馮秀萍　李明輝　田立強(qiáng)

【摘 要】隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，綠色、環(huán)保、節(jié)能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式越來越受到推崇，將太陽能光伏技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚的控制系統(tǒng)不僅解決了溫室大棚部分能源問題，同時又契合節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念。本文結(jié)合太陽能光伏技術(shù)特點(diǎn)，立足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，闡述了在溫室大棚控制系統(tǒng)中應(yīng)用光伏技術(shù)的設(shè)計思路和方案，有利于進(jìn)一步推進(jìn)高效環(huán)保清潔的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚；太陽能光伏技術(shù)；節(jié)能環(huán)保

0.引言

我國的光伏產(chǎn)業(yè)目前仍處在初級階段，但近年來太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅猛，特別是太陽能電池產(chǎn)品已成功進(jìn)入歐洲市場。太陽能光伏技術(shù)也越來越多的應(yīng)用于各個行業(yè)，大到工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防，通信等領(lǐng)域，小至家居生活，光伏技術(shù)無處不在。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中光伏技術(shù)的應(yīng)用還相對較少，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚的能源方式：一是供暖爐，二是電網(wǎng)電能。這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效，環(huán)保節(jié)能的理念，因此將太陽能光伏技術(shù)引入溫室大棚控制系統(tǒng)是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的必由之路。

1.太陽能光伏技術(shù)

目前太陽能發(fā)電主要有兩種形式：一種是光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電，二是光伏發(fā)電（Photovoltaic Generation，PV）。太陽能光伏發(fā)電是通過太陽能電池的福特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能過程。優(yōu)點(diǎn)是不需燃料，無污染，節(jié)能、安全、無噪音、容易獲取。近年來，在太陽能有效利用中太陽能光伏發(fā)電式發(fā)展最快最具活力的一種。

1.1太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)

太陽能是一種環(huán)保清潔的能源，我國的太陽能資源非常豐富，多數(shù)地區(qū)平均日照射量在4kwh/m2以上，西藏地區(qū)可達(dá)7kwh/m2。我國的光伏技術(shù)應(yīng)用還處于初級階段，太陽能主要應(yīng)用于太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能暖房、太陽能發(fā)電，太陽能衛(wèi)星電池，太陽能路燈等。

太陽能光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）普遍性：是指太陽能在地球上隨處都有，沒有地域限制且不用開采運(yùn)輸。

（2）環(huán)保性：是指太陽能無毒，無害，清潔、綠色、環(huán)保，對于環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的中國，是一種寶貴的資源。

（3）充裕性：太陽能每年到達(dá)地球的輻射量非常的充裕，相當(dāng)于130億萬噸煤所產(chǎn)生的能量。

（4）長久性：科學(xué)家根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，太陽能的儲量足夠維持上百十億年，地球的壽命也達(dá)幾十億年，對于地球人來講太陽能的時間是長久的，無限期的。

（5）前瞻性：對于愈來愈枯竭的地球能源，太陽能無疑是最具開發(fā)潛力的綠色環(huán)保能源之一，從能源開發(fā)的意義上來講太陽能的開發(fā)更具有可持續(xù)性和前瞻性。

缺點(diǎn)：

（1）分布零散：太陽能在地球表面每年的輻射量很大，但分布廣，密度小，所以利用率低。

（2）穩(wěn)定性差：太陽能的強(qiáng)弱容易受天氣因素及晝夜交替的影響，所以穩(wěn)定性較差。

（3）轉(zhuǎn)換效率低，應(yīng)用成本高：受材料和技術(shù)水平限制，多數(shù)太陽能產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率低，從而增加了其應(yīng)用的成本，經(jīng)濟(jì)性一直是困擾太陽能普及的重要因素。

