风光互补设施温室的设计及能耗分析

董佳瑞，董立国，汪 城，葛永琪，马立新，吴云岗

（1宁夏农林科学院林业与草地生态研究所，银川 750002；2常州大学石油与天然气工程学院、能源学院，江苏常州 213000；3宁夏大学信息工程学院，银川 750001；4宁夏特种设备检验检测院，银川 750002；5宁夏科大光伏农业研究院有限公司，银川 750002）

0 引言

太阳能发电和风能发电现已逐步成为中国可持续发展战略的重要组成部分，但由于太阳能和风能资源本身存在着随机性、间歇性和波动性，且不同地区的资源环境特征不尽相同，导致弃风弃光现象明显[1]。能源“十四五”规划对此问题提出了建立多能互补能源体系的建议。风光互补供电系统能够有效的利用太阳能和风能资源在地理特点和资源分布上的互补性，合理的利用能够有效提高风光资源的利用效率[2]。林凌雪等[3]的研究表明，宁夏大部分地区风光资源互补性良好，具备应用风光互补发电系统的条件。

设施农业是指通过人工技术手段，改善农业生产中的自然光、温条件，创造并优化出农作物生长的环境，使其可以全天候生长发育的农业工程。宁夏地区的设施农业现代化水平较低，机械化率不高，农作物质量参差不齐，农药和肥料的不科学使用不仅造成了农民经济上的损失，还对当地环境造成了很大程度的污染[4]。农业生产领域的全产业链和各环节相对于大数据和物联网等先进智造技术和网络技术在工业生产领域的应用，其科技含量和科技投入较低[5]。随着新能源技术和智能控制系统的完善，尤其是风光互补独立电网及新能源并网技术的发展，为小型风光互补发电系统向电网供电提供了条件[6]。基于风光互补供电的新型温室大棚应运而生，在发电供电的同时，能够稳定的生产出高质量的农作物[7]。宁夏地区具有丰富的风光资源，并且具备发展设施农业的优良资源环境禀赋，在“双碳”目标下，传统的温室大棚需要引入新能源技术，促进设施农业的高质量发展。

以研究风光互补发电系统在宁夏设施农业中应用的可行性为出发点，选取宁夏风光资源较为丰富的中部地区，设计了风光互补型日光温棚的基本结构，分析了温室用电量和系统发电量间的关系，科学的配置了风光互补发电系统，拟为农业领域合理高效利用新能源提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

盐池县位于宁夏中部，处于干旱区与半干旱区的过渡地带，地势南高北低，由东南至西北为广阔的干草原和荒漠草原。该地区是典型的大陆性季风气候，光能丰富[8]，干旱少雨，日照充足，年平均气温7.8℃，冬夏两季平均温差28℃左右。全县有可利用草原7.14×106hm2、耕地1.33×106hm2，是宁夏旱作节水农业和滩羊、甘草、小杂粮的主产区。地下有石油、煤炭、天然气“三大资源”和白云岩、石灰石、石膏“三小资源”，地上有土地、光热、风能“三大资源”，已探明煤炭储量81亿t、石油4500万t、天然气8000亿m3、石膏4.5亿m3、白云岩3.2亿m3、风能资源总储量约300万kW、年太阳总辐射5740 MJ/m2。

1.2 资料来源

数据来源于宁夏农林科学院林业与草地生态研究所盐池气象站，风速和太阳辐射强度每小时测量一次，测定时间为2021年1月1日—2021年12月31日。

1.3 研究方法

1.3.1 风力发电量的计算 风是由空气流动而产生的一种自然现象，风能实际是一种动能。风力发电机中的转子可以将风中的动能转换为机械能，再由电机将机械能转换为电能。研究表明，通过转子叶片将风能转换成机械能的多少，主要取决于转子叶片扫过的区域大小、空气密度和进气速度[9]。因此，可以初步得出计算风功率大小的公式，见式(1)。

其中，ν是实时风速(m/s)，ρ是空气密度(km/m3)，取1.29 kg/m3，S是风正常通过的面积(m2)，取叶片直径为1.2 m 的小型风力发电机，计算得通风面积为1.1304 m2。但实际上由于机械损失，Pf只有一部分是有效的，可以通过引入风功率系数推导出从风中获得的最大功率，见式(2)。

其中，Kf是风功率系数。风力发电机最大风功率系数为0.593，实际情况下略小，通常计算时取0.5。通过使用上式中给出的瞬时风功率表达式，可以得到一天中的总发电量，见式(3)。

