光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探

趙 雪，鄒志榮

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 機(jī)械與電子工程學(xué)院,b 農(nóng)業(yè)部西北地區(qū)設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，c 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

日光溫室是具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)北方地區(qū)得到了大面積的推廣和應(yīng)用。近年來(lái)，隨著“節(jié)能減排”概念的深入人心，如何減少大面積日光溫室對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴也逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[1-3]，越來(lái)越多的人開(kāi)始考慮將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中，即在不影響溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的同時(shí)，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)為溫室提供自身設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電力，從節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、綠色低碳角度來(lái)看，該研究具有十分深遠(yuǎn)的意義。國(guó)外已有利用太陽(yáng)能電池板為溫室環(huán)境調(diào)控提供所需電力的相關(guān)研究報(bào)告[4-9]，然而國(guó)內(nèi)的研究則多停留在理論與展望階段[10-12]，關(guān)于日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效果的文章更是鮮有報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以2 kW光伏日光溫室為研究對(duì)象，對(duì)冬季光伏發(fā)電系統(tǒng)在日光溫室中的實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量與室外太陽(yáng)輻射之間的相關(guān)性進(jìn)行了探討，以期為今后我國(guó)光伏日光溫室產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供借鑒。

1 光伏日光溫室的結(jié)構(gòu)

供試光伏日光溫室內(nèi)外結(jié)構(gòu)如圖1所示。該溫室位于陜西省楊凌國(guó)家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)(N34°17′，E108°04′)，該區(qū)年平均氣溫12.9 ℃，年極端最高氣溫38.5 ℃，年極端最低氣溫-13.4 ℃；年平均日照時(shí)數(shù)為2 163.8 h，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。

圖1 光伏日光溫室室內(nèi)外圖

溫室長(zhǎng)50 m，跨度10 m，脊高4.7 m，后墻高3.3 m，墻體結(jié)構(gòu)為370多孔磚，外側(cè)采用200 mm厚聚苯板，外加100 mm厚彩鋼板覆蓋外側(cè)作為保溫結(jié)構(gòu)。前屋面由非晶硅電池組件、PC陽(yáng)光板和塑料薄膜3種材料構(gòu)成。PC陽(yáng)光板與非晶硅電池組件構(gòu)成傾角為25°的傾斜平面，該平面包含6列非晶硅電池組件，每列長(zhǎng)5.6 m，寬1.1 m，自西向東每3列組件與PC陽(yáng)光板分別以1∶2，1∶3比例間隔，其余部分均采用PC陽(yáng)光板覆蓋。該傾斜平面底部至溫室屋面底角之間采用塑料薄膜覆蓋。保溫被材料為針刺氈。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與測(cè)試項(xiàng)目

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

本日光溫室中的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。其工作原理是：非晶硅電池組件吸收太陽(yáng)輻射產(chǎn)生電能，經(jīng)控制逆變一體機(jī)后直接供負(fù)載使用或存儲(chǔ)于蓄電池中。蓄電池中存儲(chǔ)的電能則可供溫室夜間或陰雨天使用。若蓄電池中電能供應(yīng)不足，則負(fù)載可通過(guò)控制逆變一體機(jī)自動(dòng)與市電相連接。

光伏日光溫室負(fù)載包括溫室的卷簾機(jī)、電動(dòng)開(kāi)窗、照明系統(tǒng)、水肥一體化機(jī)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等部分。

2.1.1 光伏組件陣列 設(shè)計(jì)日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，選擇具有良好透光性和弱光效果的非晶硅電池組件構(gòu)成光伏陣列。該陣列中組件以串并聯(lián)方式連接，以滿足蓄電池充電的工作電壓。本系統(tǒng)中包含24塊非晶硅電池組件，2塊組件串聯(lián)1組，12組并聯(lián)，整個(gè)系統(tǒng)功率為2 kW。其中非晶硅電池組件規(guī)格為1 400 mm×1 100 mm，峰值功率為93 W，峰值電壓為73.5 V，峰值電流為1.11 A。

