光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探

<p>第 卷第 期年 月西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ） （） 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間 ： ： ：網(wǎng)絡(luò)出版地址 ：光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探收稿日期 基金項(xiàng)目 國(guó)家 “十二五 ”科技支撐項(xiàng)目 （）；公益性行業(yè) （農(nóng)業(yè) ）科研專項(xiàng) （）作者簡(jiǎn)介 趙雪 （），女 ，吉林白山人 ，碩士 ，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源研究 。：通信作者 鄒志榮 （），男 ，陜西延安人 ，教授 ，博士生導(dǎo)師 ，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)研究 。：趙雪，鄒志榮，（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北地區(qū)設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，園藝學(xué)院，陜西 楊凌）摘要 【目的 】探究冬季光伏日光溫室發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電效果 ，為光伏日光溫室的設(shè)計(jì)提供參考 ?！痉椒?】以陜西楊凌地區(qū) 光伏日光溫室為研究對(duì)象 ，詳細(xì)介紹了其室內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成 ，利用 語(yǔ)言編制發(fā)電量監(jiān)測(cè)軟件監(jiān)測(cè)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量 ，采用太陽(yáng)總輻射采集儀獲取溫室外太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù) ，并運(yùn)用 軟件分析了室外太陽(yáng)總輻射與系統(tǒng)發(fā)電量的相關(guān)性 。【結(jié)果 】光伏發(fā)電系統(tǒng)在 月份的發(fā)電功率為 ；系統(tǒng)日發(fā)電量最大值為 ·，最小值為 ·；系統(tǒng)發(fā)電量與室外太陽(yáng)總輻射呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系 ，且晴天的相關(guān)性系數(shù)大于陰天 ?！窘Y(jié)論 】光伏發(fā)電系統(tǒng)可為面積為 的日光溫室環(huán)境調(diào)控提供電力保證 ，同時(shí)本研究還為光伏日光溫室發(fā)電量的計(jì)算提供了理論計(jì)算公式 。關(guān)鍵詞 日光溫室 ；光伏發(fā)電 ；發(fā)電量 ；太陽(yáng)總輻射 ；冬季中圖分類號(hào) ；文獻(xiàn)標(biāo)志碼 文章編號(hào) （） ， ，（ ， ， ， ， ，）：【】 【】 【】 · · ， 【】 ： ； ； ； ；日光溫室是具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室結(jié)構(gòu)形式 ，在我國(guó)北方地區(qū)得到了大面積的推廣和應(yīng)用 。近年來(lái) ，隨著 “節(jié)能減排 ”概念的深入人心 ，如何減少大面積日光溫室對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴也逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn) 。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開始考慮將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中 ，即在不影響溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的同時(shí) ，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)為溫室提供自身設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電力 ，從節(jié)能減排 、保護(hù)環(huán)境 、綠色低碳角度來(lái)看 ，該研究具有十分深遠(yuǎn)的意義 。國(guó)外已有利用太陽(yáng)能電池板為溫室環(huán)境調(diào)控提供所需電力的相關(guān)研究報(bào)告，然而國(guó)內(nèi)的研究則多停留在理論與展望階段，關(guān)于日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電效果的文章更是鮮有報(bào)道 。為此 ，本試驗(yàn)以光伏日光溫室為研究對(duì)象 ，對(duì)冬季光伏發(fā)電系統(tǒng)在日光溫室中的實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析 ，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)電量與室外太陽(yáng)輻射之間的相關(guān)性進(jìn)行了探討 ，以期為今后我國(guó)光伏日光溫室產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供借鑒 。 