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(chǔ)量巨大、清潔環(huán)保、利用經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在化石能源日益減少、枯竭的形勢(shì)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(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中光伏產(chǎn)業(yè)凸顯的焦點(diǎn)。近年來，我國(guó)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(diǎn)課題之一。

日光溫室是我國(guó)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(guó)的西部和北方地區(qū)發(fā)展較快，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶增收致富的一個(gè)重要途徑，也是國(guó)家農(nóng)業(yè)政策扶持的對(duì)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(gè)地區(qū)，冬季氣溫普遍偏低，夜間氣溫劇降，耐寒、經(jīng)濟(jì)價(jià)值低的葉菜類蔬菜勉強(qiáng)越冬，而經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)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(zhǎng)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(jì)社會(huì)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(shí)，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(duì)太陽能光伏技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上應(yīng)用實(shí)例的分析，探討其現(xiàn)存問題，并提出合理化建議和對(duì)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(jì)

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(dú)立供電、并網(wǎng)發(fā)電、混合型發(fā)電三種類型。獨(dú)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(chǔ)于鉛酸蓄電池中。當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽能電池通過充電器對(duì)蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽能電池和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)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(guó)家電網(wǎng)；混合型光伏發(fā)電模式，是在以上兩個(gè)系統(tǒng)之間增加了一套備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)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(jī)后直接供負(fù)載使用或存儲(chǔ)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(fù)載可通過控制逆變一體機(jī)自動(dòng)與市電相連。

2.2 光伏日光溫室的設(shè)計(jì)

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(shì)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(shí)數(shù)2200~3000 h，日照充足，無霜期長(zhǎng)，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(jìn)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(jì)采用獨(dú)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(duì)當(dāng)?shù)毓鉄崃坑?jì)算，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(tái)10進(jìn)2出匯流箱，一臺(tái)220 V200 A太陽能控制器，配置220 V600 Ah蓄電池組一套，以及一臺(tái)DC220 V/AC220/380 V，30 kW獨(dú)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(fù)載供電。

3 光伏日光溫室發(fā)電系統(tǒng)日常運(yùn)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(fù)載包括卷簾機(jī)、照明系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、空調(diào)增溫、換氣降溫風(fēng)機(jī)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(dòng)化的控制系統(tǒng)來完成。其中溫室日常運(yùn)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(dòng)灌溉四個(gè)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(zhǎng)溫度范圍，通過室內(nèi)溫度傳感器進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。當(dāng)室溫低于智能控制系統(tǒng)設(shè)定溫度下限值時(shí)，光伏供電的智能控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟空調(diào)設(shè)備進(jìn)行升溫。當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，采用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(zhǎng)濕度范圍，通過濕度傳感器進(jìn)行自動(dòng)控制，溫室頂端懸掛的霧化微噴來增加環(huán)境濕度，當(dāng)濕度高于設(shè)定值時(shí)，智能控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟溫室頂棚的天窗進(jìn)行通風(fēng)，進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)光照，必要時(shí)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(zhǎng)的光照要求。自動(dòng)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(shí)開啟、閉合電磁閥進(jìn)行精確灌溉。各項(xiàng)用電設(shè)施每天平均用電量達(dá)20 kW·h，光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池通過適時(shí)輸出的電能供給這些負(fù)載的日常運(yùn)行。

4 光伏日光溫室發(fā)展優(yōu)勢(shì)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(guó)光伏行業(yè)發(fā)展迅速并逐漸形成了一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際先進(jìn)水平的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)制造規(guī)模逐年擴(kuò)大。同時(shí)國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電較為重視，相繼出臺(tái)了一系列補(bǔ)貼政策來促進(jìn)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(diǎn)課題之一。

與傳統(tǒng)日光溫室相比，光伏日光溫室有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)，方位是正南偏西5°，東、西、北三面為維護(hù)墻體的南向單坡面架構(gòu)，溫室長(zhǎng)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(shí)承擔(dān)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(yùn)行年限為25年，每年每個(gè)傳統(tǒng)溫室的耗能大約需要6 t標(biāo)準(zhǔn)煤。據(jù)國(guó)家環(huán)保總局公布的節(jié)能減排數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，每燃燒 1 t標(biāo)準(zhǔn)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(jià)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(jià)較高，一次性投入大，與溫室內(nèi)的用電負(fù)載對(duì)接技術(shù)要求高，電壓有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)等成為光伏溫室進(jìn)一步推廣的制約因素。

5 發(fā)展前景

目前，我國(guó)的光伏制造業(yè)發(fā)展速度較快，隨著光伏產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，其制造成本逐漸降低，光轉(zhuǎn)化效率等性能指標(biāo)不斷提高。光伏發(fā)電在逐漸縮小同傳統(tǒng)能源電力競(jìng)爭(zhēng)的差距。根據(jù)我國(guó)地域太陽能光照的特點(diǎn)，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(guó)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(dòng)大型并網(wǎng)光伏電站的建設(shè)，為當(dāng)?shù)販厥姨峁╇娔埽辉谄D苦、貧困的偏遠(yuǎn)高海拔山區(qū)，根據(jù)國(guó)家地方的補(bǔ)貼政策，大力發(fā)展光伏溫室。