光伏溫室水產(chǎn)育苗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?zhí)K南，相凡，曹紀(jì)鈞，王斌斌

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，常規(guī)一次性能源匱乏和全球環(huán)境惡化等問題也日益嚴(yán)重，因此太陽能得到了高度重視。太陽能具有分布廣泛、可再生、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是國際公認(rèn)的理想替代能源。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展，太陽能電池已經(jīng)被運(yùn)用到各領(lǐng)域之中。2012年5月14日，我國首座示范性光伏溫室在甘肅省嘉峪關(guān)建成，該光伏溫室的建成對于我國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)具有顯著的示范意義。利用光伏發(fā)電發(fā)展農(nóng)業(yè)蔬菜大棚[1]的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，光伏溫室正在逐步取代傳統(tǒng)鍋爐溫室大棚。在如今的太陽能光伏溫室大趨勢下，為了節(jié)能減排和節(jié)省成本，光伏溫室不應(yīng)該僅僅運(yùn)用在培育蔬菜植物之中，也可以將其運(yùn)用到水產(chǎn)育苗中來。

本文擬在連云港地區(qū)設(shè)計(jì)一個(gè)溫室水產(chǎn)育苗大棚，利用光伏發(fā)電為熱泵提供電量，帶動熱泵控制水塘的溫度。以南美對蝦為例，自然條件下南美對蝦育苗時(shí)間大致為6月－9月。我們設(shè)計(jì)在溫室大棚上面鋪設(shè)太陽能電池板，在氣溫較低的月份啟動熱泵控制魚塘水溫，以達(dá)到南美對蝦育苗的適宜溫度，可將育苗時(shí)間延長，提高養(yǎng)殖者的收益。在夜間或陰雨天氣，光伏板不起作用的時(shí)候，也可使用電網(wǎng)的電能為熱泵供電。在非育苗季，光伏發(fā)電并入電網(wǎng)也可產(chǎn)生收益。

1 光伏溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光伏陣列的最佳傾角

在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，電網(wǎng)可以隨時(shí)補(bǔ)充電力，而且相較于離網(wǎng)發(fā)電而言，并網(wǎng)發(fā)電可以有效地應(yīng)對各種突發(fā)情況，可以很好的適應(yīng)各種條件下的發(fā)電。電池組件選用平鋪的方式可以減少陰影帶來的熱損失，為了接收更多的太陽輻射，利用PVsyst軟件計(jì)算最佳傾角，將光伏陣列運(yùn)用合理化。通過連續(xù)改變傾斜角來比較不同傾斜角的太陽能電池板的太陽輻射，結(jié)果表明連云港地區(qū)太陽能電池組件的最佳傾角為26°。

1.2 大棚的設(shè)計(jì)

太陽能溫室大棚的設(shè)計(jì)初衷是控制魚塘溫度達(dá)到南美對蝦適宜溫度，從而擴(kuò)大南美對蝦的養(yǎng)殖時(shí)間。利用大棚的好處是防止熱泵產(chǎn)生的熱量流失，降低能量損耗，提高大棚內(nèi)空氣的溫度。鑒于連云港地區(qū)常年風(fēng)大，盛行東南風(fēng)，我們設(shè)計(jì)大棚棚頂方向朝南，方便吸收陽光的同時(shí)能減少自然因素給大棚帶來的損壞，方位角為0°。采用一面鋪設(shè)太陽能板接收太陽光，另一面使用磚砌的后墻壁來承載大棚的質(zhì)量防止坍塌，既達(dá)到最佳的陽光輻照量，也節(jié)省了材料，節(jié)約了成本。

設(shè)計(jì)大棚頂單面朝南平鋪太陽能板，棚頂角度26°。擬設(shè)定大棚為矩形，設(shè)定一畝大棚長66.7 m，寬10 m。利用余弦角公式，我們求出棚頂?shù)膶挾燃s為11 m才可以達(dá)到覆蓋魚塘的效果（如圖1所示）。本次設(shè)計(jì)擬采用250D-20型號的多晶硅光伏板，組件長度1.642 m，寬度0.994 m，組件功率250 W。本次設(shè)計(jì)采用的是在棚頂平鋪的方式，橫向排列37塊，縱向排列10塊，總計(jì)370塊光伏板。使得橫向每兩塊板間距為0.16 m，縱向每兩塊板間距為0.1 m。板間的空隙不排列電池板，用于必要的陽光透入。在大棚內(nèi)的一角設(shè)立一個(gè)小房間，將控制器、匯流箱、熱泵等都放置其中，一方面可以保護(hù)器件防止器件損壞，另一方面方便集中控制系統(tǒng)，方便技術(shù)工人操作。

