北 方 園 藝 設(shè)施園藝 第一作者簡(jiǎn)介 徐明磊 男 碩士 副教授 研究方 向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù) 基金項(xiàng)目 河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng) 目 收稿日期 河南地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室光伏化升級(jí)設(shè)計(jì) 徐 明 磊 孫 亞 楠 河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 河南 平頂山 摘 要 在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室基礎(chǔ)上進(jìn)行光伏化改造是推廣光伏溫室的有效途徑之一 以 河南城建學(xué)院農(nóng)業(yè)溫室為研究對(duì)象 開(kāi)展光伏化改造的研究 結(jié)果表明 光伏溫室系統(tǒng)需要 鉛酸蓄電池 塊 多晶光伏組件每 個(gè)一串聯(lián) 串一并聯(lián) 共 塊光伏組件 安裝角度 控制器的每路輸入最大電流應(yīng)該大于 選擇 變頻轉(zhuǎn)換器逆變器 該 溫室光伏化改造成本估計(jì)為 元 預(yù)計(jì)需要 年可收回成本 創(chuàng)造用電收益 年 預(yù) 計(jì)創(chuàng)造收益 元 另外在環(huán)保節(jié)能等方面具有突出的價(jià)值和意義 關(guān)鍵詞 河南省 農(nóng)業(yè)溫室 光伏 升級(jí) 中圖分類號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 農(nóng)業(yè)溫室在一定程度上克服了季節(jié)變化對(duì)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)的影響 在河南省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有重要 的地位 相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室 光伏農(nóng)業(yè)溫室在 不占用額外用地的前提下 通過(guò)光伏發(fā)電為農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)創(chuàng)造出額外的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和節(jié)能減排的環(huán)保價(jià) 值 是一種更具特色的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)形式 綜合比 較 在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)溫室基礎(chǔ)上進(jìn)行光伏化升級(jí)改造 是推廣光伏溫室的有效措施之一 在成本上具有 突出的優(yōu)勢(shì) 該文以河南省平頂山市城建學(xué)院農(nóng) 業(yè)溫室為研究對(duì)象 開(kāi)展設(shè)計(jì)升級(jí)為光伏農(nóng)業(yè)溫 室的研究 并對(duì)升級(jí)成本和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析 以期為實(shí)際中類似工作提供參考價(jià)值 研究對(duì)象與設(shè)計(jì)方案 研究對(duì)象與內(nèi)容 以河南城建學(xué)院校屬常規(guī)農(nóng)業(yè)玻璃溫室為研 究對(duì)象 設(shè)計(jì)升級(jí)為光伏農(nóng)業(yè)溫室 預(yù)期采用離 網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 通過(guò)在棚頂安裝光伏組件發(fā)電 系統(tǒng) 可以在正常光照條件下為通風(fēng)系統(tǒng) 控溫系 統(tǒng)提供能源 并在陰雨天或無(wú)光照天氣狀況下保 證溫室內(nèi)通風(fēng) 控溫裝置 的用電量 設(shè)計(jì)對(duì) 象溫室總面積 南北跨距 東西跨 距 水平面傾角 大棚其主體采用鋼 框架結(jié)合桁架梁結(jié)構(gòu) 通體采用透光玻璃 框架所 采用的材料均為 熱鍍鋅鋼 圖 圖 試驗(yàn)溫室 光伏農(nóng)業(yè)溫室發(fā)電系統(tǒng) 光伏農(nóng)業(yè)溫室的光伏系統(tǒng)是利用光伏電池板 直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式 通常 由太陽(yáng)能光伏電池組件 