基于风光互补的温室大棚供电系统设计

鲍义东，陈 果，钟国荣

（贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

基于风光互补的温室大棚供电系统将风光互补发电与农业种植相结合，在棚外安装风力发电机，棚顶安装太阳能电池板代替部分PC板或钢化玻璃，有效利用大棚的顶部空间，在棚内种植高效的农作物。基于风光互补的温室大棚利用有限的资源和空间，提高单位土地的经济效益，既能运用农地直接降低发电成本，又不影响大棚内农作物的正常生长，是一种新型供电的温室大棚[1-2]。此外，该供电系统开启了低碳农业发展的新模式，具有良好的经济效益和生态效益，发展前景广阔。

1 基于风光互补的温室大棚供电系统设计

1.1 软件设计

1.1.1 构建ARW的开发平台

系统软件设计使用ARW的开发平台对RN2300协调器内核进行裁剪编译。软件部分具体包括控制模块、ACU10传感器、光照模块以及WT-R传感器4个部分。这4部分皆由RN2300终端节点1控制[3]。设RN2300终端节点为N，将所得信息汇总到RN2300协调器，通过RN2300协调器转发数据至ARW和上位机显示供电信息，由ARW终端进行数据处理，最后根据算法求得温室大棚供电收益的多目标函数，进而给出控制指令[4-5]。设温室大棚供电强度的最大值为maxE(G)，计算公式为：

式中，W1Egrid为温室大棚发电成本节约函数，W2Eloss为光伏售电收入函数，W3Ewind风电售电收入函数，W4Esolae为温室大棚网损降低函数，Ω为决策空间集合。将式（1）所得指令下发至下层设备，由LCD液晶实时显示供电信息，利用太阳能资源产出绿色清洁能源，为加热、降温、调光、遮光以及灌溉系统提供能源。系统软件框图如图1所示。

1.1.2 实现温室大棚供电

在利用ARW开发平台完成数据传输的基础上，由风光互补技术的自动化控制功能编写PLC程序。编程完毕后，使用仿真器模拟温室大棚的供电运行。在不占用CPU的资源情况下，通过风光互补技术并行控制温室大棚的供电系统，从而保障温室大棚供电系统的平稳运行。运用风光互补技术结合计算机监督和判断温室大棚供电系统的运行，一旦发现温室大棚供电系统存在潜在风险，立即采取相应的措施。

图1 系统软件框图

在完成PLC程序编写的基础上，设计温室大棚供电系统的数据同步模块。由send computer str向需要发送信息的计算机发送操作信息。操作信息发送后，send computer str对应计算机的相应位清零。当所有计算机发送完毕后，将需要发送的计算机信息存在send computer str中。最后，把send computer str写入异步表发送计算机字段中，实现温室大棚供电数据的同步发送。模块采用风光互补网络的发送和接收方式传递修改信息，为保证修改信息一次性传输的正确性且不丢失，需在设计数据同步程序时采用通信协议。

1.2 硬件设计

系统硬件部分设计UCBI接口电路，基于风光互补的温室大棚供电系统由小型水平轴微风启动的风力发电机、非晶硅薄膜太阳能电池组件、屋面安装钢架结构并网逆变器、交流配电设备、数据采集监控系统、双向逆变充电一体机、蓄电池组、线缆以及电缆桥架等组成[6-7]。UCBI接口电路是嵌入式开发的重要调试接口，在调试和连接方面具有方便和快捷的特点，且可在线调试不占用土地资源。系统采用10k的接口调试电路，UCBI接口电路如图2所示。

图2 UCBI接口电路设计图

UCBI接口电路可大量高效地供电，具有低功耗优势。温室大棚采用这种供电设计省时、省力且易操作，可减少温室大棚工作人员的工作量。本文设计中UCBI接口电路采集节点使用10个控制模块，风光驱动太阳能和辅助适配器等供电设备对温室大棚供电。

2 对比实验

2.1 实验准备

为确保基于风光互补的温室大棚供电系统设计的有效性，对温室大棚的供电强度进行对比实验。整体实验在同一环境下进行，确保实验结果的真实性，且使用MATLAB将数据可视化。实验使用IEEE-50节点，每10个节点为1个测试段来测试供电强度，将采集的数据利用仿真实验软件进行归一化处理。仿真实验环境配置要素的具体参数如表1所示。

表1 仿真实验环境配置要素具体参数

实验时，首先采用传统温室大棚供电系统对温室大棚进行供电，其次采用基于风光互补的温室大棚供电系统实施同样的操作步骤，最后设置传统的温室大棚供电系统作为对照组进行对比实验。实验过程中记录MATLAB仿真实验软件测得的供电强度，判断两种供电系统对温室大棚的供电能力。

2.2 实验结果分析与结论

根据上述实验采集5组实验数据对比两种温室大棚的供电强度，整理实验数据如表2所示。

表2 温室大棚供电强度对比

通过表2可知，设计的基于风光互补的温室大棚供电系统对温室大棚的供电强度明显高于对照组，能实现对温室大棚的高效率供电。

3 结 论

随着世界经济的发展，能源短缺、环境污染以及生态恶化等问题逐渐严重，能源供需矛盾日益突出。因此，基于风光互补的温室大棚供电系统采用绿色供电模式，通过工业化运作和集中式管理解决供电量不足的问题，切实保障温室大棚供电的强度。基于风光互补的温室大棚供电系统将光伏与现代农业发展完美结合，在开发绿色清洁新能源和节能减排的同时发展低碳经济，为推广风能和光伏能源的利用开辟了全新途径。该供电系统充分运用能源产业、高效农业以及休闲旅游产业的集成优势，从根本上提高了温室大棚的供电强度，实现了经济利益的最大化。