光伏日光溫室的結(jié)構(gòu)供試光伏日光溫室內(nèi)外結(jié)構(gòu)如圖所示 。該溫室位于陜西省楊凌國(guó)家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)（°，°），該區(qū)年平均氣溫，年極端最高氣溫，年極端最低氣溫；年平均日照時(shí)數(shù)為 ，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候 。圖 光伏日光溫室室內(nèi)外圖 溫室長(zhǎng)，跨度，脊高，后墻高，墻體結(jié)構(gòu)為多孔磚 ，外側(cè)采用厚聚苯板 ，外加厚彩鋼板覆蓋外側(cè)作為保溫結(jié)構(gòu) 。前屋面由非晶硅電池組件 、陽(yáng)光板和塑料薄膜種材料構(gòu)成 。陽(yáng)光板與非晶硅電池組件構(gòu)成傾角為°的傾斜平面 ，該平面包含列非晶硅電池組件 ，每列長(zhǎng)，寬，自西向東每列組件與陽(yáng)光板分別以，比例間隔 ，其余部分均采用陽(yáng)光板覆蓋 。該傾斜平面底部至溫室屋面底角之間采用塑料薄膜覆蓋 。保溫被材料為針刺氈 。 光伏發(fā)電系統(tǒng)與測(cè)試項(xiàng)目 光伏發(fā)電系統(tǒng)本日光溫室中的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖所示 。其工作原理是 ：非晶硅電池組件吸收太陽(yáng)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 。蓄電池中存儲(chǔ)的電能則可供溫室夜間或陰雨天使用 。若蓄電池中電能供應(yīng)不足 ，則負(fù)載可通過(guò)控制逆變一體機(jī)自動(dòng)與市電相連接 。光伏日光溫室負(fù)載包括溫室的卷簾機(jī) 、電動(dòng)開窗 、照明系統(tǒng) 、水肥一體化機(jī) 、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等部分 。 光伏組件陣列設(shè)計(jì)日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí) ，選擇具有良好透光性和弱光效果的非晶硅電池組件構(gòu)成光伏陣列 。該陣列中組件以串并聯(lián)方式連接 ，以滿足蓄電池充電的工作電壓 。本系統(tǒng)中包含塊非晶硅電池組件 ，塊組件串聯(lián)組 ，組并聯(lián) ，整個(gè)系統(tǒng)功率為。其中非晶硅電池組件規(guī)格為 × ，峰值功率為，峰值電壓為，峰值電流為。 蓄電池蓄電池是最常見的儲(chǔ)能裝置 ，通過(guò)充電將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存 ，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來(lái) 。本研究中光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自給天數(shù)為，包含只的深循環(huán)膠體免維護(hù)蓄電池 ，以串聯(lián)方式連接 ，放電深度為。 控制逆變一體機(jī)光伏發(fā)電系統(tǒng)除組件與蓄電池之外 ，還包括控制器 、逆變器 、匯流箱等部件 ?？刂破魇菍?duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的設(shè)備 ；逆變器是西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ） 第 卷將系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化成可供交流負(fù)載使用的儀器 ；匯流箱則是將光伏組件所發(fā)電量匯集在一起的裝置 。圖 日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖 本發(fā)電系統(tǒng)容量較小 ，選擇集控制器和逆變器功能為一體的控制逆變一體機(jī) 。系統(tǒng)蓄電池充電電壓為，逆變輸出電壓為，通過(guò)該裝置可避免因相位分配不均衡而造成的不平衡負(fù)載 ?？刂颇孀円惑w機(jī)參數(shù)為額定容量，額定電壓，額定電流，欠壓保護(hù)點(diǎn)。 測(cè)試項(xiàng)目 發(fā)電量測(cè)試系統(tǒng)發(fā)電量根據(jù)充電電壓 、充電電流及時(shí)間計(jì)算而來(lái) 。系統(tǒng)發(fā)電量監(jiān)測(cè)軟件是在操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境下 ，利用語(yǔ)言編程以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具實(shí)現(xiàn)開發(fā)設(shè)計(jì)的 ，軟件界面如圖所示 。圖 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件界面 太陽(yáng)輻射測(cè)試太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)采集儀由河北鼎睿電子產(chǎn)品銷售有限公司生產(chǎn)制造 ，設(shè)置采集時(shí)間間隔為，精度。輻射傳感器放置于溫室室外高度處 ，測(cè)試時(shí)間為至。 