功率控制器 逆變器 蓄 電池以及負(fù)載等部件組成 圖 圖 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光伏農(nóng)業(yè)溫室發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 負(fù)載容量計(jì)算 該光伏化設(shè)計(jì)只對(duì)通風(fēng) 控溫系統(tǒng)進(jìn)行供電 河南城建農(nóng)業(yè)溫室由 臺(tái)負(fù)壓風(fēng)機(jī)對(duì)室內(nèi)氧氣含 量進(jìn)行調(diào)控 臺(tái)分體熱型落地式空調(diào)對(duì)室內(nèi)溫 度進(jìn)行調(diào)控 依據(jù)儀器參數(shù) 臺(tái)負(fù)壓風(fēng)機(jī)的功 率為 全年最高負(fù)載單天時(shí)長(zhǎng) 所以 臺(tái)負(fù)壓風(fēng)機(jī) 的總耗電量為 臺(tái)分體熱泵落地式房間空調(diào)器的最高功率 約 工作 所以 臺(tái)分體熱泵落地 式房間空調(diào)器 的耗電量為 綜上所述 農(nóng)業(yè)溫室的通風(fēng) 供暖總體日最大 負(fù)載用電量為 考慮到系統(tǒng)中所有設(shè)備的功率損耗 取 位逆變效率參數(shù)值 則溫室內(nèi)通風(fēng) 供暖設(shè)備 的負(fù)載總體用電量為 光伏儲(chǔ)能裝置的選擇和設(shè)計(jì) 蓄電池的選擇 由于光伏供電系統(tǒng)容易受外界環(huán)境影響 發(fā) 電及輸出極不穩(wěn)定 所以需要配置光伏儲(chǔ)能裝置 才能進(jìn)行工作 白天電池板接受太陽(yáng)光輻射 將 光能轉(zhuǎn)化為電能 蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存供負(fù)載使用 晚 上或陰雨天時(shí)負(fù)載用電全靠蓄電池中儲(chǔ)存的電 能 目前 光伏系統(tǒng)中最常用的儲(chǔ)蓄電池是鉛酸 蓄電池 鉛酸蓄電池由于其壽命長(zhǎng) 較高的充電效 率 低價(jià)格 低維護(hù)等成為當(dāng)下光伏系統(tǒng)最好儲(chǔ)能 裝置的選擇 蓄電池容量計(jì)算 由式 可知 農(nóng)業(yè)溫室 通風(fēng) 控溫負(fù)載 需消耗電量約 通風(fēng) 供暖設(shè)備工作 電壓 所以負(fù)載日耗電量 負(fù)載日耗電量 系統(tǒng)工作電壓 在正常運(yùn)行的情況下 蓄電池的容量最小應(yīng) 為 式中 為負(fù)載日耗電量 為放電率修正 系數(shù) 通常放電率修正系數(shù)在 為最 長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù) 為放電深度 一般放電深度 在 為溫度修正系數(shù) 在 以下 所以蓄電池所需的容量為 上述情況是考慮 之內(nèi)沒(méi)有光照 則必須 滿足 負(fù)載的蓄電池容量 該方案選用 鉛酸電池 具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 表 鉛酸蓄電池技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品型號(hào) 容量 尺寸 質(zhì)保 年 市場(chǎng)售價(jià) 元 蓄電池串并聯(lián)計(jì)算 由式 可 知 鉛酸蓄電池的容量必須為 控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電壓為 根據(jù) 相關(guān)計(jì)算公式 確定蓄電池的串并聯(lián)數(shù) 計(jì)算公式 如下 蓄電池串聯(lián)數(shù) 控制器系統(tǒng)電壓 蓄電池標(biāo)準(zhǔn)電壓 塊 蓄電池并聯(lián)數(shù) 蓄電池總?cè)萘?蓄電池標(biāo)準(zhǔn)容量 塊 所以蓄電池的串聯(lián)數(shù)為 塊 并聯(lián)數(shù)為 塊 共需要鉛酸蓄電池 塊 光伏組件的選擇及設(shè)計(jì) 光伏組件的選擇 光伏組件又叫光伏電池板 一般由太陽(yáng)能光 伏板通過(guò)串聯(lián) 并聯(lián)或同時(shí)串并聯(lián)組成 另外 因太陽(yáng)能組件的輸出電流為直流電流 不能直接 北 方 園 藝 月 上 用做負(fù)載設(shè)備的電源 而且太陽(yáng)能的功率不穩(wěn)定 所以太陽(yáng)能組件需要配合相應(yīng)的控制器 逆變器 使用 在光伏供電系統(tǒng)中 因玻璃表面反射 電池 封裝等因素 電池組件比沒(méi)有封裝的電池評(píng)價(jià)效 率更低些 常見(jiàn)的電池組件有單晶太陽(yáng)能電池 多晶太陽(yáng)能電池 