1.2太陽能光伏系統(tǒng)性能與組成

每個太陽能基片都是一個光電二極管，光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種形式。而第一個使用的單晶硅光伏電池（Solar Cell），是美國人在1956年研制成功的，從此就有了光伏發(fā)電技術(shù)。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立（離網(wǎng)）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池板，控制器和電能存儲部件及逆變器組成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。而并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，除了上述組件外還必須有并網(wǎng)逆變器與國家電網(wǎng)并網(wǎng)。

（1）獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)如下圖1示：

（2）太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示：

圖2 并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中光伏電池板第一代產(chǎn)品是由硅片為基礎(chǔ)的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為了提高太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率，降低光伏電池生產(chǎn)成本，相繼出現(xiàn)了基于薄膜技術(shù)的第二代光伏電池產(chǎn)品，這種產(chǎn)品使用很薄的光電材料附著在非硅材料的襯底上，降低了生產(chǎn)成本，適合于批量生產(chǎn)；進(jìn)而第三代太陽能電池產(chǎn)品也將問世，它是以先進(jìn)薄膜制造技術(shù)為基礎(chǔ)的理論極限光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)93%。主要有量子點(diǎn)、多層多結(jié)、染料敏化的太陽能電池、有機(jī)聚合物電池、納米電池等。

電能儲存部件主要是指太陽能蓄電池，太陽能蓄電池一般采用鉛酸電池，常用的有DC12V，DC24V，DC48V三種，在微型系統(tǒng)中也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。蓄電池的主要作用是在有光照時將光能由太陽能電池板轉(zhuǎn)換成電能儲存起來，以備使用。

太陽能控制器主要對太陽能基板輸出的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，把調(diào)整后電能分為兩個途徑輸送，一方面直接送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面將剩余能量送往蓄電池組儲存，當(dāng)太陽能基板發(fā)出的電能不能滿足負(fù)載需要時，太陽能控制器便將蓄電池中儲存的電能量送往負(fù)載。

太陽能光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，也稱為DC-AC逆變器。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可將太陽能通過太陽電池轉(zhuǎn)化為DC12V、DC24V、DC48V的直流電能，通過光伏逆變器中的功率變換及控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的110V或220V交流電。太陽能逆變器可分為DC-AC和DC-DC兩種，可將太陽電池性能最大限度地發(fā)揮，并為系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的保護(hù)功能。太陽能并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)與國家電網(wǎng)并網(wǎng)的核心部件。

2.太陽能光伏系統(tǒng)在溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1太陽能光伏技術(shù)在溫室大棚控制系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)計的背景和可行性

日本、美國、荷蘭、以色列等國外農(nóng)業(yè)設(shè)施栽培綜合環(huán)境控制技術(shù)較先進(jìn)的幾個國家， 由于其地理位置、自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)不同， 其發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)也不同。

目前我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。要發(fā)展具有我國特色的溫室自動控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性，必須綜合應(yīng)用各種現(xiàn)代化控制和管理技術(shù)，通過各項(xiàng)設(shè)施的有效運(yùn)作給溫室栽培物創(chuàng)造最適宜的環(huán)境條件，最大限度的減少外界不利環(huán)境和氣候條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響， 獲得作物最佳生長條件， 從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、延長生長季節(jié)的目的。而面對現(xiàn)代社會能源日益枯竭的現(xiàn)實(shí)狀況，開發(fā)利用新型能源已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的基本保障方式之一。

本設(shè)計針對中國北方天氣干旱、日照時間充足的特點(diǎn)，將太陽能光伏技術(shù)引入農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計中，不僅可以解決系統(tǒng)的部分能源問題，而且可以提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色、高效、節(jié)能環(huán)保進(jìn)程。目前我國有些省份已經(jīng)在一些地方率先使用太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如無錫機(jī)場800kW屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工程，鎮(zhèn)江、丹江兩個城市的2個4KW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等。從系統(tǒng)的可行性方面來講，首先，中國是個農(nóng)業(yè)大國，這種新型能源的在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣使用，將會為國家節(jié)省大量的資源；其次，中國的光伏技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，光伏技術(shù)日趨成熟；第三，光伏技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將能有效推動高效環(huán)保現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。第四，溫室大棚多建在光照充足的區(qū)域，屋頂平坦，便于安裝且空間充裕。

