太陽能光伏智慧技術(shù)在蔬菜大棚中的應(yīng)用

●王立平（山東省萊西市水集街道辦事處 山東 萊西 266600）

太陽每秒投射到地球的能量相當(dāng)于59億千克煤燃燒的總能量，我國陸地表面接受的太陽能總量每年可達(dá)到50×1018kJ，相當(dāng)于上萬個(gè)三峽大壩的發(fā)電總量，應(yīng)用潛力非常巨大。將太陽能光伏智慧技術(shù)應(yīng)用于大棚蔬菜種植，利用光伏設(shè)備引入水肥一體化等智能控制設(shè)備，在節(jié)約能耗的同時(shí)，提供照明、灌溉、取暖等能源，控制蔬菜的生長條件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[1]。

1 光伏大棚種類的選擇

1.1 薄膜式大棚

在蔬菜大棚上鋪滿半透光的薄膜光伏組件，僅能投射蔬菜生長所需要的光照，剩余光照用于發(fā)電。能夠?qū)M(jìn)入大棚的太陽光進(jìn)行選擇，使光譜與蔬菜的生長光譜相適應(yīng)，既可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，又可兼顧蔬菜生長，一般作為首選方案，這是因?yàn)樽匀还庵袑?duì)植物生長有影響作用的光只有約10%，即660 nm的紅光和450 nm的藍(lán)光，與葉綠體的吸收波長相吻合[2]。藍(lán)光透過膜后波長范圍與葉綠素吸收光譜一致，遠(yuǎn)紅光截止膜透過波長小于720 mm，以上作為大棚薄膜的選擇依據(jù)。

1.2 光伏房大棚

一般采用光伏頂?shù)乃闹芡该鞑Ａш柟夥浚卟舜笈飪?nèi)會(huì)出現(xiàn)隨著陽光照射屋頂角度不同不斷變化的陰影，蔬菜吸收的光照也就不同。光伏房大棚也可以通過調(diào)整遮光面積來適應(yīng)不同的作物栽培，如全遮光型溫室適用于食用菌栽培。蔬菜大棚內(nèi)的太陽光具有南北梯度變化的特點(diǎn)，為解決這一問題，可以對(duì)屋頂?shù)恼诠獍暹M(jìn)行 調(diào)節(jié)。

1.3 疊加式大棚

因受到成本的制約，一般種植戶都不愿意引入光伏設(shè)備，這時(shí)疊加式簡易大棚的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢就彰顯出來了。疊加式大棚是在棚頂架設(shè)光伏組件，其結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低。缺點(diǎn)是與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接的能力較差。

2 跨季節(jié)蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用儲(chǔ)熱技術(shù)

在水資源豐富的地區(qū)可采用水蓄熱方式，條件允許的話可采用埋管蓄熱方式。此外還可以采用水-礫石蓄熱和含水層蓄熱方式。由于成本低，蓄熱性好，一般采用水蓄熱方式，利用太陽能和地?zé)崮芑パa(bǔ)，提高太陽能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在大棚地下埋入隔熱保溫板，連接地下儲(chǔ)水箱、散熱器和地埋管散熱器，埋深0.5 m左右，與集熱器系統(tǒng)相連接。集熱器面積與水箱有效容積比例為1∶4，與散熱器、散熱管的面積比例為20∶15∶18。系統(tǒng)的貯熱運(yùn)行為自動(dòng)控制，當(dāng)測溫點(diǎn)溫度達(dá)到預(yù)定值，則系統(tǒng)切換到儲(chǔ)能裝置。

2.2 應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)

2021年國家儲(chǔ)能戰(zhàn)略的提出，為大棚儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)提供了良好的契機(jī)。大棚光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可以村為單位，安裝儲(chǔ)能逆變器和各類儲(chǔ)能設(shè)備，多余電能并入本地電網(wǎng)，以滿足跨季節(jié)電能使用需求。

2.3 聯(lián)合熱泵的方式

聯(lián)合熱泵的方式，即構(gòu)建太陽能聯(lián)合熱泵供暖系統(tǒng)。利用55℃的水循環(huán)管道供暖，采用自動(dòng)控制方式，當(dāng)水溫低于50℃時(shí)，啟動(dòng)熱泵加熱到55℃，在冬季輻射不足時(shí)，熱泵自動(dòng)加溫。熱泵系統(tǒng)距離地面1.3 m時(shí)效果最佳。