結(jié)果與分析 冬季光伏日光溫室的發(fā)電量選取光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 ，結(jié)果如表所示 。受施工和天氣影響 ，軟件監(jiān)測(cè)結(jié)果中只有完整數(shù)據(jù) ，其中日發(fā)電量最大值可達(dá)到·，而最小值僅有·；軟件記錄的月份系統(tǒng)發(fā)電總量為·，發(fā)電時(shí)間為，月份實(shí)際發(fā)電總量與發(fā)電時(shí)間均應(yīng)大于軟件記錄值 ，且經(jīng)計(jì)算可知該系統(tǒng)中每千瓦非晶硅電池組件每小時(shí)的發(fā)電量為·。 典型天氣下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性由氣象局發(fā)布的氣象資料可知 ，為晴天 ，為雨雪天 ，即陰天 ，根據(jù)這天的系統(tǒng)發(fā)電量和太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù) ，分析典型天氣條件下系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性 。典型天氣即晴天和陰天條件下系統(tǒng)發(fā)電量和太陽(yáng)總輻射的變化如圖所示 。由圖可以看出 ，日光溫室光伏發(fā)電系統(tǒng)晴天的發(fā)電量明顯大于陰天 ，其中晴天最大發(fā)電量可達(dá)·，而 陰 天 最 大 發(fā) 電 量 僅 有·。這是因?yàn)榍缣焯?yáng)總輻射遠(yuǎn)大于陰天 ，其中晴天太陽(yáng)總輻射最大值為，而陰天最大值僅有，這反而說(shuō)明非晶硅電池組件具有良好的弱光效應(yīng) 。本研究還分析了該系統(tǒng)在典型天氣條件下的發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)性 ，若以表示光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量 ，表示太陽(yáng)總輻射 ，則在晴天 ，樣本容量，擬合得，；在第 期 趙雪 ，等 ：光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探陰天 ，樣本容量，可得，。說(shuō)明在典型天氣條件下 ，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)關(guān)系 ，且晴天的相關(guān)性明顯優(yōu)于陰天 。表 日光溫室室外太陽(yáng)輻射和光伏系統(tǒng)的發(fā)電狀況 日期天氣發(fā)電量 （·）發(fā)電時(shí)間 總輻射 （·） 平均值 最大值 備注 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 斷電 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 斷電 陰 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 斷電 陰 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 斷電 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 陰 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 斷電 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 雨雪 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 小雪 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 晚開 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 停止 晴 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 停止 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 過(guò)壓 陰 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 暫停 陰 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 晚開 多云 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 正常 圖 晴天和陰天典型天氣條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的變化太陽(yáng)總輻射 ；發(fā)電量 ； 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ） 第 卷 討論）本試驗(yàn)中非晶硅薄膜電池組件的安裝傾角依據(jù)日光溫室的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為°，但是根據(jù)光伏領(lǐng)域的有關(guān)研究成果可知 ，西安地區(qū)合適的光伏組件的安裝角度為°，這說(shuō)明光伏日光溫室的發(fā)電量還有較大的提升空間 ，因此下一步有必要構(gòu)建光伏日光溫室模型 ，結(jié)合日光溫室本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ，設(shè)計(jì)出不同地區(qū)日光溫室前屋面光伏組件的合理傾角 。）