福建師范大學福清分校電子與信息工程學院 黃志勇福建省東南保安守押有限公司 林 碩

基于光伏發(fā)電技術(shù)的高效節(jié)能鰻魚養(yǎng)殖系統(tǒng)

福建師范大學福清分校電子與信息工程學院 黃志勇
福建省東南保安守押有限公司 林 碩

本系統(tǒng)采用光伏發(fā)電技術(shù)為鰻魚養(yǎng)殖場提供清潔能源,根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境的需要選用合適的光伏組件，降低光伏系統(tǒng)的逆變轉(zhuǎn)換損耗，提高節(jié)能效果;系統(tǒng)通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)，利用自動控制系統(tǒng)調(diào)整養(yǎng)殖環(huán)境，保證鰻魚生活在適合的養(yǎng)殖環(huán)境，實現(xiàn)對養(yǎng)殖畝產(chǎn)的提高。

鰻魚養(yǎng)殖；光伏發(fā)電；農(nóng)業(yè)光伏；變頻逆變器；PLC技術(shù)

1.本系統(tǒng)的科學依據(jù)和意義

1.1 科學意義和應(yīng)用前景

福建省福清市是享譽國內(nèi)外的著名僑鄉(xiāng)，勇于拼搏的福清人最早了解到日本的烤鰻飲食文化，并引進技術(shù)進行淡水鰻魚的養(yǎng)殖和烤鰻深加工，逐漸形成了養(yǎng)殖、加工、出口為一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)淡水鰻魚養(yǎng)殖主要分為：露天止水式養(yǎng)殖、溫室止水式養(yǎng)殖、溫室流水式養(yǎng)殖、加溫循環(huán)過濾式養(yǎng)殖。其中應(yīng)用較廣的主要為露天止水式養(yǎng)殖（廣東省的大部分養(yǎng)鰻場屬于這種類型），和溫室止水式養(yǎng)殖（福建省福清市大部分養(yǎng)鰻場屬于這種類型）。

本研究項目主要依據(jù)福清市鰻魚養(yǎng)殖行業(yè)所采用的溫室止水式養(yǎng)殖特點，利用光伏發(fā)電、光伏建筑一體化、農(nóng)業(yè)光伏應(yīng)用、變頻逆變器、智能化控制等技術(shù)手段，采用電子信息技術(shù)方法對養(yǎng)殖水體環(huán)境進行實時監(jiān)測，并利用太陽能新能源降低鰻魚場養(yǎng)殖能耗成本，降低能源消耗及環(huán)境污染，服務(wù)地方經(jīng)濟社會發(fā)展、轉(zhuǎn)變養(yǎng)殖行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展方式具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 系統(tǒng)研究特色和創(chuàng)新之處

福清當?shù)氐臏厥抑顾金B(yǎng)殖，主要是用機井抽取深井水（深井水夏季水溫低于地表水，冬季水溫高于地表水），冬季以燒煤鍋爐加熱或者利用工廠余熱水進行溫水養(yǎng)殖。并通過搭建鋼結(jié)構(gòu)溫室大棚和水泥養(yǎng)殖池，人工控制養(yǎng)殖環(huán)境使鰻魚處在最佳溫度、溶氧量、HP值環(huán)境中。其缺點是：養(yǎng)殖基礎(chǔ)設(shè)施落后、養(yǎng)殖密度高、管理水平差、養(yǎng)殖水體水質(zhì)難以保證，要定期徹底換水、經(jīng)常注水或換池清洗等，而依賴機井抽水需要消耗大量的傳統(tǒng)能源；水體加溫使用的燒煤鍋爐產(chǎn)生不少廢氣污染環(huán)境，養(yǎng)殖成本高。本課題從福清市地方特色農(nóng)業(yè)--淡水鰻魚養(yǎng)殖行業(yè)作為切入點，通過對光伏系統(tǒng)逆變、變頻水泵、光伏建筑一體化、物聯(lián)網(wǎng)自動采集控制等方向的研究，提高鰻魚養(yǎng)殖場環(huán)境控制能力，提高成鰻成活率和畝產(chǎn)、降低單位畝產(chǎn)能源消耗，是具有鮮明地方特色的應(yīng)用型研究。

2.本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

系統(tǒng)通過實驗數(shù)據(jù)對比研究不同光伏組件（多/單晶硅、硅基/銅銦鎵硒薄膜）的光電轉(zhuǎn)化效率、弱光性能、透光性能、電氣性能，根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)境的需要選用合適的光伏組件。研究與光伏太陽能組件所配套的三相交流變頻逆變器、控制器，使其同時具有最大功率點跟蹤（MPPT）和變頻驅(qū)動模式（VFD），提高響應(yīng)速度解決傳統(tǒng)MPPT方法在日照強度快速變化時跟蹤效果差、運行不穩(wěn)定甚至造成水錘危害的問題。通過系統(tǒng)研究，使養(yǎng)殖場設(shè)備具有防雷、過壓、欠壓、過流、過載等保護功能。同時智能控制系統(tǒng)配套水位、水質(zhì)含氧量、水溫等采集傳感器，提高整體系統(tǒng)智能化水平和易用性。

2.1 系統(tǒng)框圖

本課題的研究充分借鑒國內(nèi)知名高校學者對光伏太陽能、物聯(lián)網(wǎng)自動控制、建筑光伏一體化等領(lǐng)域的研究成果，走訪相關(guān)養(yǎng)殖企業(yè)進行詳細的需求分析，根據(jù)功能需求逐個單元、逐個層次分步驟進行設(shè)計實現(xiàn)、并通過實驗方案進行驗證，最終將各個單元整合到一起從而完成系統(tǒng)的研究，并將整個系統(tǒng)劃分為不同的結(jié)構(gòu)單元和層次（如圖2-1所示）。