圖1 大棚框架及尺寸參數(shù)

1.3 月發(fā)電量計(jì)算

首先計(jì)算方陣功率P。由方陣功率＝電池組件數(shù)×峰值功率，可得P＝370×250 W＝92.5 kW。計(jì)算每月發(fā)電量的公式如下：

其中Qg表示發(fā)電量；N表示當(dāng)月天數(shù)；P表示方陣的輸出功率；Ht表示每月輻射量；η1是從方陣到逆變控制器的直流輸入回路效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配、組件老化損失以及線路損耗等；η2為交流回路效率，是由逆變器控制器到交流放電回路到負(fù)載的效率，包括逆變控制器效率以及線路損耗等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取η1=0.85，η2=0.9，可得到各個(gè)月份的系統(tǒng)發(fā)電量（見表1）。全年的發(fā)電量為105727.7 kW·h。

表1 各月份系統(tǒng)發(fā)電量

2 計(jì)算魚塘的熱損失量

南美對蝦具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對養(yǎng)殖環(huán)境要求比較低，能在6℃～40℃的水中生存，在18℃～35℃內(nèi)均可生長，最佳生長溫度是22℃～30℃[2]。但是南美對蝦水產(chǎn)養(yǎng)殖具有一定的時(shí)間限制性。以連云港地區(qū)為例，參照連云港地區(qū)溫度情況，正常養(yǎng)殖時(shí)間為6月－9月。借助溫室大棚和熱泵，可將養(yǎng)殖時(shí)間提升為5月－10月乃至整年，這樣就可以創(chuàng)造更大的利潤。

本文設(shè)計(jì)采用半地下式魚塘，池底鋪碎石，用水泥澆灌，池壁為磚砌后用砂漿抹面，起到保溫效果，水與土地的熱傳導(dǎo)會大大減小。

設(shè)計(jì)一畝養(yǎng)殖大棚中魚塘的占地面積為400 m2，池塘水深1.36 m[3],通過計(jì)算魚塘的熱損失量來選取合適的水源熱泵。計(jì)算魚塘熱量需求可以分成三種熱量形式，分別是水表面蒸發(fā)損失熱量、池底泥土熱量損失和池塘補(bǔ)充水加熱所需的熱量。

2.1 水表面蒸發(fā)損失熱量計(jì)算[4]

QZ＝a×r×(0.0174vi＋0.0229)×(Pb－Pc)×A×(760/B)

式中：QZ為每小時(shí)魚塘水表面蒸發(fā)損失的熱量(KJ)；a是熱量換算系數(shù)，取a＝4.18 KJ/Kcal；r是與魚塘水溫相等的飽和蒸汽的蒸發(fā)汽化潛熱(Kcal/kg)；vi是魚塘水面上的風(fēng)速，取vi＝0.2 m/s；Pb是與魚塘水溫相等的飽和空氣的水蒸汽壓力(mmHg)；Pc為魚塘的環(huán)境空氣的水蒸汽壓力(mmHg)；A為魚塘的水表面面積(m2)，A＝400 m2；B是當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?mmHg)。我們假設(shè)魚塘水溫控制在22℃恒溫，則取r＝584.84 Kcal/kg，Pb＝19.83 mmHg，B取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760 mmHg。水表面蒸發(fā)損失功率記為P1。

根據(jù)資料顯示，安裝大棚可以將室內(nèi)空氣溫度提升2℃～3℃[5]。因此，我們在計(jì)算過程中，大棚內(nèi)的溫度按照當(dāng)?shù)禺?dāng)月平均氣溫加上2℃～3℃（如表2所示），從而查表得到對應(yīng)的Pc取值。

2.2 池底熱損失量計(jì)算

由于本次設(shè)計(jì)養(yǎng)殖池池底鋪碎石，用水泥澆灌，池壁為磚砌后用砂漿抹面，起到保溫效果，池底熱損失量可以按魚塘表面蒸發(fā)量的10%計(jì)算。池底熱損失量計(jì)為Qt，功率為P2。

2.3 魚塘補(bǔ)充水時(shí)加熱所需的熱量，按下式計(jì)算

式中：Qb是魚塘補(bǔ)充水加熱所需的熱量(KJ)；Cp是 熱量換算系數(shù)，Cp＝4.18 KJ/(kg·K)；qb是魚塘每日的補(bǔ)充水量(L)；ρ是水的密度(kg/L)，ρ=1 kg/L；tr是魚塘水的溫度(℃)，tr＝22℃；tb是魚塘補(bǔ)充水水溫(可參照土壤溫度)(℃)。魚塘補(bǔ)充水加熱功率記為P3。