其中，Pf为1 h的发电功率。

1.3.2 光伏发电量的计算 太阳能主要来源于太阳中的核聚变产生的巨大能量，太阳能电池是利用光电效应将光子能量直接转换为电能的器件，能够产生光电效应的材料主要有单晶硅和多晶硅。

太阳能电池板实时发电功率模型[10]见式(4)。

式中η表示光电转换效率，采用单晶硅太阳能电池板时可取17%；S为太阳能电池板的面积，取1.65 m2；I为太阳辐射强度；T0为当地的环境温度，由气象资料查得宁夏平均气温为5.3～9.9℃，取平均值7.6℃作为环境温度。通过使用(4)式中给出的实时功率表达式，可以得到一天中的总发电量，见式(5)。

其中，Pt为1 h的发电功率。

2 风光互补温棚结构设计

2.1 大棚主体结构

结构形式：轻钢坡顶结构。基本参数：跨度：10 m，脊高：4 m。

2.1.1 性能指标 风载：0.6 kn/m2，雪载：0.35 kn/m2，植物吊载：15 kg/m2，最大排雨量：220 mm/h，电源参数：220 v/380 v，50 Hz。

2.1.2 排列方式 温室东西长度：100 m，南北长度：10 m

2.1.3 温室主体

（1）温室基础

温室四周采用圈墙，20 cm 钢筋混凝土浇筑。温室走道80 cm的水泥地。温室左右两侧各设一扇门。

（2）温室骨架

温室主体骨架为轻坡结构，采用热镀锌钢管。骨架各部分之间连接均采用螺栓螺母连接。

（3）操作间

温室一侧建造东西长度80 cm的操作间。

（4）覆盖材料

东西北墙采用480 mm的砖混结构，阳光板8 mm，后坡顶采用100 mm PVC 复合保温板，温室上坡顶部分采用厚度8 mm PC 板，采用铝合金材料固定，橡胶密封条密封。

2.2 补光系统

在设施农业生产中，采用人工光源是植物正常生长发育、高产稳产的重要保障方式[11]。采用高压钠灯作为温室补光灯，高压钠灯属于高压气体放电灯，是北方温室普遍使用的人工补光光源，光谱分布范围窄，发光效率相比于其他人工光源较高，钠灯主要产生黄橙色光。高压钠灯具有能耗低、安装简便、功率因数高和防水等优点。冬季由于日照时间缩短，太阳辐射强度减弱，通过在冬季早晨和下午开启为植物补光，能够合理延长农作物光合作用的时间，维持农作物正常生长，提高农作物的光合作用，科学的促进农作物生长。温室东西长为100 m，每隔10 m安装一个高压钠灯，共安装10个，每个的功率为0.15 kW。

2.3 湿帘降温系统

湿帘降温系统[12]的降温原理是当水流经水帘时，在水帘表面上形成水膜，水膜和通过的空气进行热交换，再利用水蒸发吸热的降温原理，使棚内空气温度降低，同时提高棚内空气的相对湿度。通过控制加湿量和通风时间，从而控制空气的温度和湿度。棚内安装2 台湿帘水泵，每台的额定功率为0.75 kW，由智能监测系统进行调节，通常在夏季高温时开启，为温室降温。

2.4 加温系统

农业生产实践中发现，在温室外界最低温度不低于-25℃的地区，由于日光温室对太阳能的高效利用和良好的保温措施，可以使温室内温度保持在5℃以上。宁夏冬季气温较低，尽管暖棚保温性能良好，但是为了更好的维持和调节棚内温度，在棚内安装2 台电加热暖风机，每台功率为15 kW。暖风机能够在冬季为暖棚快速升温，通常在冬季夜晚或气温较低时开启，可以根据当地冬季实际情况安装，或改用如水暖供热等其他加温设备[13]。

2.5 灌溉系统

水肥一体化灌溉是将施肥与灌溉科学的融为一体的新型农业技术，借助压力系统，将溶解的固体或液体肥料按土壤养分含量和农作物施肥的规律及特点，调配好的肥料与灌溉水一起进入管道系统，通过管道和滴头形成滴灌，能够科学的浸润农作物的根系生长区域，使主根系的土壤始终保持在适宜区间内。农业工作者还可以对农作物在不同生长期的需水情况和需肥规律情况进行不同生长期的需求设计，把水分、养分按比例，定时定量的提供给农作物[14]。传感器的监测结果决定了水肥一体机的工作情况。当土壤水分低于农作物需求值时，水肥一体机可以自动开启灌溉系统，当土壤水分监测值达到设定的标准值时，水肥一体机能够及时关闭灌溉设备，通过这种数字化的科学控制，可以使温室内农作物的灌溉更加合理。棚内安装一台水肥一体机和一台灌溉加压泵，功率分别为3 kW 和0.55 kW。

