新型光伏農(nóng)牧場設(shè)計

潘 慧，徐亞鉑，陳雪峰，潘文海

(1.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.平頂山市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 平頂山 467036；3.河南大學(xué)，河南 開封 475004；4.商丘市柳河實(shí)驗(yàn)小學(xué)，河南 商丘 476711)

1 引言

太陽能是一種清潔能源，加大對太陽能資源的利用也成為了世界發(fā)展的主流目標(biāo)。近年來，國際上對光伏與農(nóng)牧業(yè)的結(jié)合模式相繼開展了深入研究，既促使了國內(nèi)外相關(guān)研究人員對“光伏+”經(jīng)濟(jì)模式的重新定位與思考，也在一定程度上推動了社會的可持續(xù)發(fā)展。由于傳統(tǒng)的農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)殖模式太過單一，環(huán)境污染較為嚴(yán)重，資源得不到充分利用，可將光伏與農(nóng)業(yè)、牧業(yè)進(jìn)行全方位協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌“光-住-農(nóng)-牧”之間的關(guān)系，為中小型農(nóng)牧場設(shè)計出“光伏+農(nóng)業(yè)+現(xiàn)代牧業(yè)”可循環(huán)的綠色生態(tài)系統(tǒng)。這將有助于實(shí)現(xiàn)緩解能源緊缺、促進(jìn)資源高效利用，進(jìn)行環(huán)境保護(hù)和營造良好生態(tài)氛圍的目的。

2 光伏農(nóng)牧場的規(guī)劃

在中小型農(nóng)牧場中融入分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電裝置，為農(nóng)牧場提供日常生活、生產(chǎn)所必要的電力。多余電能可輸送至電網(wǎng)，不足的電能也可直接從電網(wǎng)獲??；光伏可與畜牧業(yè)中的沼氣相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)光-沼互補(bǔ)發(fā)電；協(xié)調(diào)農(nóng)牧場中農(nóng)業(yè)、牧業(yè)兩者之間的生產(chǎn)關(guān)系，使資源得以循環(huán)利用；完善農(nóng)牧場內(nèi)部協(xié)調(diào)機(jī)制，促進(jìn)資源充分利用和生態(tài)保護(hù)。

3 農(nóng)牧場發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)用電量分析

因?yàn)橹行⌒娃r(nóng)牧場是含農(nóng)牧戶住房、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)的統(tǒng)一體，光伏發(fā)電在農(nóng)牧業(yè)中應(yīng)用時，既要保證農(nóng)牧戶基本日常生活用電情況，也要保障畜牧區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)負(fù)載的用電情況，所以應(yīng)綜合考慮各方面負(fù)載使用。通過表1各區(qū)負(fù)載用電量匯總可得，整個農(nóng)牧場負(fù)載總功率8030W，每日總耗電量19270 W·h，這就為接下來的系統(tǒng)容量設(shè)計提供了理論依據(jù)。

表1 負(fù)載用電量匯總

3.2 系統(tǒng)容量的配置

3.2.1 光伏組件的選型

產(chǎn)品型號：PVM-300，電池片：72pcs，6×12 nn；峰值功率：300 W，尺寸：1956 mm×992 mm×50 mm；峰值電壓：36 V，峰值電流：8.33 A；開路電壓：43.2V，短路電流：9.2A。

3.2.2 容量設(shè)計

電池組件串并聯(lián)的數(shù)量可根據(jù)負(fù)載需求量計算，由下列公式可計算出電池組件的并聯(lián)數(shù)、電池組件的串聯(lián)數(shù)、電池組件總功率，以滿足系統(tǒng)的需求[1]。

