余 情，楊金明

（華南理工大學電力學院，廣州 510640）

光伏發(fā)電技術在溫室中的應用*

余 情，楊金明?

（華南理工大學電力學院，廣州 510640）

溫室的高能耗有礙于其發(fā)展，引入可再生能源是溫室節(jié)能減排的有效舉措。本文介紹了一種將光伏發(fā)電及控制技術應用于溫室的方法，太陽電池組件直接安裝在溫室室頂，通過與市電并聯(lián)及少量蓄電池配置保證供電可靠性和功率平滑性，并基于無線通信技術實現(xiàn)溫室環(huán)境因子參數(shù)的采集和遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)不但能夠根據(jù)設定目標自動地調節(jié)溫室內部環(huán)境，而且能夠監(jiān)視整個系統(tǒng)的能量流動情況。溫室運行結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足冬季溫室用電，并部分解決夏季溫室用電，大大減少對化石能源的需求，達到節(jié)能減排的效果。

光伏發(fā)電；溫室；監(jiān)控系統(tǒng)；節(jié)能減排

0 引 言

隨著我國農業(yè)技術的不斷發(fā)展，溫室生產技術以其先進的生產模式在我國得到了大規(guī)模普及[1]。溫室生產可以通過人工干預的方式，人為地創(chuàng)造一個適合所培育作物的生長需要的環(huán)境，從而有效地提高土地利用率，改善農業(yè)生態(tài)[2,3]。但是這種精細化的生產模式卻需要耗費大量的能源。據(jù)統(tǒng)計，溫室能耗成本約占溫室生產總費用的30%～40%[4]。在我國北方地區(qū)，每667 m2連棟溫室每年僅供暖耗煤量高達100～200 t[5,6]；南方地區(qū)每667 m2溫室僅夏季降溫耗電量就高達20 000 kW·h[7]。特別是隨著溫室生產向智能化和精準化管理發(fā)展，溫室耗能將進一步加大，成本也逐漸增加[8]。這樣的生產方式違背了當下所提倡的節(jié)能減排政策，嚴重影響了其可持續(xù)發(fā)展。因此，增加可再生能源在溫室中的應用將成為溫室持續(xù)發(fā)展的重要手段。隨著光伏發(fā)電技術的快速發(fā)展和應用，特別是光伏建筑一體化技術的日趨成熟，為太陽能發(fā)電技術引入到溫室生產中打下良好的基礎[9-11]。

本文提出的溫室光伏發(fā)電供能系統(tǒng)采取與市電并聯(lián)運行的方式，以保證供電可靠性。本著光電即發(fā)即用的高效應用原則，只配置了少量蓄電池以抑制功率波動。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用效率，采用了適宜的能量管理策略，并基于開發(fā)的無線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了結合溫室特性要求的光伏發(fā)電運行管理控制和溫室的運行控制。本文提出的溫室光伏發(fā)電供能系統(tǒng)在一個420 m2的溫室中得到了應用，運行結果表明了光伏發(fā)電供能系統(tǒng)及其能量管理系統(tǒng)的有效性，能夠有效地調節(jié)溫室內部環(huán)境，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)解決了溫室大部分用電問題，達到了溫室管理自動化和節(jié)能減排的效果。

圖1 溫室實景圖Fig.1 Picture of greenhouse

圖2 溫室室頂Fig. 2 Roof of greenhouse

1 光伏溫室結構

1.1 溫室建筑結構

溫室為全封閉式玻璃鋼架結構，墻體和部分室頂為透明玻璃，總占地面積420 m2（如圖1）。室頂為多個三角尖頂結構，在室頂南向尖頂斜面直接鋪設太陽電池組件，為了兼顧太陽能光伏發(fā)電和植物栽培日照強度及均勻性要求，采用了電池片間隔布放的雙玻太陽電池組件（圖2），電池組件總鋪設面積為210 m2。

1.2 雙玻太陽電池組件

本應用所采用的雙玻太陽電池組件由中間復合太陽能電池片的兩片鋼化安全玻璃構成，電池片之間由導線串、并聯(lián)匯集引線端的整體構建，單塊組件功率75 W，開路電壓18 V，共鋪設240塊，共18 kW。蓄電池為100 A·h、12 V鉛酸蓄電池，共配置40個。

2 監(jiān)控管理系統(tǒng)

2.1 溫室供電系統(tǒng)

溫室供電系統(tǒng)如圖3所示，24塊串聯(lián)成一路，形成10路輸出，經(jīng)匯流箱匯流后，接入帶與市電自動切換功能的逆變器。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件、控制器、蓄電池和逆變器等組成（圖3）。控制器實現(xiàn)光伏發(fā)電的MPPT和對蓄電池的充放電控制，配備蓄電池是考慮到光伏發(fā)電的變化性和溫室用電的不平衡性。為了保證溫室用電可靠性，采取與市電并聯(lián)運行的工作方式，在光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足且蓄電池荷電狀態(tài)低下時，自動切換到市電供電。