2.6 通风系统

通风系统[15]是保证温室内空气正常流通，调节温室气候的重要组成部分。通过开窗系统和风机的强制循环系统能够调节温室内的空气成分、温度和湿度，使温室环境维持在农作物良好生长区间范围内。棚内安装由电机驱动的自动开窗系统，配备2台开窗电机，每台的额定功率为0.55 kW。棚内安装内循环轴流风机4台，每台的功率为0.75 kW。

2.7 环境参数监测系统

温室环境及其参数的实时监测对农作物生长至关重要，利用温棚的温湿度表能够实时了解温室内的环境温度和相对湿度，通过视频监控设备和相关平台，技术人员可以远程监控温室内环境参数和农作物的生长情况，进而对温室内的各种设备进行远程管控，及时的控制与改善使农作物具有良好的生产环境，全天候保证农作物的健康生长。将智能监测设备安装在操作间，功率为0.2 kW。

2.8 遮阳系统

近年来，由于气候变暖，北方各地夏季尤为炎热，又因为日光温室保温效果太好，导致温室夏季温度过高，农作物有过热和被强光灼伤的风险。通常采用幕布遮阳系统改善温室内的生态环境，幕布能将多余的阳光挡在室外，保护作物免遭强光灼伤，为农作物创造适宜的生长条件。遮阳幕布可以控制室内温度使温室保持适当的受热情况，能够使阳光从直射变为漫射进入温室种植区域，保持最佳的农作物生长环境。

自动外遮阳系统主要由遮阳幕布、传动机构、幕布固定杆、托幕线和转向轮组成。

（1）外遮阳立柱：温室前1 m处方钢焊接。

（2）传动机构：与保温被的卷帘机使用同一机构。

（3）幕线：选用黑色聚酯幕线，每栋宽20 条下幕线，20条上幕线。

（4）幕布：采用遮光率70%的黑色外用幕布。

系统需要安装电机运作，安装2台电机，每台功率为0.55 kW。

2.9 室内电负荷计算

由表1 设备的用电规律可以看出，该暖棚用电负荷最大时在冬季，当气温较低，光照不足时，需要开启电加热暖风机和补光灯。通过表1可以计算得到温室年用电量如图1所示。图1反映了日光温室的年用电量的多少，从图中可以看出，温室在春、夏、秋三季的用电量不高，可以设计相应规格的风光互补发电系统，冬季由于电加热风机大功率电器的加入，导致用电量过高，不应该以冬季用电量为标准设计，应该在冬季使用外部电源和发电系统一起供电。

图1 温室月用电量

表1 温室内用电设备功率及其运行时间

3 风光互补发电系统设计

3.1 系统发电量估算

以2021年盐池县气候条件为例，使用数据为逐小时数据，月平均风速和月平均太阳辐射量见图2。

图2 2021年月平均风速和太阳辐射量

由逐小时气象数据可以用公式计算得每月风力发电量和光伏发电量见图3。

由2021 年单台风力发电机发电量和单个太阳能电池板发电量可知，盐池县风光资源满足风光互补发电系统基本要求，全年风速在2 m/s 以上，太阳辐射量充足。而且在冬季日照时间缩短，太阳辐射量不足时，风力发电能及时补充，体现了风能和光能的互补性。计算得出，全年单台风力发电机发电量为145480.15 W·h，约145.48 kW·h；单个太阳能电池板发电量为467549.75 W·h，约467.55 kW·h。与暖棚的年用电量对比可以看出，风光互补供电系统在正常工作状况下能够满足除冬季外暖棚的日常用电需求，冬季需要外接电源供电。由以上图表数据计算得出，暖棚的年用电量为25460.98 kW·h，除去冬季电暖风机耗电量，暖棚年用电量约为7060 kW·h，通过以上数据可以设计风光互补发电系统规模，选取风力发电机和太阳能电池板的类型和使用数量。

3.2 发电系统设计

风光互补供电系统主要由小型水平轴风力发电机、单晶硅太阳能电池板、并网逆变器、交（直）流配电设备、双向逆变充电一体机、蓄电池组等组成。采用基于MPPT 的风光互补系统控制器，使整个系统在安全便捷的前提下，能够极大程度的减少系统的功率波动，保证系统高效准确的运行[16]。