2.1.2 蓄電池 蓄電池是最常見(jiàn)的儲(chǔ)能裝置，通過(guò)充電將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來(lái)。本研究中光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自給天數(shù)為3 d，包含9只12 V 200 Ah的深循環(huán)膠體免維護(hù)蓄電池，以串聯(lián)方式連接，放電深度為0.8。

2.1.3 控制逆變一體機(jī) 光伏發(fā)電系統(tǒng)除組件與蓄電池之外，還包括控制器、逆變器、匯流箱等部件?？刂破魇菍?duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的設(shè)備；逆變器是將系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化成可供交流負(fù)載使用的儀器；匯流箱則是將光伏組件所發(fā)電量匯集在一起的裝置。

圖2 日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

本發(fā)電系統(tǒng)容量較小，選擇集控制器和逆變器功能為一體的控制逆變一體機(jī)。系統(tǒng)蓄電池充電電壓為110 V，逆變輸出電壓為220 V，通過(guò)該裝置可避免因相位分配不均衡而造成的不平衡負(fù)載?？刂颇孀円惑w機(jī)參數(shù)為額定容量3 kW，額定電壓110 V，額定電流27.5 A，欠壓保護(hù)點(diǎn)97.5 V。

2.2 測(cè)試項(xiàng)目

2.2.1 發(fā)電量測(cè)試 系統(tǒng)發(fā)電量根據(jù)充電電壓、充電電流及時(shí)間計(jì)算而來(lái)。系統(tǒng)發(fā)電量監(jiān)測(cè)軟件是在Windows操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用C語(yǔ)言編程以及Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，軟件界面如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件界面

2.2.2 太陽(yáng)輻射測(cè)試 太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)采集儀由河北鼎睿電子產(chǎn)品銷售有限公司生產(chǎn)制造，設(shè)置采集時(shí)間間隔為10 min，精度0.1 W/m2。輻射傳感器放置于溫室室外1.5 m高度處，測(cè)試時(shí)間為2012-12-30至2013-03-31。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬季光伏日光溫室的發(fā)電量

選取光伏發(fā)電系統(tǒng)2013-01的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表1所示。受施工和天氣影響，軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果中只有14 d完整數(shù)據(jù)，其中日發(fā)電量最大值可達(dá)到9.544 kW·h，而最小值僅有1.414 kW·h；軟件記錄的1月份系統(tǒng)發(fā)電總量為114.273 kW·h，發(fā)電時(shí)間為184.83 h，1月份實(shí)際發(fā)電總量與發(fā)電時(shí)間均應(yīng)大于軟件記錄值，且經(jīng)計(jì)算可知該系統(tǒng)中每千瓦非晶硅電池組件每小時(shí)的發(fā)電量為0.309 kW·h。

3.2 典型天氣下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性

由氣象局發(fā)布的氣象資料可知，2013-01-24為晴天，2013-01-19為雨雪天，即陰天，根據(jù)這2天的系統(tǒng)發(fā)電量和太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)，分析典型天氣條件下系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性。典型天氣即晴天和陰天條件下系統(tǒng)發(fā)電量和太陽(yáng)總輻射的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)晴天的發(fā)電量明顯大于陰天，其中晴天最大發(fā)電量可達(dá)0.26 kW·h，而陰天最大發(fā)電量?jī)H有0.074 kW·h。這是因?yàn)榍缣焯?yáng)總輻射遠(yuǎn)大于陰天，其中晴天太陽(yáng)總輻射最大值為615.1 W/m2，而陰天最大值僅有223.7 W/m2，這反而說(shuō)明非晶硅電池組件具有良好的弱光效應(yīng)。

本研究還分析了該系統(tǒng)在典型天氣條件下的發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性，若以y表示光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量，x表示太陽(yáng)總輻射，則在晴天，樣本容量N=43，擬合得y=0.444x-0.01，R2=0.997；在陰天，樣本容量N=43，可得y=0.281x+0.007，R2=0.943。說(shuō)明在典型天氣條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)關(guān)系，且晴天的相關(guān)性明顯優(yōu)于陰天。