電池組件的并聯(lián)數(shù)=

農(nóng)牧場內(nèi)負(fù)載日均用電量為19270(Wh)，換算可得負(fù)載日均用電量為88(Ah)；組件日平均發(fā)電量由組件參數(shù)數(shù)據(jù)可得為8.33A；由氣象條件分析可得當(dāng)?shù)胤逯等照諘r數(shù)為4.28h；電池組件效率：包含電路損失、光照衰減、組件表面潔凈程度等因素，一般取0.9；交流逆變器轉(zhuǎn)換效率，一般取0.85。

系數(shù)1.43通常是指光伏電池組件的最大工作電壓與系統(tǒng)運(yùn)行電壓的比值。

電池方陣的總功率 = 組件并聯(lián)數(shù)×組件串聯(lián)數(shù)×選定組件的峰值輸出功率 = 4×9×300 = 10800W。

由此可知此發(fā)電系統(tǒng)需要9塊太陽能電池板進(jìn)行串聯(lián)，4組太陽能電池板進(jìn)行并聯(lián)，共需36塊電池板。因?yàn)樘柲茈姵匕逶诠ぷ鲿r，除自身之外其他外界因素也會對發(fā)電量產(chǎn)生一定的影響，因此其實(shí)際總功率會稍有損耗。

3.3 光伏系統(tǒng)優(yōu)勢

充分利用畜牧舍頂棚空間資源，節(jié)省了占地面積和頂棚材料的費(fèi)用。并網(wǎng)發(fā)電節(jié)省了蓄電池的儲能環(huán)節(jié)，有效降低了更換蓄電池的昂貴成本。采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、不足補(bǔ)充”的發(fā)電模式，緩解了電網(wǎng)傳輸和分配的壓力。該發(fā)電系統(tǒng)能提供10 kW左右的電量，用于保證農(nóng)牧場內(nèi)住戶日常基本生活、養(yǎng)殖區(qū)和種植區(qū)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。光伏發(fā)電還可與下述畜牧業(yè)(沼氣)建立相關(guān)聯(lián)系，促進(jìn)牧業(yè)的發(fā)展。

4 光伏與牧業(yè)的結(jié)合

4.1 光-沼結(jié)合分析

在光伏與牧業(yè)相結(jié)合的過程中，光伏發(fā)電除了保證畜牧區(qū)負(fù)載的用電，如照明、水泵等設(shè)施外，還可與牧業(yè)中產(chǎn)生的沼氣相聯(lián)系。光-沼互補(bǔ)一體化智能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電模塊和沼氣發(fā)電模塊等組成，它可以根據(jù)功能需要完成光伏發(fā)電和沼氣發(fā)電兩路供電的自動切換[2]，為我們提供了一種新的發(fā)電思路。

4.2 光-沼互補(bǔ)發(fā)電優(yōu)勢

在光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上，結(jié)合沼氣發(fā)電技術(shù)，共同為基區(qū)負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電和沼氣發(fā)電兩個供電系統(tǒng)，形成了一種新型的光沼互補(bǔ)發(fā)電模式。

白天主要以光伏發(fā)電為主，沼氣發(fā)電為輔[3]；當(dāng)太陽板發(fā)電不足，在陰雨天或者夜晚的時候，則以沼氣發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔；有效保證了晝夜發(fā)電。

5 農(nóng)業(yè)與牧業(yè)的結(jié)合

5.1 農(nóng)牧業(yè)協(xié)調(diào)分析

在畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生大量的廢污，這些廢污會造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。如果協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)、牧業(yè)兩者之間的生產(chǎn)關(guān)系，讓廢污經(jīng)過一定的發(fā)酵處理并重新轉(zhuǎn)化為成三沼(沼氣、沼渣、沼液)，可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)利用和資源循環(huán)。這種措施延長了產(chǎn)業(yè)鏈，既發(fā)展了畜牧業(yè)，又較好的培育了土地種植，減少了能量損失[4]。