3.2.1 风力发电机组的设计 风力发电机布置间距一般为5 倍风轮直径，小型风力发电机风轮直径为1.2 m，所以布置间距为6 m左右。暖棚长为100 m，靠后墙布置小型风力发电机，最多可以安装16台小型风力发电机，考虑到设备本身占地和线路布置等情况，在暖棚后每隔10 m 安装一台小型风力发电机，一共10 台。选取额定功率为300 W 的MAX 永磁同步小型风力发电机。此类风力发电机广泛适用于极端温度、高湿度、大风砂等多种环境，可靠性极高。MAX小型风力发电机具有安装简便、效率高、免维护、寿命长、抗大风、噪音低等优点。该类型风机能够随风向改变叶片朝向，使叶片对准迎风方向，保证了在低风速下的功率输出。该机组启动风速为1.5 m/s，额定风速为12 m/s。

3.2.2 太阳能电池组的设计 在棚顶单排布置太阳能电池板，每块太阳能电池板长度约为1.5 m，棚顶长度为100 m，最大可以安装65 块太阳能电池板。考虑到实际情况和经济效益，预计在棚顶安装30块太阳能电池板。选取150 W单晶硅太阳能电池板。单晶硅太阳能电池板的光电转换效率为17%左右，在目前所有种类的太阳能电池中，单晶硅太阳能电池板的光电转换效率较高，应用领域也比较广。在北半球太阳能板统一朝向正南方，太阳能板的倾斜角度为纬度5°～10°。

3.2.3 储能设计 使用4 块12 V/200 AH 免维护铅酸蓄电池对风光互补系统发出的电能进行储存。免维护胶体蓄电池是在免维护蓄电池的基本原理的基础上，对蓄电池的电解液进行了更科学的改进。使其在循环使用下仍有高性能的电流输出，不仅功率密度高、充电效率高，而且耐过充，充电重复性和稳定性好。作为风光互补发电系统中的蓄电池，具有寿命期间免维护，工作温度区间宽，每瓦时价格低，自放电率低等优良性能。

3.3 风光互补系统年发电量

由上文设计可知风光互补系统年发电量计算见式(6)。

该风光互补系统正常工作时，每年发电量为15481.3 kW·h，能够满足暖棚除冬季外的日常供电，当采用并网设计时，多余出的电量还能为农民提供额外收入。

4 讨论

该研究选取2021 年宁夏盐池县风光资源数据进行计算分析，计算方法使用了周颖[17]在分析风光互补特性时所采用的实时发电量模型预测，通过对盐池县气象条件的分析，得到了单台风力发电机和单个太阳能电池板在2021 年的全年发电量，分别为145.48 kW·h和467.55 kW·h。在设计日光温室结构时参考了张娟等[18]对于北方寒冷地区节能保暖温棚的结构设计，保证了风光互补型日光温室在宁夏冬季的保温性能，温室长100 m，宽10 m，占地面积1000 m2，种植面积约为913 m2，符合国家设施农业标准。在对温室内各个用电设备的功率及用电时间进行预估后，初步计算得出温室年用电量为25460.98 kW·h，与章庆[19]计算的天津市日光温棚年用电量相似。在除去冬季电暖风机的超高耗电量后，得到温室年用电量约为7060 kW·h，根据温室年用电量和单台发电设备的年发电量对发电系统规模进行设计，使用小型风力发电机10台，太阳能电池板30块以及4块铅酸蓄电池作为风光互补型温室的发电系统，经过计算得到系统年发电量为15481.3 kW·h。盐池县农业生产用电电费约为0.47元/(kW·h)，采用风光互补发电系统的日光温棚每年能够为农户节约三千多元的电费，如果安装了并网发电系统，能够上网售卖多余的电量，实现盈利。将发电量和用电量对比后可以看出，风光互补发电系统能够在满足温室日常用电的同时向电网供电，基本实现了对风光资源高效利用和将该系统应用于设施农业的目标。

5 结论

随着风光互补发电技术的发展，“弃风弃光”现象会逐渐消失，风光互补发电必然成为新能源发电系统的重要组成部分，本研究就风光互补发电系统在宁夏设施农业中应用的可行性进行分析，研究得出了以下结论。

（1）宁夏中部地区风光资源丰富，风光互补性良好，适合应用风光互补发电系统。

（2）日光温室年用电量为25460.98 kW·h，风光互补发电系统能够在除冬季外的其他季节满足温室日常用电需求，在冬季开启电暖风机会增加温室用电负荷，应该采用外接电源的供电方式或者加强温室冬季保温，使温室温度满足农作物正常生长。

（3）本研究所设计风光互补系统，2021 年单个风力发电机年发电量为145.48 kW·h，单个太阳能电池板年发电量为467.55 kW·h，太阳能发电量高于风力发电量，设计风光互补发电系统时，应以太阳能为主导，风力发电作为辅助。