電能與太陽能互補(bǔ)的溫室大棚智能供暖系統(tǒng)設(shè)計

萬 婭，張立輝

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118)

0 引言

近年來，我國東北地區(qū)越冬農(nóng)作物和反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)幾乎全部依靠溫室大棚，而冬季溫室大棚的供暖對電、煤等資源需求較多。隨著自動化技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅猛以及國家倡導(dǎo)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)和近期“煤改電”取暖的政策要求，溫室大棚對節(jié)能經(jīng)濟(jì)、清潔智慧供暖方式的需求大大增加。因而，電能與太陽能互補(bǔ)的溫室大棚智能供暖系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)運而生。

1 電能與太陽能結(jié)合的優(yōu)勢

我國北方冬季溫室大棚傳統(tǒng)供暖方式多為集中供暖，雖然電供暖有著靈活、方便等傳統(tǒng)供暖無法替代的優(yōu)勢，但是電供暖因其能耗大、成本高等缺點，阻礙了電供暖的發(fā)展和普及；同時豐富的清潔能源太陽能供暖[1-2]因天氣等各種因素導(dǎo)致太陽能光伏發(fā)電不足，無法保證正常供暖。而太陽能光伏發(fā)電供暖與傳統(tǒng)電供暖相結(jié)合，具有無污染、低成本以及可再生等優(yōu)勢，極大地提高了溫室大棚供暖的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和便利性，是一種相當(dāng)可觀的節(jié)能措施。因此，電能與太陽能的結(jié)合成為溫室大棚中智能供暖的發(fā)展趨勢。

2 溫室大棚并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

溫室大棚并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池組件、控制器、并網(wǎng)逆變器和負(fù)載組成[3]?？紤]到本系統(tǒng)發(fā)電量不大、經(jīng)濟(jì)成本等方面的原因[4]，經(jīng)綜合分析，在設(shè)置上采用不含蓄電池組，無儲能系統(tǒng)(也就是說即發(fā)即用，就地使用)，并網(wǎng)而不上網(wǎng)。因該系統(tǒng)可以并行使用市電和太陽能光伏發(fā)電作為溫室大棚供暖負(fù)荷的供電電源，負(fù)載缺電率大大降低。

2.1 供暖系統(tǒng)的總體方案

2.1.1 供暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

電能與太陽能溫室大棚供暖系統(tǒng)示意圖如圖1所示[5]。該系統(tǒng)供暖供電電源是由太陽能電池板產(chǎn)出的電能和市電相結(jié)合的混合能源。因二極管具有單向?qū)щ娦訹6]，市電經(jīng)整流輸出直流電，與太陽能電池板產(chǎn)生的直流電在2個二極管輸出端匯合后，競爭輸入逆變器直流母線。電壓誰高誰準(zhǔn)入，經(jīng)逆變后再通過配電箱為空氣壓縮機(jī)和泵供電[7]?？諝鈮嚎s機(jī)使吸熱介質(zhì)冷媒循環(huán)流動，冷媒在蒸發(fā)器時吸收空氣中的低品位熱能，而在冷凝器時釋放熱能將水加熱。熱水存在蓄熱水箱并通過供水泵強(qiáng)制循環(huán)到供暖熱水管道。

圖1 溫室大棚供暖系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)將太陽能電池板發(fā)電能力最弱時經(jīng)直流升壓得到的電壓作為基準(zhǔn)值，且市電通過變壓器、整流濾波電路后輸出的直流電與基準(zhǔn)值相等。當(dāng)太陽能電池發(fā)出的直流電經(jīng)升壓輸出的電壓高于基準(zhǔn)值時，就優(yōu)先通過逆變器變換為交流電給系統(tǒng)負(fù)荷供電；反之，光伏電池停止輸出，由市電經(jīng)整流逆變后為負(fù)荷提供電源。

因為冬季的時候溫室大棚失熱量較大，所以為了大棚里的空氣與土壤的溫度均能滿足作物生長的最佳條件，其供暖采用并聯(lián)按需加熱方式。供暖系統(tǒng)包括混合電源部分、供熱鍋爐房、冷熱水管道和N棟溫室大棚等。溫室大棚內(nèi)部主要由各種儀表、控制閥、散熱裝置等設(shè)備構(gòu)成?？諝夤┡秋L(fēng)扇將超導(dǎo)暖氣片中熱水的熱氣吹到棚內(nèi)空氣中，從而使棚內(nèi)空氣受熱均勻，避免局部空間過熱或過冷的問題。較空氣的供暖方式，土壤加熱有所不同，其取暖來源于安裝在地底的散熱細(xì)管中熱水傳遞出來的熱量[8]。由此可見，2種供暖方式的結(jié)合大大提高了溫室大棚的供暖可靠性。

當(dāng)管道中的水溫降低到設(shè)定值時，要打開管道上進(jìn)水和出水的控制閥，使供熱鍋爐房的熱水流到管道，并能排出管道中的冷水，從而讓冷水回流到供熱鍋爐房繼續(xù)加熱循環(huán)利用。

