光伏日光溫室在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的發(fā)展前景分析

王新生

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

1 引言

太陽能作為一種可再生能源，與傳統(tǒng)能源（煤、石油、天然氣）相比，具有儲量巨大、清潔環(huán)保、利用經(jīng)濟等諸多優(yōu)點。在化石能源日益減少、枯竭的形勢下，逐漸受到人們的關(guān)注，而且太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展也是當前世界經(jīng)濟貿(mào)易中光伏產(chǎn)業(yè)凸顯的焦點。近年來，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合，是諸多學(xué)者研究的熱點課題之一。

日光溫室是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)典型的建筑結(jié)構(gòu)形式，在我國的西部和北方地區(qū)發(fā)展較快，是當?shù)剞r(nóng)戶增收致富的一個重要途徑，也是國家農(nóng)業(yè)政策扶持的對象，近年來日光溫室得到了大面積的推廣應(yīng)用。在以上兩個地區(qū)，冬季氣溫普遍偏低，夜間氣溫劇降，耐寒、經(jīng)濟價值低的葉菜類蔬菜勉強越冬，而經(jīng)濟價值相對較高的黃瓜、西紅柿類蔬菜，依靠日光溫室內(nèi)的夜間氣溫?zé)o法滿足作物生長要求。目前，大部分日光溫室冬季主要依靠傳統(tǒng)的煤、電供暖來解決溫室作物越冬的難題。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色低碳、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟、可靠，光伏成本不斷下降，依靠太陽能光伏系統(tǒng)的供電來滿足日光溫室的用電需求變?yōu)楝F(xiàn)實，從而降低了一次性能源的消耗，發(fā)展了綠色農(nóng)業(yè)。迄今為止，這方面的研究多停留在理論研究階段，下文通過對太陽能光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上應(yīng)用實例的分析，探討其現(xiàn)存問題，并提出合理化建議和對策，以期為今后光伏日光溫室的發(fā)展提供借鑒。

2 基于設(shè)施農(nóng)業(yè)的太陽能光伏發(fā)電模式設(shè)計

2.1 太陽能光伏發(fā)電模式及日光溫室工作原理

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由光伏組件（太陽能電池板）、太陽能控制器、逆變器和蓄電池組成。目前，根據(jù)用戶用電不同目的需求，太陽能光伏發(fā)電模式一般分為獨立供電、并網(wǎng)發(fā)電、混合型發(fā)電三種類型。獨立供電模式由太陽能電池板、蓄電池、控制器、逆變器組成，太陽能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流形式的電能并存儲于鉛酸蓄電池中。當發(fā)電量大于負載時，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電，當發(fā)電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負載供電；并網(wǎng)發(fā)電模式太陽能轉(zhuǎn)化為電能后直接輸入國家電網(wǎng)；混合型光伏發(fā)電模式，是在以上兩個系統(tǒng)之間增加了一套備用發(fā)電機組，它既可以直接給交流負載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充電。

光伏日光溫室發(fā)電工作原理：晶硅電池組件吸收太陽能輻射產(chǎn)生電能，經(jīng)控制逆變一體機后直接供負載使用或存儲于蓄電池中，供日光溫室的用電需要，若蓄電池中電能供應(yīng)不足，則負載可通過控制逆變一體機自動與市電相連。

2.2 光伏日光溫室的設(shè)計

供試太陽能光伏發(fā)電日光溫室位于太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)，該基地占地面積近8 hm2，地勢開闊，周圍無大型建筑物遮擋，地處中緯度，屬溫帶季風(fēng)性氣候。全省太陽輻射總量4900 MJ/m2，日照時數(shù)2200~3000 h，日照充足，無霜期長，年均氣溫9.5℃，光熱資源比較豐富，具備太陽能光伏發(fā)電的要求，適宜進行太陽能光伏技術(shù)的開發(fā)研究。

光伏日光溫室發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計采用獨立供電系統(tǒng)，光伏組件采用陣列形式太陽能電池板共160塊，采用8串20并，總?cè)萘?0 kW，放置于溫室前的空地上。經(jīng)對當?shù)毓鉄崃坑嬎?，以最佳傾角35°安裝，支架均采用鍍鋅鋼材。太陽能電池組件接入兩臺10進2出匯流箱，一臺220 V200 A太陽能控制器，配置220 V600 Ah蓄電池組一套，以及一臺DC220 V/AC220/380 V，30 kW獨立逆變器，以上配套全部組建位于日光溫室控制室中，交流輸出接入配電箱后向負載供電。

