光伏日光温室在设施农业中的发展前景分析

王新生

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

1 引言

太阳能作为一种可再生能源，与传统能源（煤、石油、天然气）相比，具有储量巨大、清洁环保、利用经济等诸多优点。在化石能源日益减少、枯竭的形势下，逐渐受到人们的关注，而且太阳能光伏发电技术的应用及发展也是当前世界经济贸易中光伏产业凸显的焦点。近年来，我国太阳能光伏产业发展迅猛，光伏技术与设施农业技术的结合，是诸多学者研究的热点课题之一。

日光温室是我国现代化设施农业典型的建筑结构形式，在我国的西部和北方地区发展较快，是当地农户增收致富的一个重要途径，也是国家农业政策扶持的对象，近年来日光温室得到了大面积的推广应用。在以上两个地区，冬季气温普遍偏低，夜间气温剧降，耐寒、经济价值低的叶菜类蔬菜勉强越冬，而经济价值相对较高的黄瓜、西红柿类蔬菜，依靠日光温室内的夜间气温无法满足作物生长要求。目前，大部分日光温室冬季主要依靠传统的煤、电供暖来解决温室作物越冬的难题。随着经济社会发展，现代农业绿色低碳、节能环保、可持续发展的要求，光伏发电技术的日趋成熟、可靠，光伏成本不断下降，依靠太阳能光伏系统的供电来满足日光温室的用电需求变为现实，从而降低了一次性能源的消耗，发展了绿色农业。迄今为止，这方面的研究多停留在理论研究阶段，下文通过对太阳能光伏技术在设施农业上应用实例的分析，探讨其现存问题，并提出合理化建议和对策，以期为今后光伏日光温室的发展提供借鉴。

2 基于设施农业的太阳能光伏发电模式设计

2.1 太阳能光伏发电模式及日光温室工作原理

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电系统一般是由光伏组件（太阳能电池板）、太阳能控制器、逆变器和蓄电池组成。目前，根据用户用电不同目的需求，太阳能光伏发电模式一般分为独立供电、并网发电、混合型发电三种类型。独立供电模式由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成，太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转化为直流形式的电能并存储于铅酸蓄电池中。当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电，当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电；并网发电模式太阳能转化为电能后直接输入国家电网；混合型光伏发电模式，是在以上两个系统之间增加了一套备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电。

光伏日光温室发电工作原理：晶硅电池组件吸收太阳能辐射产生电能，经控制逆变一体机后直接供负载使用或存储于蓄电池中，供日光温室的用电需要，若蓄电池中电能供应不足，则负载可通过控制逆变一体机自动与市电相连。

2.2 光伏日光温室的设计

供试太阳能光伏发电日光温室位于太原市小店区西温庄乡，该基地占地面积近8 hm2，地势开阔，周围无大型建筑物遮挡，地处中纬度，属温带季风性气候。全省太阳辐射总量4900 MJ/m2，日照时数2200~3000 h，日照充足，无霜期长，年均气温9.5℃，光热资源比较丰富，具备太阳能光伏发电的要求，适宜进行太阳能光伏技术的开发研究。

光伏日光温室发电系统设计采用独立供电系统，光伏组件采用阵列形式太阳能电池板共160块，采用8串20并，总容量30 kW，放置于温室前的空地上。经对当地光热量计算，以最佳倾角35°安装，支架均采用镀锌钢材。太阳能电池组件接入两台10进2出汇流箱，一台220 V200 A太阳能控制器，配置220 V600 Ah蓄电池组一套，以及一台DC220 V/AC220/380 V，30 kW独立逆变器，以上配套全部组建位于日光温室控制室中，交流输出接入配电箱后向负载供电。

3 光伏日光温室发电系统日常运行

供试节水示范基地日光温室内的设备主要采用智能控制技术，主要用电负载包括卷帘机、照明系统、智能灌溉系统、空调增温、换气降温风机等。日光温室温度、湿度、灌溉、光照、降温等调节主要依靠自动化的控制系统来完成。其中温室日常运行中主要包括温度调节、湿度调节、光照调节和自动灌溉四个环节。温度调节根据设定的温室作物的最佳生长温度范围，通过室内温度传感器进行跟踪监测。当室温低于智能控制系统设定温度下限值时，光伏供电的智能控制系统自动开启空调设备进行升温。当温度高于设定值时，采用风机系统进行降温。湿度调节根据设定的温室作物的最佳生长湿度范围，通过湿度传感器进行自动控制，温室顶端悬挂的雾化微喷来增加环境湿度，当湿度高于设定值时，智能控制系统自动开启温室顶棚的天窗进行通风，进行室内外的空气流通、交换。光照调节根据智能控制系统设定的光照值，利用温室外部遮阳网的闭合进行调节光照，必要时在温室内安装一定数量的LED灯，由光伏系统满足作物生长的光照要求。自动灌溉主要是智能控制系统通过土壤湿度传感器反馈的土壤湿度状况，依据系统设定的土壤湿度控制范围，及时开启、闭合电磁阀进行精确灌溉。各项用电设施每天平均用电量达20 kW·h，光伏发电系统的蓄电池通过适时输出的电能供给这些负载的日常运行。

4 光伏日光温室发展优势及存在问题

太阳能光伏发电是近年来备受关注的新型能源产业。我国光伏行业发展迅速并逐渐形成了一个具有自主知识产权、国际先进水平的竞争产业，生产制造规模逐年扩大。同时国家对光伏发电较为重视，相继出台了一系列补贴政策来促进光伏产业的发展。光伏技术与设施农业技术的交叉结合是近年来研究的热点课题之一。

与传统日光温室相比，光伏日光温室有独特的优势，但在发展初期也存在一定问题。

以光伏日光温室为例，分析比较二者之间的能耗差异及光伏温室发展中存在的问题。供试太阳能光伏发电日光温室坐北朝南，东西延长，方位是正南偏西5°，东、西、北三面为维护墙体的南向单坡面架构，温室长50m，宽9m，相邻温室间距9m，临近温室侧面入口建造的缓冲室同时承担着智能控制室、光伏系统配电室的功能，相比较传统日光温室，光伏温室增加了光伏组件及光伏系统配电系统。光伏组件的运行年限为25年，每年每个传统温室的耗能大约需要6 t标准煤。据国家环保总局公布的节能减排数据标准，每燃烧 1 t标准煤，将排放 2.62 t CO2，8.5×10-3t SO2，7.4×10-3t NOX，6.785×10-3t烟尘。以光伏组件25年的使用寿命为期限，相关数据见表1。

表1 光伏、传统日光温室造价及能耗

依据表1数据，太阳能光伏发电替代传统的煤、电能源，不仅可以消除 CO2，SO2，NOX，烟尘等有害气体的大量排放，防止大气污染，而且可以产生大量电能。相比较传统的日光温室，光伏温室造价较高，一次性投入大，与温室内的用电负载对接技术要求高，电压有时会出现波动等成为光伏温室进一步推广的制约因素。

5 发展前景

目前，我国的光伏制造业发展速度较快，随着光伏产业竞争的加剧，其制造成本逐渐降低，光转化效率等性能指标不断提高。光伏发电在逐渐缩小同传统能源电力竞争的差距。根据我国地域太阳能光照的特点，可以因地制宜地在以下几方面拓宽光伏日光温室发展前景；根据国家新型城镇化发展规划，在城市群比较密集的地区，大力发展建筑物的屋顶光伏日光温室模式；在西部太阳能资源丰富的地区推动大型并网光伏电站的建设，为当地温室提供电能；在艰苦、贫困的偏远高海拔山区，根据国家地方的补贴政策，大力发展光伏温室。