針對蘇州地區(qū)430.46 hm2的南美白對蝦養(yǎng)殖池塘調(diào)查結(jié)果顯示，一個(gè)養(yǎng)殖周期（110天）總換水次數(shù)平均8次，每次平均換水量為15%[3]，相當(dāng)于每日換水量為1.1%。考慮到養(yǎng)殖過程中的各種水損失，且為了方便計(jì)算，我們這里取qb＝20 m3（即每日換水量按照魚塘總水量的3.68%計(jì)算）。

2.4 魚塘日用總功率計(jì)算

將以上各項(xiàng)耗熱量功率相加，即為每天需補(bǔ)充的熱量功率：

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 魚塘的熱損失量

連云港地區(qū)南美對蝦正常養(yǎng)殖時(shí)間為6月－9月，此時(shí)無需使用熱泵即可滿足養(yǎng)殖條件。根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)果，5月魚塘的熱損失為10.9 kW；10月的熱損失為29.2 kW。5月和10月的熱損失較小，若想將養(yǎng)殖時(shí)間延長至5月－10月，需要較少的熱量輸入即可。傳統(tǒng)的鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，而我們設(shè)計(jì)采用水源熱泵，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，效率更高[6]。選用制熱量約30 kW的水源熱泵，即可將養(yǎng)殖時(shí)間拓展到5月－10月。按照制熱系數(shù)為4來估算，制熱量30 kW的水源熱泵的制熱輸入功率7.5 kW，5月、10月共計(jì)耗電11,160 kW·h。從熱損失的計(jì)算結(jié)果來看，12月、1月、2月的熱損失很高，會導(dǎo)致高的耗電量。若想將養(yǎng)殖時(shí)間拓展到全年，則需要選擇制熱量超過128.7 kW的水源熱泵。例如，可以選用制熱輸入功率36.4 kW，制熱量186 kW的YWHSR-170型海水源熱泵。若選用此型號熱泵，最高可實(shí)現(xiàn)維持魚塘水溫全年27℃恒溫（南美對蝦養(yǎng)殖最適合溫度是22℃～30℃，計(jì)算時(shí)假設(shè)魚塘水溫在22℃恒溫是為了節(jié)能省電）。

3 總結(jié)

本套光伏溫室水產(chǎn)育苗系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能，為熱泵供電來調(diào)節(jié)魚塘的水溫，從而延長南美對蝦的養(yǎng)殖期限，同時(shí)多余的電還可轉(zhuǎn)售國家電網(wǎng)。前期投入包括建造大棚、搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)、購買水源熱泵，其他成本還包括水產(chǎn)養(yǎng)殖投入及后期維護(hù)費(fèi)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)并不能全天24小時(shí)工作，在夜間或者陰雨天氣，光照強(qiáng)度不足，光伏板無法提供足夠的電量。為了維持熱泵工作，還需要另外購電，這也就帶來了熱泵和其他電器的電費(fèi)成本。獲利部分則包括售電收入和養(yǎng)殖收入。本套光伏系統(tǒng)全年的發(fā)電量為105727.7 kW·h，5月、10月共計(jì)耗電約11160 kW·h，為全年發(fā)電量的10.6%。本套系統(tǒng)中光伏方陣的輸出功率為92.5 kW，高于所需熱泵的制熱輸入功率。在運(yùn)行中，可以選擇自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式，也可以選擇全額上網(wǎng)模式。若系統(tǒng)發(fā)電全部上網(wǎng)，按照上網(wǎng)電價(jià)0.5元/kW·h估算（上網(wǎng)電價(jià)因時(shí)因地差異較大）[7]，每畝地每年的電費(fèi)收入為5萬元左右。江蘇省屬于Ⅲ類電價(jià)區(qū)，光伏標(biāo)桿電價(jià)為0.75元/kW·h，若按照此電價(jià)估算，每畝地每年的電費(fèi)收入可達(dá)7.9萬元。面對能源日益枯竭的窘境，光伏發(fā)電成為未來的發(fā)展趨勢，我們運(yùn)用科學(xué)的手段將光伏發(fā)電設(shè)計(jì)投入到生活生產(chǎn)之中，這也符合了金山銀山不如綠水青山的時(shí)代背景，利用所學(xué)知識服務(wù)生活是科學(xué)最大的魅力。