池的余量為Q3=133000/10 ≈13300 W·H。電池板每天要發(fā)的電為Q3+Q2=13300+166000=179300 W·H，所以電池板使用JKM370M-72，功率P3=179300/5.53=32423.15 W，5 片1 串18 并，取90 片。

控制器選擇。由于太陽(yáng)能系統(tǒng)已選定為120 V 系統(tǒng)，考慮雪域高原平均海拔4000 m 以上，則最大發(fā)電電流Imax=90×370/120×1.29 ≈358 A，所以選用額定功率為200 A/120 V 的太陽(yáng)能控制器2 臺(tái)。

逆變器選擇?？傌?fù)載的功率為10 kW，逆變器出力系數(shù)取0.75，計(jì)算功率為13 kW，高原降容后功率為13.33×1.29=17.2 kW，所以選用20 kW/120 V 純正弦波輸出逆變器。

該模式構(gòu)成中因蓄電池和電池組件成本較高，無(wú)相應(yīng)政策支持時(shí)一般不采用。

（2）掛網(wǎng)型

綠色種植工廠可接入電網(wǎng)，但當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電能質(zhì)量較差，可光伏0.4 kV 掛網(wǎng)，不帶儲(chǔ)能，不能脫網(wǎng)，自發(fā)自用，用電維持負(fù)荷大小足以消納光伏發(fā)出的電力，其組成僅為：光伏組串、并網(wǎng)逆變器、配電雙向計(jì)量裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控（可選），無(wú)蓄電池相關(guān)費(fèi)用。

系統(tǒng)效率0.81，單個(gè)集裝箱光伏為2 個(gè)組串，采用32 塊（16串2 并）370 W 組件，其出力為32×370×0.81=9.59 kW，配置10 kW 并網(wǎng)逆變器。水平安裝峰值日照時(shí)數(shù)5.53 h，日發(fā)電53 kWh；最佳傾角30°安裝時(shí)日照時(shí)數(shù)5.8634 h，日發(fā)電56 kWh。10 kW 負(fù)荷，8 h 所需電能為80 kWh，掛網(wǎng)型配置的日發(fā)電量為滿負(fù)荷時(shí)間內(nèi)的70%（56/80），即集裝箱滿負(fù)荷工作時(shí)可以全部消納；在陰雨天或夜晚，太陽(yáng)電池組件沒(méi)有產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)自動(dòng)切換至電網(wǎng)供電，下網(wǎng)電能需與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)算，因此需辦理當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)手續(xù)[2]。

結(jié)合拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)從CO2減排結(jié)論，安裝11.84 kW的光伏系統(tǒng)，在其壽命期（25 年）內(nèi)將減少CO2排放量37.15×11.84=440 噸。

（3）分布式太陽(yáng)能+風(fēng)能互補(bǔ)

分布式太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)由垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)組成。主設(shè)備包括垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，配套供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。在夜間和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)，由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換輸出電能；有太陽(yáng)輻射時(shí)由光伏系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換輸出電能；既有風(fēng)又有太陽(yáng)的情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用轉(zhuǎn)換輸出電能，經(jīng)匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給負(fù)載。多余上網(wǎng)、不足下網(wǎng)，自動(dòng)無(wú)縫、無(wú)斷點(diǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全天候的發(fā)電、供電功能，比單用風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能更經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。可在農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)及大、中、小城市、商業(yè)區(qū)附近建設(shè)，解決當(dāng)?shù)赜秒娦枨?，減小環(huán)保壓力。

拉薩年平均風(fēng)力為(3.0+2.3+2.1+2.5)/4=2.475 m/s，年日照時(shí)數(shù)2140 h，適宜采用分布式風(fēng)光互補(bǔ)模式為種植集裝箱提供能量。選擇風(fēng)機(jī)容量應(yīng)是負(fù)載需求量的2-3 倍。

不同地點(diǎn)和不同高度的風(fēng)速計(jì)算。風(fēng)速隨高度變化，受地面平坦度以及風(fēng)通道上的氣溫變化，風(fēng)速計(jì)算通常采用指數(shù)公式：

式中v—距離地面高度h 處的風(fēng)速（m/s）；

v1—高度為h1 處的風(fēng)速（m/s）；

α—風(fēng)切變指數(shù)，取值1/2—1/8。

風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算采取以下公式：

風(fēng)力日發(fā)電量E=E1+E2(Vm ≤Vi/v)

E1=ΣPNhi(vi/VH)(Vi ≤vm/vh)

E2=PNΣhi(vi ≤vH/v)

E—當(dāng)月發(fā)電量（kWh）；

E1，E2—風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速段的發(fā)電量（kWh）；

v—當(dāng)時(shí)風(fēng)速（m/s）；

Vm—風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速（m/s）；

vi—風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速（m/s）；

PN—風(fēng)機(jī)額定功率；

hi—該月中與vi 相對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)。

集裝箱日耗電能最大為133 kWh，如按前述光伏滿足10 kW 負(fù)荷8 h/天工作所需電能為80 kWh，那么組件數(shù)量n=10×102Wp/(370 Wp×0.81)=33.36 片。取34 片，日發(fā)電=34×370×8×0.81/1000=81.52 kWh，余133-81.52=51.48 kWh，即負(fù)荷為51.48 kWh/16 h=3.2175 kW。風(fēng)力容量=3.2175 kW× 2.5/0.98=8.21 kW，風(fēng)機(jī)降容處理1.29×8.21=10.59，取整需5 KW 風(fēng)機(jī)2 臺(tái)。

五、結(jié)論

未來(lái)將以獨(dú)立微網(wǎng)的風(fēng)光可再生清潔能源，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化植物工廠生產(chǎn)清潔農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久循環(huán)的綠色生態(tài)種植。密閉工廠化農(nóng)場(chǎng)無(wú)需擔(dān)心環(huán)境氣候變化，在栽培艙里可以避免外界干擾，輕松實(shí)現(xiàn)“風(fēng)調(diào)雨順”。未來(lái)幾乎可以在任何地方種植蔬菜水果，包括沙漠、酷熱的東南亞地區(qū)、海島、施工工地、極地等環(huán)境惡劣的地區(qū)。立體種植可以避免農(nóng)產(chǎn)品的長(zhǎng)途運(yùn)輸問(wèn)題，而且產(chǎn)量高，是常規(guī)理想環(huán)境田間種植的6-14 倍，而且具備標(biāo)準(zhǔn)模塊化、新能源供電、規(guī)模化擴(kuò)展、自動(dòng)化運(yùn)行的特點(diǎn)。植物工廠可栽培的作物目前有180 多種，基本滿足日常果蔬所需。因?yàn)槌浞掷昧Ⅲw空間降低土地成本，亦可將其稱為低碳足跡系統(tǒng)。對(duì)于種植系統(tǒng)的能源需求可通過(guò)對(duì)應(yīng)光譜的耐用LED、智能控制、光伏+風(fēng)能系統(tǒng)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)。我們追尋的方向是在自然家園中打造可以循環(huán)持續(xù)產(chǎn)出的潔凈果蔬，以工業(yè)化技術(shù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。