表1 日光溫室室外太陽(yáng)輻射和光伏系統(tǒng)的發(fā)電狀況

圖4 晴天和陰天典型天氣條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的變化

4 討 論

1)本試驗(yàn)中非晶硅薄膜電池組件的安裝傾角依據(jù)日光溫室的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為25°，但是根據(jù)光伏領(lǐng)域的有關(guān)研究成果可知，西安地區(qū)合適的光伏組件的安裝角度為34.18°[3]，這說(shuō)明光伏日光溫室的發(fā)電量還有較大的提升空間，因此下一步有必要構(gòu)建光伏日光溫室模型，結(jié)合日光溫室本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出不同地區(qū)日光溫室前屋面光伏組件的合理傾角。

2)由于在冬季最寒冷的1月份，光伏日光溫室內(nèi)并未定植作物，因此本研究并未獲取植物生長(zhǎng)狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，這有待下一步的繼續(xù)研究。

3)光伏日光溫室在結(jié)構(gòu)上還存有幾個(gè)亟需改進(jìn)的問(wèn)題：

① 非晶硅薄膜電池組件外層結(jié)構(gòu)是鋼化玻璃，相對(duì)于普通塑料薄膜日光溫室，前屋面鋪設(shè)一定比例非晶硅薄膜組件的光伏日光溫室對(duì)鋼骨架的要求更高，規(guī)格不夠的鋼結(jié)構(gòu)不足以承受光伏組件的自重，也會(huì)在卷簾機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)組件形成壓迫，造成組件破碎。鋼結(jié)構(gòu)也是目前非晶硅薄膜日光溫室建設(shè)成本居高不下的主要原因之一，經(jīng)濟(jì)安全的室內(nèi)骨架結(jié)構(gòu)是目前光伏溫室亟待解決的技術(shù)難題。

② 卷簾機(jī)對(duì)日光溫室保溫起著非常重要的作用。在考慮到非晶硅電池組件材質(zhì)和日光溫室前屋面形狀等因素之后，本研究中光伏日光溫室卷簾機(jī)選擇了側(cè)置擺桿式安裝。然而在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，卷簾機(jī)出現(xiàn)過(guò)卷簾桿扭斷現(xiàn)象，這是由于光伏日光溫室前屋面為傾斜平面，與傳統(tǒng)曲線屋面相比，棉被在運(yùn)行過(guò)程中摩擦力較小，從而造成了卷簾桿與卷簾機(jī)組的轉(zhuǎn)速不同步。因此在卷簾機(jī)選型時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加卷簾機(jī)的功率和卷簾桿的壁厚。另外，卷簾機(jī)管理時(shí)要特別注意連續(xù)雨雪天氣，浸濕后的保溫被會(huì)加重卷簾機(jī)荷載，容易造成卷簾機(jī)故障。

③ 日光溫室前屋面不同覆蓋材料之間的密封技術(shù)尚不成熟。雨天時(shí)，水滴會(huì)通過(guò)傾斜平面與塑料薄膜搭接處的縫隙流入溫室內(nèi)，從而給溫室管理帶來(lái)不便。

5 結(jié) 論

本研究以楊凌地區(qū)2 kW 光伏日光溫室為例，詳細(xì)介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備組成，并對(duì)系統(tǒng)在冬季1月份的發(fā)電效果進(jìn)行了初步分析，得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)光伏系統(tǒng)發(fā)電量監(jiān)測(cè)軟件1月份的記錄結(jié)果，14 d有完整數(shù)據(jù)記錄的發(fā)電總量為114.273 kW·h，發(fā)電時(shí)間為184.83 h，說(shuō)明非晶硅電池組件的發(fā)電功率為0.309 kW。晴天日發(fā)電量最大值可達(dá)9.544 kW·h，可滿足光伏日光溫室中卷簾機(jī)、電動(dòng)開(kāi)窗以及照明系統(tǒng)等設(shè)備的用電需求。

2)無(wú)論典型晴天還是陰天，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出的電能均與太陽(yáng)輻射呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系。其中晴天光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)關(guān)系回歸方程為y=0.444x-0.01，相關(guān)系數(shù)R2=0.997，這為光伏日光溫室發(fā)電量的設(shè)計(jì)提供了理論計(jì)算公式。

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