圖3 溫室供電系統(tǒng)Fig. 3 Power supply system for greenhouse

2.2 溫室用電設備

溫室內部需調節(jié)的環(huán)境因子有：溫度、濕度、和光照強度等，配備了空調、噴霧水泵、遮陽網(wǎng)、循環(huán)風機和補光燈等調節(jié)設備。這里采用了空調作為溫度調控設備，以實現(xiàn)植物栽培環(huán)境因子的精確調控。針對廣東地區(qū)主要以降溫為主的氣候特點，為了減少空調降溫電耗，在溫室頂部加裝了淋水降溫設施，該措施除了可直接通過熱傳導和蒸發(fā)降低太陽直射造成的室頂高溫外，還有清潔太陽電池表面和降低因溫升而造成的太陽電池轉換效率的損失效應。溫室電氣設備配置見表1。

表1 溫室電氣設備配置Table 1 Electric devices in greenhouse

2.3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig. 4 Greenhouse monitoring and control system structure

為了實現(xiàn)溫室環(huán)境因子的精確監(jiān)控、保證人身安全以及提高溫室的自動化水平，開發(fā)了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和前端控制系統(tǒng)組成。監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖4所示，各傳感器采集到的有關溫室環(huán)境的信息、光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電量和溫室運行耗電量通過無線通信技術發(fā)送給上位機，上位機通過編寫好的人機交互系統(tǒng)實時顯示和儲存接收到的信息數(shù)據(jù)，并將采集到的變量數(shù)據(jù)發(fā)送給前端控制器PLC，生成相應的指令來控制溫室中的設備動作，從而實現(xiàn)溫室的最優(yōu)化運行。以上各模塊之間都通過ZigBee技術實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸[12]。

3 溫度調節(jié)與能量管理策略

廣州地區(qū)用電負荷主要以夏季空調降溫為主，這里的溫室監(jiān)控與能量管理策略主要針對溫室的溫度調節(jié)過程。溫度控制流程如圖5，為了提高能效，只有在室頂溫度高于50℃時，才開啟水幕水泵進行室外淋水降溫。因太陽輻射能強時，溫室室內溫度高，這時光伏發(fā)電量也大，為光電的即發(fā)即用提供了條件。為了應對太陽能的變化性及保證設備的安全和供電可靠性，采取了以下能量管理措施：

（1）檢測光照強度和蓄電池荷電狀態(tài)；

（2）當光照強度高且蓄電池荷電狀態(tài)高時，直接啟動整個溫度調節(jié)系統(tǒng)；

（3）當光照強度較低且蓄電池荷電狀態(tài)較低時，空調由市電供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)只為溫室中除空調外的小功率設備供電，并為蓄電池充電。

圖5 溫室控制流程圖Fig. 5 Temperature control flow chart

4 實驗結果與效能分析

溫室的栽培對象為高檔花卉，其生長的適宜溫度為15℃～28℃。本文綜合考慮花卉生長和溫室能耗問題，將溫室內部夏季的上限溫度設置在28℃，冬季的下限溫度則為18℃。設計好以上參數(shù)后，從8月開始，讓系統(tǒng)開始運行，系統(tǒng)每小時自動記錄一次相關數(shù)據(jù)。

圖6a為夏季一天24小時溫度變化情況，夏季晴熱高溫，在無降溫措施的情況下，室內一天平均氣溫在35℃左右，最高溫可達44℃，通過降溫調節(jié)以后，室內溫度控制在28℃及以下。圖6b為對應的電量消耗情況，夏季空調電耗較大，光電不能滿足要求，要由市電補充，圖中溫室用電量（1）和溫室用電（2）分別表示只用空調降溫時的溫室用電量和加入屋頂淋水降溫措施后溫室的用電量，第一種情況溫室用電量為135 kW·h，第二種情況溫室用電量為125 kW·h，表明在溫室頂部加裝了淋水降溫設施確實降低了溫室降溫電耗。

圖6 夏季溫室溫度調節(jié)及電耗情況Fig. 6 Temperature regulation and power consumption situation in summer

圖7a為冬季典型天氣下一天24小時溫度變化情況，圖7b為該天光伏發(fā)電量和溫室用電量圖，圖中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電量曲線和溫室用電曲線完全重合，表明溫室用電全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供。

本著光電即發(fā)即用原則，在滿足冬季用電的前提下，解決夏季部分用電量，設計達到了這個要求。

圖7 冬季溫室溫度調節(jié)及電耗情況Fig. 7 Temperature regulation and power consumption situation in winter

