光伏日光溫室冬季發電效果初探

趙 雪，鄒志榮

(西北農林科技大學 a 機械與電子工程學院,b 農業部西北地區設施園藝工程重點實驗室，c 園藝學院，陜西 楊凌 712100)

日光溫室是具有我國知識產權的溫室結構形式，在我國北方地區得到了大面積的推廣和應用。近年來，隨著“節能減排”概念的深入人心，如何減少大面積日光溫室對傳統火電的依賴也逐漸成為一個研究熱點。隨著光伏發電技術的發展[1-3]，越來越多的人開始考慮將光伏發電技術應用到設施農業中，即在不影響溫室內作物生長的同時，增加光伏發電系統為溫室提供自身設備運轉所需的電力，從節能減排、保護環境、綠色低碳角度來看，該研究具有十分深遠的意義。國外已有利用太陽能電池板為溫室環境調控提供所需電力的相關研究報告[4-9]，然而國內的研究則多停留在理論與展望階段[10-12]，關于日光溫室光伏發電系統實際發電效果的文章更是鮮有報道。為此，本試驗以2 kW光伏日光溫室為研究對象，對冬季光伏發電系統在日光溫室中的實際發電數據進行統計與分析，并對系統發電量與室外太陽輻射之間的相關性進行了探討，以期為今后我國光伏日光溫室產業的健康發展提供借鑒。

1 光伏日光溫室的結構

供試光伏日光溫室內外結構如圖1所示。該溫室位于陜西省楊凌國家農業高新技術產業示范區(N34°17′，E108°04′)，該區年平均氣溫12.9 ℃，年極端最高氣溫38.5 ℃，年極端最低氣溫-13.4 ℃；年平均日照時數為2 163.8 h，屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候。

圖1 光伏日光溫室室內外圖

溫室長50 m，跨度10 m，脊高4.7 m，后墻高3.3 m，墻體結構為370多孔磚，外側采用200 mm厚聚苯板，外加100 mm厚彩鋼板覆蓋外側作為保溫結構。前屋面由非晶硅電池組件、PC陽光板和塑料薄膜3種材料構成。PC陽光板與非晶硅電池組件構成傾角為25°的傾斜平面，該平面包含6列非晶硅電池組件，每列長5.6 m，寬1.1 m，自西向東每3列組件與PC陽光板分別以1∶2，1∶3比例間隔，其余部分均采用PC陽光板覆蓋。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。

2 光伏發電系統與測試項目

2.1 光伏發電系統

本日光溫室中的光伏發電系統如圖2所示。其工作原理是：非晶硅電池組件吸收太陽輻射產生電能，經控制逆變一體機后直接供負載使用或存儲于蓄電池中。蓄電池中存儲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不足，則負載可通過控制逆變一體機自動與市電相連接。

光伏日光溫室負載包括溫室的卷簾機、電動開窗、照明系統、水肥一體化機、環境監控系統等部分。

2.1.1 光伏組件陣列 設計日光溫室光伏發電系統時，選擇具有良好透光性和弱光效果的非晶硅電池組件構成光伏陣列。該陣列中組件以串并聯方式連接，以滿足蓄電池充電的工作電壓。本系統中包含24塊非晶硅電池組件，2塊組件串聯1組，12組并聯，整個系統功率為2 kW。其中非晶硅電池組件規格為1 400 mm×1 100 mm，峰值功率為93 W，峰值電壓為73.5 V，峰值電流為1.11 A。

2.1.2 蓄電池 蓄電池是最常見的儲能裝置，通過充電將電能轉化為化學能儲存，使用時再將化學能轉化為電能釋放出來。本研究中光伏發電系統設計的自給天數為3 d，包含9只12 V 200 Ah的深循環膠體免維護蓄電池，以串聯方式連接，放電深度為0.8。

2.1.3 控制逆變一體機 光伏發電系統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ο到y進行管理和控制的設備；逆變器是將系統發出的直流電轉化成可供交流負載使用的儀器；匯流箱則是將光伏組件所發電量匯集在一起的裝置。

圖2 日光溫室光伏發電系統示意圖

本發電系統容量較小，選擇集控制器和逆變器功能為一體的控制逆變一體機。系統蓄電池充電電壓為110 V，逆變輸出電壓為220 V，通過該裝置可避免因相位分配不均衡而造成的不平衡負載?？刂颇孀円惑w機參數為額定容量3 kW，額定電壓110 V，額定電流27.5 A，欠壓保護點97.5 V。

2.2 測試項目

2.2.1 發電量測試 系統發電量根據充電電壓、充電電流及時間計算而來。系統發電量監測軟件是在Windows操作系統的開發環境下，利用C語言編程以及Access數據庫管理工具實現開發設計的，軟件界面如圖3所示。

圖3 光伏發電系統監測軟件界面

2.2.2 太陽輻射測試 太陽總輻射數據采集儀由河北鼎睿電子產品銷售有限公司生產制造，設置采集時間間隔為10 min，精度0.1 W/m2。輻射傳感器放置于溫室室外1.5 m高度處，測試時間為2012-12-30至2013-03-31。