由文獻(xiàn)資料可知單晶電池組件 成本較貴 且不易維護(hù) 所以該文設(shè)計(jì)采用多晶 太陽(yáng)能組件 該系統(tǒng)采用的電池板型號(hào)為 為多 晶硅電池組件 其參數(shù)見(jiàn)表 光伏組件功率的計(jì)算依據(jù) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電 系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用 中的實(shí)用計(jì)算公式 該公式 表 電池組件基本參數(shù) 型號(hào) 峰值功率 峰值電壓 峰值電流 太陽(yáng)能電池片 多晶硅 外形尺寸 質(zhì)量 價(jià)格 元 在考慮 各 種 因 素 的 影 響 后 將 相 關(guān) 系 數(shù) 納 入 進(jìn)來(lái) 電池 組 件 并 聯(lián) 數(shù) 負(fù)載日平均用電量 組件日平均發(fā)電量 充電效率 系數(shù) 組件損耗系數(shù) 逆變器效率系數(shù) 電池組件串聯(lián)數(shù) 系統(tǒng)工作電壓 系統(tǒng) 組件峰值工作電壓 電池組件并聯(lián)數(shù) 電池組件串聯(lián)數(shù) 系統(tǒng) 所以光伏組件 個(gè)一串聯(lián) 串并聯(lián) 共有 塊 太陽(yáng)組件的安裝 光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是取方陣接收太陽(yáng)輻射量 最大值的角度作為光伏板的最佳傾角 河南城建 農(nóng)業(yè)溫室由 個(gè)坡屋頂組成 每個(gè)坡屋頂?shù)慕嵌?為 均采用鋼架結(jié)構(gòu) 完全可承受電池組件的 質(zhì)量 直接將光伏組件平鋪在溫室的坡屋頂上 見(jiàn) 圖 圖 光伏安裝設(shè)計(jì)預(yù)想側(cè)面圖 由式 和 可知 光伏組件每 個(gè)一串 聯(lián) 串并聯(lián) 共 塊光伏組件 該設(shè)計(jì)將 塊 光伏組件分裝在 個(gè)坡屋頂上 每個(gè)坡屋頂安裝 塊光伏電池見(jiàn)圖 太陽(yáng)能控制器的選擇 控制器的作用 整個(gè)光伏供電系統(tǒng)的核心部分是光伏控制 器 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中 太陽(yáng)能電池組件由于輸 出的電流不夠穩(wěn)定 從而需要借助控制器進(jìn)行調(diào) 控 并且控制器還有對(duì)蓄電池進(jìn)行放電 充電智能 管理功能 控制系統(tǒng)是指由控制主體 控制客體 和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系 統(tǒng) 控制系統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù) 定的理想狀態(tài)而實(shí)施的 它的作用主要在于保護(hù) 圖 光伏安裝設(shè)計(jì)預(yù)想俯視圖 第 期 北 方 園 藝 蓄電池 通過(guò)控制電流和電壓 保證流入蓄電池的 電流和電壓的穩(wěn)定 讓蓄電池的充電過(guò)程快速 平 穩(wěn) 高效地進(jìn)行 控制器的選擇 光伏控制器的額定輸入電流取決于電池方陣 的輸入電流 通常控制器的輸入電流高于或等 于電池方陣的輸入電流 控制器的系統(tǒng)電壓與蓄 電池的電壓應(yīng)一致 控制器的輸出電流取決于輸 出負(fù)載的電流 光伏控制器的輸入路數(shù)必須等于 或者大于光伏方陣的輸入路數(shù) 每路輸入的最大 電流 額定電流 輸入路數(shù) 且電池方陣的輸入電 流應(yīng)該等于或者小于控制器的每路的最大電流 根據(jù)上文計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載功率 且該設(shè)計(jì)采用 光伏組件 個(gè)一串聯(lián) 串并聯(lián) 因此控制器的輸 入路數(shù)為 根據(jù)上文可得光伏組件的每路最大總功 率為 每路輸出的最大電流為 因此所選控制器的每路輸入最大電流應(yīng)該大 于 綜上所述 該設(shè)計(jì)的控制器型 號(hào) 為 表 表 控制器相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 額定充電電流 蓄電池額定電壓 最大輸入路數(shù) 單路最大輸入電流 保護(hù)功能 充電過(guò)流 過(guò)壓 直流輸出低壓 使用環(huán)境溫度 市場(chǎng)價(jià)格 元 逆變器的選擇 逆變器是將低壓 或 直流電 轉(zhuǎn)變?yōu)?