由于在冬季最寒冷的月份 ，光伏日光溫室內(nèi)并未定植作物 ，因此本研究并未獲取植物生長(zhǎng)狀況的相關(guān)數(shù)據(jù) ，這有待下一步的繼續(xù)研究 。）光伏日光溫室在結(jié)構(gòu)上還存有幾個(gè)亟需改進(jìn)的問(wèn)題 ：非晶硅薄膜電池組件外層結(jié)構(gòu)是鋼化玻璃 ，相對(duì)于普通塑料薄膜日光溫室 ，前屋面鋪設(shè)一定比例非晶硅薄膜組件的光伏日光溫室對(duì)鋼骨架的要求更高 ，規(guī)格不夠的鋼結(jié)構(gòu)不足以承受光伏組件的自重 ，也會(huì)在卷簾機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)組件形成壓迫 ，造成組件破碎 。鋼結(jié)構(gòu)也是目前非晶硅薄膜日光溫室建設(shè)成本居高不下的主要原因之一 ，經(jīng)濟(jì)安全的室內(nèi)骨架結(jié)構(gòu)是目前光伏溫室亟待解決的技術(shù)難題 。卷簾機(jī)對(duì)日光溫室保溫起著非常重要的作用 。在考慮到非晶硅電池組件材質(zhì)和日光溫室前屋面形狀等因素之后 ，本研究中光伏日光溫室卷簾機(jī)選擇了側(cè)置擺桿式安裝 。然而在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中 ，卷簾機(jī)出現(xiàn)過(guò)卷簾桿扭斷現(xiàn)象 ，這是由于光伏日光溫室前屋面為傾斜平面 ，與傳統(tǒng)曲線屋面相比 ，棉被在運(yùn)行過(guò)程中摩擦力較小 ，從而造成了卷簾桿與卷簾機(jī)組的轉(zhuǎn)速不同步 。因此在卷簾機(jī)選型時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加卷簾機(jī)的功率和卷簾桿的壁厚 。另外 ，卷簾機(jī)管理時(shí)要特別注意連續(xù)雨雪天氣 ，浸濕后的保溫被會(huì)加重卷簾機(jī)荷載 ，容易造成卷簾機(jī)故障 。日光溫室前屋面不同覆蓋材料之間的密封技術(shù)尚不成熟 。雨天時(shí) ，水滴會(huì)通過(guò)傾斜平面與塑料薄膜搭接處的縫隙流入溫室內(nèi) ，從而給溫室管理帶來(lái)不便 。 結(jié)論本研究以楊凌地區(qū)光伏日光溫室為例 ，詳細(xì)介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備組成 ，并對(duì)系統(tǒng)在冬季月份的發(fā)電效果進(jìn)行了初步分析 ，得出以下結(jié)論 ：）根據(jù)光伏系統(tǒng)發(fā)電量監(jiān)測(cè)軟件月份的記錄結(jié)果 ，有完整數(shù)據(jù)記錄的發(fā)電總量為·，發(fā)電時(shí)間為，說(shuō)明非晶硅電池組件的發(fā)電功率為。晴天日發(fā)電量最大值可達(dá)·，可滿足光伏日光溫室中卷簾機(jī) 、電動(dòng)開窗以及照明系統(tǒng)等設(shè)備的用電需求 。）無(wú)論典型晴天還是陰天 ，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出的電能均與太陽(yáng)輻射呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系 。其中晴天光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與太陽(yáng)總輻射的相關(guān)關(guān)系回歸方程為，相關(guān)系數(shù)，這為光伏日光溫室發(fā)電量的設(shè)計(jì)提供了理論計(jì)算公式 。參考文獻(xiàn) ， ，（）： ， ， ， ，（）：楊金煥 ，于化叢 ，葛亮 太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù) 北京 ：電子工業(yè)出版社 ， ， ， ： ，（ ） ， ， ， ，（）： ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）：袁明利 ，羅小林 溫室供電系統(tǒng)研究 農(nóng)機(jī)化研究 ，（）：第 期 趙雪 ，等 ：光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探 ， ，（）：（ ）鮑順淑 ，楊其長(zhǎng) ，聞婧 ，等 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在植物工廠中的應(yīng)用初探 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）魏曉明 ，周長(zhǎng)吉 ，丁小明 ，等 光伏發(fā)電溫室的現(xiàn)狀及技術(shù)前景研究 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 重慶 ：西南大學(xué)出版社 ，： ， ， ， ： ，：（ ）（上接第頁(yè)） ， ， ， （× ） ，： ， ， ， （） ，： ， ， ， × ，（）：肖棟 ，侯喜林 ，馬景蕃 ，等 不結(jié)球白菜 逆轉(zhuǎn)座子序列的克隆及表達(dá) 西北植物學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：（ ） ， ， ，： ， ， ， （ ） ，： ， ， ， ，： ， ， ， ，： ， ， ， ，： ， ， ， ，（）： ， ： ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ，： ， ，è ， ， ，：西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ） 第 卷</p>