2.2光伏技術(shù)在溫室大棚控制系統(tǒng)中的設(shè)計方案

2.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本系統(tǒng)設(shè)計是基于PLC控制的農(nóng)業(yè)溫室大棚控制系統(tǒng)，通過PLC對溫室中作物生長的環(huán)境因子光照、濕度、溫度、CO2濃度等進(jìn)行調(diào)節(jié)和影響，從而達(dá)到不同農(nóng)作物生長所要求的環(huán)境條件。系統(tǒng)的輸入控制因素主要是傳感器所測試的光照、濕度、溫度及CO2濃度，通過系統(tǒng)運(yùn)算驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作（噴淋系統(tǒng)、遮陽網(wǎng)、補(bǔ)溫系統(tǒng)控制、CO2補(bǔ)氣控制、補(bǔ)光燈控制及通風(fēng)系統(tǒng)控制等）來達(dá)到控制的目的。溫室系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示：

2.2.2 溫室能源系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

傳統(tǒng)的溫室設(shè)計系統(tǒng)，所有的電能均由系統(tǒng)電網(wǎng)供給。本設(shè)計將傳統(tǒng)單一的電網(wǎng)能源供給，變?yōu)樘荜柲芄夥⒕W(wǎng)發(fā)電的形式，當(dāng)陽光充足時，系統(tǒng)的電能有光伏發(fā)電系統(tǒng)供給，當(dāng)夜晚、陰天光照不充足時，電網(wǎng)中的電能通過并網(wǎng)逆變器和控制器自動補(bǔ)給系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計擬用太陽能電池板、太陽能控制器和并網(wǎng)逆變器組成并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)逆變器同時兼有控制器和系統(tǒng)保護(hù)的功能。因?yàn)椴⒕W(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池幾乎不用，所以系統(tǒng)沒有選用蓄電池。設(shè)計思路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4 溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光照充足時光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能充足，逆變器自動給溫室控制系統(tǒng)PLC及上位機(jī)、溫室系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)（溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器等）、溫室系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（遮陽簾、天窗、風(fēng)扇、補(bǔ)光系統(tǒng)等）提供電能，因?yàn)橄到y(tǒng)是按照所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時工作時的最大功率設(shè)計的，在同一時刻不是所有機(jī)構(gòu)都同時工作，此時多余的電能由并網(wǎng)逆變器送給輸電網(wǎng)；當(dāng)光照不充足時，并網(wǎng)逆變器自動轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)將從電網(wǎng)中使用電能，此時轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電狀態(tài)。

3.結(jié)論

經(jīng)過對北京農(nóng)業(yè)科技學(xué)院的農(nóng)業(yè)科技園和西北農(nóng)林科技大學(xué)新天地設(shè)施農(nóng)業(yè)開發(fā)有新公司的農(nóng)業(yè)科技園的參觀考察，獲悉這些大棚系統(tǒng)設(shè)計均采用現(xiàn)代化先進(jìn)的控制技術(shù)，設(shè)計理念新，工藝成熟，能源多采用輸電網(wǎng)供給模式，設(shè)計中均未將光伏技術(shù)引入農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)中，其中最大的原因是成本太高。近年來，我國太陽能電池生產(chǎn)日趨成熟，二代、三代產(chǎn)品的相繼問世，是太陽能電池的生產(chǎn)成本大大降低，但控制器和逆變器的生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，要實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)換率，控制器和逆變器仍主要依靠進(jìn)口。經(jīng)過對國內(nèi)外溫室控制系統(tǒng)研究分析，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效清潔的理念，本設(shè)計有利于推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對清潔、環(huán)保能源的開發(fā)和利用，符合綠色、高效農(nóng)業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)理念。光伏太陽能技術(shù)以其永久性、清潔性和普遍性，必將成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必由之路。

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