3 結果與分析

3.1 冬季光伏日光溫室的發電量

選取光伏發電系統2013-01的發電量數據進行分析,結果如表1所示。受施工和天氣影響，軟件監測結果中只有14 d完整數據，其中日發電量最大值可達到9.544 kW·h，而最小值僅有1.414 kW·h；軟件記錄的1月份系統發電總量為114.273 kW·h，發電時間為184.83 h，1月份實際發電總量與發電時間均應大于軟件記錄值，且經計算可知該系統中每千瓦非晶硅電池組件每小時的發電量為0.309 kW·h。

3.2 典型天氣下光伏發電系統發電量與太陽總輻射的相關性

由氣象局發布的氣象資料可知，2013-01-24為晴天，2013-01-19為雨雪天，即陰天，根據這2天的系統發電量和太陽總輻射數據，分析典型天氣條件下系統發電量與太陽總輻射的相關性。典型天氣即晴天和陰天條件下系統發電量和太陽總輻射的變化如圖4所示。

由圖4可以看出，日光溫室光伏發電系統晴天的發電量明顯大于陰天，其中晴天最大發電量可達0.26 kW·h，而陰天最大發電量僅有0.074 kW·h。這是因為晴天太陽總輻射遠大于陰天，其中晴天太陽總輻射最大值為615.1 W/m2，而陰天最大值僅有223.7 W/m2，這反而說明非晶硅電池組件具有良好的弱光效應。

本研究還分析了該系統在典型天氣條件下的發電量與太陽總輻射的相關性，若以y表示光伏發電系統發電量，x表示太陽總輻射，則在晴天，樣本容量N=43，擬合得y=0.444x-0.01，R2=0.997；在陰天，樣本容量N=43，可得y=0.281x+0.007，R2=0.943。說明在典型天氣條件下，光伏發電系統發電量與太陽總輻射呈現顯著線性正相關關系，且晴天的相關性明顯優于陰天。

表1 日光溫室室外太陽輻射和光伏系統的發電狀況

圖4 晴天和陰天典型天氣條件下光伏發電系統發電量與太陽總輻射的變化

4 討 論

1)本試驗中非晶硅薄膜電池組件的安裝傾角依據日光溫室的設計經驗設置為25°，但是根據光伏領域的有關研究成果可知，西安地區合適的光伏組件的安裝角度為34.18°[3]，這說明光伏日光溫室的發電量還有較大的提升空間，因此下一步有必要構建光伏日光溫室模型，結合日光溫室本身的結構特點，設計出不同地區日光溫室前屋面光伏組件的合理傾角。

2)由于在冬季最寒冷的1月份，光伏日光溫室內并未定植作物，因此本研究并未獲取植物生長狀況的相關數據，這有待下一步的繼續研究。

3)光伏日光溫室在結構上還存有幾個亟需改進的問題：

① 非晶硅薄膜電池組件外層結構是鋼化玻璃，相對于普通塑料薄膜日光溫室，前屋面鋪設一定比例非晶硅薄膜組件的光伏日光溫室對鋼骨架的要求更高，規格不夠的鋼結構不足以承受光伏組件的自重，也會在卷簾機運行過程中對組件形成壓迫，造成組件破碎。鋼結構也是目前非晶硅薄膜日光溫室建設成本居高不下的主要原因之一，經濟安全的室內骨架結構是目前光伏溫室亟待解決的技術難題。

② 卷簾機對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選擇了側置擺桿式安裝。然而在系統運行過程中，卷簾機出現過卷簾桿扭斷現象，這是由于光伏日光溫室前屋面為傾斜平面，與傳統曲線屋面相比，棉被在運行過程中摩擦力較小，從而造成了卷簾桿與卷簾機組的轉速不同步。因此在卷簾機選型時應適當增加卷簾機的功率和卷簾桿的壁厚。另外，卷簾機管理時要特別注意連續雨雪天氣，浸濕后的保溫被會加重卷簾機荷載，容易造成卷簾機故障。

③ 日光溫室前屋面不同覆蓋材料之間的密封技術尚不成熟。雨天時，水滴會通過傾斜平面與塑料薄膜搭接處的縫隙流入溫室內，從而給溫室管理帶來不便。

5 結 論

本研究以楊凌地區2 kW 光伏日光溫室為例，詳細介紹了光伏發電系統的設備組成，并對系統在冬季1月份的發電效果進行了初步分析，得出以下結論：

1)根據光伏系統發電量監測軟件1月份的記錄結果，14 d有完整數據記錄的發電總量為114.273 kW·h，發電時間為184.83 h，說明非晶硅電池組件的發電功率為0.309 kW。晴天日發電量最大值可達9.544 kW·h，可滿足光伏日光溫室中卷簾機、電動開窗以及照明系統等設備的用電需求。

2)無論典型晴天還是陰天，光伏發電系統產出的電能均與太陽輻射呈顯著線性正相關關系。其中晴天光伏發電系統的發電量與太陽總輻射的相關關系回歸方程為y=0.444x-0.01，相關系數R2=0.997，這為光伏日光溫室發電量的設計提供了理論計算公式。

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