或者更高伏的電子設(shè)備 逆變器 是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能供給負(fù)載使用的一 種轉(zhuǎn)換裝置 逆變器的種類很多 可以按照不同的 方式進(jìn)行分類 比如按照逆變器輸出交流電的不 同 可分 為 單 相 逆 變 器 三相逆變器和多相逆 變器 由表 和表 可知 農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的 臺(tái)負(fù)壓 風(fēng)機(jī)及 臺(tái)分體熱型落地式房間空調(diào) 的最大 負(fù)載約為 負(fù)載電壓 設(shè)計(jì)電池 輸入電壓為 所以該項(xiàng)目選擇 變 頻轉(zhuǎn)換器逆變器 相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 表 變頻轉(zhuǎn)換器逆變器 型號(hào) 功率 工作方式及原理 精確控制技術(shù)和雙內(nèi)置微處理器 脈寬調(diào)制 輸出電源完全隔離 直流輸入電壓 交流輸出電壓 最大交流輸出電壓 逆變效率 頻率 峰值系數(shù) 價(jià)格 元 試驗(yàn)結(jié)果 農(nóng)業(yè)溫室光伏化升級(jí)改造成本分析 光伏農(nóng)業(yè)溫室預(yù)設(shè)計(jì) 年 該設(shè)計(jì)由 塊 鉛酸蓄電池 塊光伏電池 臺(tái)控制器和 臺(tái)逆 變器組成 由表 可知每塊鉛酸蓄電池的價(jià)格為 元 由表 可知每塊光伏電池為 元 由 表 可知控制器的價(jià)格為 元 由表 可知 逆變器的價(jià)格為 元 故光伏農(nóng)業(yè)溫室成本 預(yù)估 元 光伏發(fā)電裝置運(yùn)營(yíng)測(cè)試 在試運(yùn)行的 年里 位于河南省平頂山市的 該溫室峰值日照時(shí)數(shù) 年均光照天數(shù) 發(fā)電效率參數(shù) 故光伏系統(tǒng)年發(fā)電量 平頂山地區(qū)工業(yè)用電平均價(jià)格在 元左 右 由 式 可 知 光 伏 系 統(tǒng) 的 年 發(fā) 電 量 為 所以光伏溫室的預(yù)計(jì)年收益為 元 光伏農(nóng)業(yè)溫室經(jīng)濟(jì)效益比較 由式 可知 溫室的預(yù)計(jì)年收益 元 所以預(yù)計(jì)成本收回時(shí)間為 北 方 園 藝 月 上 年 由式 可知 光伏農(nóng)業(yè)溫室的預(yù)計(jì)需要 年可收回成本 所以光伏農(nóng)業(yè)溫室可以創(chuàng)造用 電收 益 年 由 式 可 知 年 預(yù) 計(jì) 收 益 為 元 所以預(yù)計(jì)創(chuàng)造收益 元 結(jié)論 光伏化改造的農(nóng)業(yè)溫室可以利用光伏發(fā)電裝 置為溫室系統(tǒng)提供電能 農(nóng)業(yè)溫室預(yù)計(jì) 年 收回成本 使用期限內(nèi)可以累計(jì)創(chuàng)造直接收益 萬(wàn)元 另外在環(huán)保節(jié)能等方面也具有十分重 要的社會(huì)價(jià)值和公益意義 參考文獻(xiàn) 周增產(chǎn) 趙靜 李秀剛 半封閉溫室設(shè)計(jì)與應(yīng)用 北方園 藝 楊月梅 曹艷芳 王森 光伏農(nóng)業(yè)大棚發(fā)電項(xiàng)目對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè) 的影響淺析 能源與節(jié)能 房裕東 黃紹華 秦樹(shù)香 光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析 長(zhǎng)江蔬菜 吳楠 張耀邦 佘煒 光伏發(fā)電 農(nóng)業(yè)解鎖農(nóng)業(yè)發(fā)展新模式 蔬菜 卜 延 寧 光伏現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)狀與分析 農(nóng) 技 服 務(wù) 祁娟霞 曹麗華 李建設(shè) 寧夏不同光伏溫室和大棚冬季內(nèi) 環(huán)境比較研究 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 董微 周增產(chǎn) 卓杰強(qiáng) 光伏低碳溫室設(shè)計(jì)與應(yīng)用 農(nóng)業(yè) 工程 趙爭(zhēng)鳴 孫曉瑛 劉建政 太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用 北 京 科學(xué)出版社 李鐘實(shí) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用 北京 人民郵電出版社 葉林 李建設(shè) 張光弟 寧夏不同光伏材料連棟溫室冬季室 內(nèi)環(huán)境變化規(guī)律 北方園藝 第 期 北 方 園 藝