3 光伏日光溫室發(fā)電系統(tǒng)日常運行

供試節(jié)水示范基地日光溫室內(nèi)的設(shè)備主要采用智能控制技術(shù)，主要用電負載包括卷簾機、照明系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、空調(diào)增溫、換氣降溫風(fēng)機等。日光溫室溫度、濕度、灌溉、光照、降溫等調(diào)節(jié)主要依靠自動化的控制系統(tǒng)來完成。其中溫室日常運行中主要包括溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、光照調(diào)節(jié)和自動灌溉四個環(huán)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)根據(jù)設(shè)定的溫室作物的最佳生長溫度范圍，通過室內(nèi)溫度傳感器進行跟蹤監(jiān)測。當室溫低于智能控制系統(tǒng)設(shè)定溫度下限值時，光伏供電的智能控制系統(tǒng)自動開啟空調(diào)設(shè)備進行升溫。當溫度高于設(shè)定值時，采用風(fēng)機系統(tǒng)進行降溫。濕度調(diào)節(jié)根據(jù)設(shè)定的溫室作物的最佳生長濕度范圍，通過濕度傳感器進行自動控制，溫室頂端懸掛的霧化微噴來增加環(huán)境濕度，當濕度高于設(shè)定值時，智能控制系統(tǒng)自動開啟溫室頂棚的天窗進行通風(fēng)，進行室內(nèi)外的空氣流通、交換。光照調(diào)節(jié)根據(jù)智能控制系統(tǒng)設(shè)定的光照值，利用溫室外部遮陽網(wǎng)的閉合進行調(diào)節(jié)光照，必要時在溫室內(nèi)安裝一定數(shù)量的LED燈，由光伏系統(tǒng)滿足作物生長的光照要求。自動灌溉主要是智能控制系統(tǒng)通過土壤濕度傳感器反饋的土壤濕度狀況，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的土壤濕度控制范圍，及時開啟、閉合電磁閥進行精確灌溉。各項用電設(shè)施每天平均用電量達20 kW·h，光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池通過適時輸出的電能供給這些負載的日常運行。

4 光伏日光溫室發(fā)展優(yōu)勢及存在問題

太陽能光伏發(fā)電是近年來備受關(guān)注的新型能源產(chǎn)業(yè)。我國光伏行業(yè)發(fā)展迅速并逐漸形成了一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際先進水平的競爭產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)制造規(guī)模逐年擴大。同時國家對光伏發(fā)電較為重視，相繼出臺了一系列補貼政策來促進光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。光伏技術(shù)與設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的交叉結(jié)合是近年來研究的熱點課題之一。

與傳統(tǒng)日光溫室相比，光伏日光溫室有獨特的優(yōu)勢，但在發(fā)展初期也存在一定問題。

以光伏日光溫室為例，分析比較二者之間的能耗差異及光伏溫室發(fā)展中存在的問題。供試太陽能光伏發(fā)電日光溫室坐北朝南，東西延長，方位是正南偏西5°，東、西、北三面為維護墻體的南向單坡面架構(gòu)，溫室長50m，寬9m，相鄰溫室間距9m，臨近溫室側(cè)面入口建造的緩沖室同時承擔著智能控制室、光伏系統(tǒng)配電室的功能，相比較傳統(tǒng)日光溫室，光伏溫室增加了光伏組件及光伏系統(tǒng)配電系統(tǒng)。光伏組件的運行年限為25年，每年每個傳統(tǒng)溫室的耗能大約需要6 t標準煤。據(jù)國家環(huán)?？偩止嫉墓?jié)能減排數(shù)據(jù)標準，每燃燒 1 t標準煤，將排放 2.62 t CO2，8.5×10-3t SO2，7.4×10-3t NOX，6.785×10-3t煙塵。以光伏組件25年的使用壽命為期限，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 光伏、傳統(tǒng)日光溫室造價及能耗

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，太陽能光伏發(fā)電替代傳統(tǒng)的煤、電能源，不僅可以消除 CO2，SO2，NOX，煙塵等有害氣體的大量排放，防止大氣污染，而且可以產(chǎn)生大量電能。相比較傳統(tǒng)的日光溫室，光伏溫室造價較高，一次性投入大，與溫室內(nèi)的用電負載對接技術(shù)要求高，電壓有時會出現(xiàn)波動等成為光伏溫室進一步推廣的制約因素。

5 發(fā)展前景

目前，我國的光伏制造業(yè)發(fā)展速度較快，隨著光伏產(chǎn)業(yè)競爭的加劇，其制造成本逐漸降低，光轉(zhuǎn)化效率等性能指標不斷提高。光伏發(fā)電在逐漸縮小同傳統(tǒng)能源電力競爭的差距。根據(jù)我國地域太陽能光照的特點，可以因地制宜地在以下幾方面拓寬光伏日光溫室發(fā)展前景；根據(jù)國家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃，在城市群比較密集的地區(qū)，大力發(fā)展建筑物的屋頂光伏日光溫室模式；在西部太陽能資源豐富的地區(qū)推動大型并網(wǎng)光伏電站的建設(shè)，為當?shù)販厥姨峁╇娔?；在艱苦、貧困的偏遠高海拔山區(qū)，根據(jù)國家地方的補貼政策，大力發(fā)展光伏溫室。