2.2 光伏發(fā)電模塊

（1）根據(jù)課題研究主要針對的鰻魚養(yǎng)殖行業(yè)，現(xiàn)有設(shè)施落后的特點，結(jié)合我們在電子信息、自動控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計上的科研優(yōu)勢，初步設(shè)計了如圖2-2所示的節(jié)能溫室功能及結(jié)構(gòu)樣式。

圖2 -1 光伏及控制系統(tǒng)圖

圖2 -2 養(yǎng)殖場溫室智能光伏節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計圖

（2）根據(jù)鰻魚養(yǎng)殖場目前的養(yǎng)殖規(guī)模主要集中在15-30畝，項目組設(shè)計40KW/50KW/60KW三個功率模型（企業(yè)化生產(chǎn)化模式），并初步配置了系統(tǒng)材料清單如圖2-3所示：

圖2 -3 系統(tǒng)材料清單

2.3 智能控制模塊

自動控制系統(tǒng)選用臺達系列SS-11R系列PLC、DOP-B075系列7寸觸控彩屏、溫度模塊DBP-04PT、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊DBP-04AD、溫度傳感器PT100等組成結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。

圖2 -4 自動控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

3.系統(tǒng)測試與總結(jié)

測試模型選用63瓦硅基薄膜雙玻組件，大棚使用文洛式玻璃溫室結(jié)構(gòu)，尖頂南坡100%覆蓋率布置光伏組件，尖頂北坡覆蓋普通陽光板或鋼化玻璃，用于采光及開窗透氣。測試養(yǎng)殖場占地面積20畝，光伏裝機容量50Kw，具體組件擺布如下圖所示，為了考察本次設(shè)計的光伏節(jié)能養(yǎng)殖溫室的節(jié)能效果，我們分別對溫室的光伏發(fā)電量和溫室對養(yǎng)殖環(huán)境的保溫效果進行了實驗。

圖3 -1 光伏溫室組件擺布圖

3.1 發(fā)電量計算

項目當?shù)卣?0度平面，年均日照輻射量為1330kW/m2，方案系統(tǒng)效率按0.78進行計算。項目發(fā)電量如下表所示：

年發(fā)電量（度）＝總功率（千瓦）×輻射量（查表）×系統(tǒng)效率（固定為0.78）

圖3 -2 福建省各地市太陽能輻射量（美國航天局nasa值查詢）

發(fā)電量計算系統(tǒng)直流總功率（kWp）年太陽總輻射量（kwh/m2）光伏系統(tǒng)發(fā)電效率年均發(fā)電量（kwh）25年總發(fā)電量（萬度）50.00 1330 0.78 51870 152.25

3.2 光伏養(yǎng)殖環(huán)境的保溫節(jié)能效果

由于光伏節(jié)能養(yǎng)殖溫室在結(jié)構(gòu)上采用了文洛式玻璃溫室結(jié)構(gòu)，在控制上采用了傳感器-PLC控制器-控制單元（風機、濕簾、遮陽、增氧等）組成的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)。夏季主要通過負壓風機和濕簾降溫系統(tǒng)控制養(yǎng)殖環(huán)境的溫度，冬季主要通過通風和遮陽系統(tǒng)控制養(yǎng)殖環(huán)境的溫度，可以有效將養(yǎng)殖環(huán)境控制在最適合鰻魚生長的狀態(tài)，降低溫室內(nèi)環(huán)境對外部熱源特別是燒煤鍋爐的依賴，降低了養(yǎng)殖溫室能耗水平。

季節(jié)傳感器采集溫度變化控制變量1控制變量2控制變量3控制變了4控制結(jié)果夏季過高風機打開濕簾打開遮陽打開開窗關(guān)閉溫度降低夏季過低風機關(guān)閉濕簾關(guān)閉遮陽關(guān)閉開窗關(guān)閉溫度提高冬季過高風機關(guān)閉濕簾關(guān)閉遮陽打開開窗打開溫度降低冬季過低風機關(guān)閉濕簾關(guān)閉遮陽關(guān)閉開窗關(guān)閉溫度提高

圖3 -3 室內(nèi)外空氣溫度測試結(jié)果（冬季11月）

圖3-4 室內(nèi)外水體溫度 測試結(jié)果（冬季11月）

由于溫室止水式鰻魚養(yǎng)殖的養(yǎng)殖密度較大，對養(yǎng)殖環(huán)境特別是水體的溫度、溶氧量、氨氮濃度等要求很高，一般不采用地表水源，機井抽水后注入養(yǎng)殖池，通過光伏節(jié)能溫室的冬季保溫、夏季降溫效果，保持水體環(huán)境的相對恒定。室外建設(shè)的雜魚池，既可以對鰻魚養(yǎng)殖過程中無法完全利用的飼料進行二次利用，還可以作為養(yǎng)殖環(huán)境干預對比的樣本，通過長期的比較實驗建立和完善智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。

黃志勇（1988－），男，福建泉州人，講師，碩士，工作單位：福建師范大學福清分校電子與信息工程學院，主要從事電子信息、計算機網(wǎng)絡(luò)等方向的教學與研究。

2016年福建省教育廳中青年教師教育科研項目（編號：JAT160565）。

林碩（1986－），男，福建福州人，助理工程師，大學學歷，工作單位：福建東南保安守押有限公司，主要從事自動化控制、信息化安全保衛(wèi)等方向的研究。