3 光伏灌溉技術(shù)的應(yīng)用

3.1 光伏滴灌技術(shù)

采用控制逆變器連接光伏直流水泵，全自動(dòng)控制，系統(tǒng)可以根據(jù)不同作物的需水量調(diào)整滴灌流量，如300 m2甘蔗園的滴灌系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為5條毛管共1000個(gè)滴頭，平均流量為0.88 L/h， 總流量為880 L，相當(dāng)于降雨強(qiáng)度3 mm。在瓜類和茄果類蔬菜種植中，滴灌量要相對(duì)減少。實(shí)踐證明，光伏滴灌技術(shù)能夠大幅節(jié)約能源和水資源，提高農(nóng)作物灌溉效率，有效解決蔬菜大棚缺水的問題。

3.2 光伏節(jié)能泵技術(shù)

將光伏節(jié)能泵技術(shù)與水肥一體化技術(shù)結(jié)合起來，通過管道供水供肥。為解決間歇性大的問題，可將節(jié)能泵連入儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制。光伏節(jié)能泵還可以和雨水收集系統(tǒng)結(jié)合，在雨水流動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，提升能源利用效率。

3.3 雨水收集技術(shù)

將光伏蔬菜大棚和雨水利用技術(shù)結(jié)合起來，溫室大棚的頂面由斜坡式頂部和弧形頂部組成，兩個(gè)溫室大棚的弧形頂部相鄰，在大棚之間放置集雨槽，實(shí)現(xiàn)雨水的回收利用[3]。

4 光伏智慧控制技術(shù)的應(yīng)用

4.1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)蔬菜生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，記錄蔬菜生長的歷史數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)光照、溫濕度等生長條件。在原有透光、保溫、供電的基礎(chǔ)上和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，控制蔬菜生長周期，以紅光為主，適當(dāng)補(bǔ)充藍(lán)光，能夠提升植株的生物量和產(chǎn)量。

4.2 廣泛應(yīng)用新技術(shù)

使用光學(xué)分光膜技術(shù)反射特定光譜，分離紅藍(lán)光；使用槽型跟蹤系統(tǒng)的槽形拋物面反射器收集太陽能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；應(yīng)用新型拋物線玻璃改進(jìn)聚光集熱技術(shù)；采用先進(jìn)的光學(xué)傳感器提升自動(dòng)化控制水平；使用光合作用有效輻射照傳感器對(duì)蔬菜進(jìn)行在線監(jiān)測，調(diào)控生長配方。

4.3 溫度調(diào)節(jié)

大多數(shù)蔬菜日間和夜間適宜的生長溫度分別為20～30℃和14～18℃。通過光伏智慧系統(tǒng)對(duì)蔬菜的溫、光、水、氣和肥等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠有效提高蔬菜品質(zhì)，產(chǎn)量可比半促成栽培提高1倍以上。

4.4 光伏板覆蓋方式調(diào)節(jié)

對(duì)大棚番茄栽培的研究顯示，對(duì)南向屋頂進(jìn)行全覆蓋，整個(gè)大棚覆蓋50%光伏板的情況下，溫室內(nèi)太陽輻射會(huì)降低64%。采用GGR算法顯示，塑料覆蓋層高度每增加2 m，溫室內(nèi)累積總輻射會(huì)增加14%，而光伏覆蓋率達(dá)到50%時(shí)，其積累輻射量會(huì)減少17%。智能控制系統(tǒng)還可以對(duì)蔬菜大棚的光伏板角度和覆蓋率方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，連接溫度、濕度、二氧化碳含量等控制系統(tǒng)，提升光伏利用率的同時(shí)，可更好地促進(jìn)大棚蔬菜的 生長。

4.5 做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測

要利用光伏智慧控制技術(shù)，對(duì)蔬菜種植的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。根據(jù)生菜種植的實(shí)驗(yàn)顯示，采用紅藍(lán)光透過膜葉綠素指數(shù)較高，類黃酮指數(shù)和花青素指數(shù)也有所提升。其蛋白質(zhì)含量相對(duì)較高，可溶糖含量相對(duì)較低，維生素C的含量也有所提高，因此，要提高紅藍(lán)光透膜的使用率。

5 總結(jié)

實(shí)踐證明，采用太陽能光伏智慧技術(shù)，可提高蔬菜的品質(zhì)，提升農(nóng)業(yè)種植技術(shù)水平，節(jié)約大量能源，降低成本，提高水資源利用率，具有一定推廣價(jià)值。