圖8為加裝太陽電池前后及采取補光措施后的溫室內光照強度情況，因為在室頂加裝太陽電池后，不能再采用室外遮陽網(wǎng)，太陽直照將影響室內的光照強度。由圖可見，雖然太陽發(fā)電影響了室內的采光，但也在光強超過要求時起到了遮陽作用，結合內遮陽網(wǎng)和補光燈的控制，可以滿足溫室的光照強度要求。補光燈電耗很少，故因太陽電池遮陽產生的不利影響很小。

圖9為光伏發(fā)電系統(tǒng)每月的發(fā)電量，由圖可以看出夏季日照充足，7月的發(fā)電量達到2 803 kW·h，而3月多雨，日照不足，發(fā)電量只有863 kW·h，光伏發(fā)電系統(tǒng)12個月累計發(fā)電量為22 343 kW·h。

圖8 溫室光照強度變化情況Fig. 8 Light intensity changes of greenhouse

5 結 論

將光伏發(fā)電技術引入溫室供能系統(tǒng)后，采用與市電并聯(lián)運行的供電方式，結合適當?shù)墓芾砜刂坪褪彝饬芩却胧?，解決了溫室大部分用電量，有效地解決溫室生產對化石能源的依賴，達到節(jié)能減排的目的。本著即發(fā)即用原則的能量管理策略，以及遠程監(jiān)控的實施方式，提高了光電的應用效率，同時該溫室監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)各環(huán)境因數(shù)的采集和調節(jié)，到達智能高效管理目標。

[1] 齊飛, 周新群, 張躍峰, 等. 世界現(xiàn)代化溫室裝備技術發(fā)展及對中國的啟示[J]. 農業(yè)工程學報, 2008, 10(24): 279-285.

[2] 杜尚豐, 徐立鴻, 馬程偉, 等. 可控環(huán)境生產系統(tǒng)建模、仿真與控制研究進展[J]. 中國科學: 信息科學, 2010, 40(增刊): 54-70.

[3] 李立揚, 王華斌, 白鳳山. 基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 計算機測量與控制, 2012, 20(12): 3148-3150.

[4] 戴劍鋒, 羅紅衛(wèi), 李永秀, 等. 基于小氣候模型的溫室能耗預測系統(tǒng)研究[J]. 中國農業(yè)科學, 2006, 39(11): 2313-2318.

[5] 張亞紅, 陳青云. 中國溫室氣候區(qū)劃及評述[J]. 農業(yè)工程學報, 2006, 22(11): 197-202.

[6] 張亞紅, 陳青云. 中國連棟溫室采暖期的確定及采暖能耗分布[J]. 農業(yè)工程學報, 2006, 22(2): 147-152.

[7] 郭永聰, 付祥釗. 珠江三角洲現(xiàn)代溫室環(huán)境與耗能水平調查與實測[J]. 重慶建筑大學學報, 2006, 28(1): 101-104.

[8] 張猛, 房俊龍, 韓雨. 基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 農業(yè)工程學報, 2013, 29(增刊1): 171-176.

[9] 陳超, 果海鳳, 周瑋. 相變墻體材料在溫室大棚中的實驗研究[J]. 太陽能學報, 2009, 30(3): 287-293.

[10] 馬文生, 郝斌. 光伏建筑一體化相關問題的探討[J].可再生能源, 2011, 29(1): 94-97.

[11] 劉東冉, 陳樹勇, 馬敏, 等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型綜述[J].電網(wǎng)技術, 2011, 35(08): 47-52.

[12] 楊瑋, 呂科, 張棟, 等. 基于 ZigBee 技術的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J]. 農業(yè)工程學報, 2010, 26(3): 198-202.

Application of Photovoltaic Power Generation Technology in Greenhouse

YU Qing, YANG Jin-ming
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The development of greenhouse is limited by its high energy consumption, application of renewable energy in greenhouse is an effective way for energy saving. In this paper, an approach of photovoltaic (PV) power generation and control technology is applied to greenhouse. The PV panels were installed directly on the top of the greenhouse. The PV system generates power for the greenhouse by parallel with the mains and a small amount of batteries were applied to ensure the reliability and smoothness of power supply. Besides, based on the wireless communication technology, a remote monitoring system was developed to acquire the greenhouse environmental factors and demonstrate relative data. The proposed system not only adjusts the environment parameters of greenhouse automatically according to the reference value, but also monitors the energy flow of the entire system. Results show that the system satisfies the needs of power for greenhouse in winter, as well as the partial in summer, thus greatly reducing the need for fossil fuels and achieves the goal of energy saving.

photovoltaic power generation; greenhouse; monitoring system; energy conservation and emissions reduction

TK51

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.002

2095-560X（2015）04-0251-05

余 情（1990-），男，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電及應用研究。

2015-04-11

2015-06-04

國家自然科學基金（51177050）

? 通信作者：楊金明，E-mail：jmyang@scut.edu.cn

楊金明（1962-），男，博士，教授，主要從事新能源發(fā)電及控制技術研究。