5.2 農(nóng)牧業(yè)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

沼氣發(fā)酵裝置是連接農(nóng)牧業(yè)中養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的橋梁(圖1)。可以裝置一套排污系統(tǒng)，每天定時將這些畜類糞污引入到沼氣池中，經(jīng)沼氣池發(fā)酵后轉(zhuǎn)變?yōu)槿印＠萌咏o農(nóng)作物、大棚蔬菜及牧草提供有機(jī)肥，然后牧草可作為飼料用于養(yǎng)殖，農(nóng)作物秸稈又可為沼氣發(fā)酵提供原料。如此反復(fù)運(yùn)行便可使農(nóng)牧業(yè)間資源得到循環(huán)利用。此種循環(huán)模式可歸結(jié)為“草-畜-加工-沼-種”[5]。

圖1 農(nóng)牧業(yè)循環(huán)結(jié)構(gòu)

6 光-住-農(nóng)-牧的整體優(yōu)化

經(jīng)過前期兩兩組合，現(xiàn)將光伏與牧業(yè)結(jié)合模塊、牧業(yè)與農(nóng)業(yè)結(jié)合模塊整合在一起，并完善農(nóng)牧場內(nèi)部協(xié)調(diào)機(jī)制，便可規(guī)劃出以光-住-農(nóng)-牧為主導(dǎo)的現(xiàn)代新型化農(nóng)牧場(圖2)。

由此便可以很好地將光能、農(nóng)牧戶、牧業(yè)和農(nóng)業(yè)結(jié)合起來，打造出“光-住-農(nóng)-牧”四位一體的循環(huán)農(nóng)牧場系統(tǒng)。這種生態(tài)模式不僅有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，而且農(nóng)牧場內(nèi)的光伏發(fā)電、飼養(yǎng)的畜類和種植的農(nóng)作物、蔬菜等可以在滿足農(nóng)牧戶自身需求的同時輸送至市場，從而為農(nóng)場主增加一定的效益。

圖2 光-住-農(nóng)-牧的整體優(yōu)化

7 社會應(yīng)用

“光伏+農(nóng)業(yè)+現(xiàn)代牧業(yè)”生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)的設(shè)計對社會的發(fā)展有著巨大的應(yīng)用價值和推廣前景，如下。

7.1 大型養(yǎng)殖企業(yè)建設(shè)

企業(yè)以生產(chǎn)效率和利潤為基準(zhǔn)，現(xiàn)有大型企業(yè)主要集中在畜牧業(yè)或農(nóng)業(yè)的單一發(fā)展管理上，這樣會使他們的收益大打折扣。如果在大型企業(yè)的基礎(chǔ)上建立大型光伏電站、擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模、輔助農(nóng)業(yè)大棚，循環(huán)利用資源，就可利用三者共同達(dá)到較高的收益。

7.2 邊遠(yuǎn)山區(qū)的開發(fā)

西部地區(qū)地理位置優(yōu)越，但產(chǎn)業(yè)和設(shè)備相對落后，如果在西部地區(qū)開發(fā)此種生態(tài)模式，不僅可以解決他們的用電問題，也可以因地制宜并發(fā)展屬于他們的特色產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)西部地區(qū)的發(fā)展。

7.3 農(nóng)村扶貧

農(nóng)村農(nóng)牧業(yè)資源豐富，也可以根據(jù)空間適當(dāng)縮小模式。以農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖為能源的原材料基地，將豐富的沼氣資源與光、電、熱結(jié)合在一起，按照“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、自給自足、面向市場”的模式構(gòu)建新型農(nóng)村扶貧的應(yīng)用示范點(diǎn)。這樣既增加了農(nóng)民的收益，也美化了鄉(xiāng)村，是解決農(nóng)村貧困的較好項目之一。

此種“光伏+農(nóng)業(yè)+現(xiàn)代牧業(yè)”的模式有著很大的優(yōu)勢，有效地為農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展提供了一種新的經(jīng)營理念。我相信隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步和人們思維的開闊，此種生態(tài)模式將會變得深受人們歡迎。