2.1.2 智能供暖系統(tǒng)的控制方案

傳統(tǒng)溫室供暖存在許多缺陷與不足，為了改善和提高溫室供暖技術(shù)，將先進(jìn)技術(shù)利用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。針對以上系統(tǒng)所需，該系統(tǒng)的整體方案設(shè)計[9]主要由4大部分組成，分別是電能與太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計、供暖控制系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)、供暖控制子控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制平臺設(shè)計。

針對溫室所需求的供暖面積，本設(shè)計將溫室分為N個溫室大棚，分別設(shè)定通信標(biāo)號為1#溫室大棚、2#溫室大棚等N#溫室大棚，毎個溫室大棚相當(dāng)于一個子控制系統(tǒng)，都有溫、濕度環(huán)境信息采集和供暖控制系統(tǒng)，并且每個供暖溫室大棚都可通過ZigBee通信協(xié)議建立的無線局域網(wǎng)絡(luò)與主控系統(tǒng)互相通信，主控系統(tǒng)微處理器通過串口與GPRS模塊實行通信，然后GPRS模塊以Internet網(wǎng)絡(luò)與電腦或者手機(jī)通信。溫室大棚供暖自動控制整體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 溫室供暖控制系統(tǒng)方案

2.2 智能供暖控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由市電與太陽能混合能源供電[10]電路及電源穩(wěn)壓電路、主控制系統(tǒng)模塊接口電路和子控制系統(tǒng)模塊接口電路及外圍傳感設(shè)備接口電路組成。主控系統(tǒng)主要有GPRS模塊、單片機(jī)模塊、水泵及繼電器，并且其消耗的功率較大。該設(shè)計將N個溫室大棚作為子控制系統(tǒng)，主要有單片機(jī)模塊以及溫、濕度傳感器和脈沖電磁閥控制設(shè)備。溫室大棚供暖系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，各部分控制硬件電路及實現(xiàn)的功能具體介紹如下。

1)電源電路功能。采取市電與太陽能相結(jié)合的供電方式，其核心硬件電路是光伏電池板MPPT(最大功率點跟蹤)調(diào)節(jié)的電路。MPPT的控制電路主要包括光伏電池、電流傳感器、變壓器、單片機(jī)以及控制器。通過單片機(jī)釆取一定的控制算法憑借自動控制使光伏電池輸出最大功率，而不被環(huán)境因素(溫度和光照強(qiáng)度)的變化所影響。

2)主控制電路板功能。通過ZigBee無線通信技術(shù)，接收從電路板采集的實時溫、濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析作出判斷，輸出執(zhí)行命令，將壓縮和組包的所有溫、濕度值，通過主控系統(tǒng)的GPRS模塊通過Internet連接服務(wù)器，上傳采集數(shù)據(jù)結(jié)果。

(3)子控制電路板功能。通過溫、濕度傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)值進(jìn)行超限比較，執(zhí)行相應(yīng)的指令，控制脈沖電磁閥開關(guān)，同時還將溫、濕度值處理組包，通過ZigBee路由節(jié)點無線通信上傳給主控系統(tǒng)模塊。

2.2.2 軟件設(shè)計

此系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計過程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)上電，先是各個泵、閥的初始化，設(shè)定溫度值的讀取，然后采樣子程序、顯示子程序的調(diào)用，判斷是否需要供熱，最后子程序中斷，設(shè)定值子程序的保存，如此循環(huán)。而供熱與否是通過環(huán)境溫度傳感器采集的棚內(nèi)溫度和設(shè)定的供熱溫度比較判斷的(棚內(nèi)環(huán)境溫度大于設(shè)定值)[11]，若需要供熱，判斷是否控制壓縮機(jī)的啟停；反之，判斷是否儲熱。最終通過對系統(tǒng)泵、閥、儀表等設(shè)備的控制從而實現(xiàn)溫室大棚的智能供暖。同時，系統(tǒng)控制單元存儲的運行數(shù)據(jù)可以利用上位機(jī)通過USB接口導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫[12]，方便統(tǒng)計分析與日后維護(hù)。

圖4 智能供暖主程序流程圖

3 結(jié)語

為了降低溫室大棚供暖能源成本并實行清潔智慧供熱，滿足棚內(nèi)作物在最佳的空氣溫度和土壤溫度中生長，提出了供暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方案以及市電與光伏發(fā)電混合能源供電系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上以單片機(jī)為核心，通過軟硬件設(shè)計了智能供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)不僅可以解決傳統(tǒng)溫室大棚供暖面臨的種種問題和不足，還促進(jìn)了溫室大棚供暖走向生態(tài)環(huán)保、低碳節(jié)能、智能精準(zhǔn)的發(fā)展道路，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，溫室大棚電能與太陽能智能供暖控制系統(tǒng)的設(shè)計具有實際的價值和意義。