光伏日光温室冬季发电效果初探

赵 雪，邹志荣

(西北农林科技大学 a 机械与电子工程学院,b 农业部西北地区设施园艺工程重点实验室，c 园艺学院，陕西 杨凌 712100)

日光温室是具有我国知识产权的温室结构形式，在我国北方地区得到了大面积的推广和应用。近年来，随着“节能减排”概念的深入人心，如何减少大面积日光温室对传统火电的依赖也逐渐成为一个研究热点。随着光伏发电技术的发展[1-3]，越来越多的人开始考虑将光伏发电技术应用到设施农业中，即在不影响温室内作物生长的同时，增加光伏发电系统为温室提供自身设备运转所需的电力，从节能减排、保护环境、绿色低碳角度来看，该研究具有十分深远的意义。国外已有利用太阳能电池板为温室环境调控提供所需电力的相关研究报告[4-9]，然而国内的研究则多停留在理论与展望阶段[10-12]，关于日光温室光伏发电系统实际发电效果的文章更是鲜有报道。为此，本试验以2 kW光伏日光温室为研究对象，对冬季光伏发电系统在日光温室中的实际发电数据进行统计与分析，并对系统发电量与室外太阳辐射之间的相关性进行了探讨，以期为今后我国光伏日光温室产业的健康发展提供借鉴。

1 光伏日光温室的结构

供试光伏日光温室内外结构如图1所示。该温室位于陕西省杨凌国家农业高新技术产业示范区(N34°17′，E108°04′)，该区年平均气温12.9 ℃，年极端最高气温38.5 ℃，年极端最低气温-13.4 ℃；年平均日照时数为2 163.8 h，属于温带半湿润大陆性季风气候。

图1 光伏日光温室室内外图

温室长50 m，跨度10 m，脊高4.7 m，后墙高3.3 m，墙体结构为370多孔砖，外侧采用200 mm厚聚苯板，外加100 mm厚彩钢板覆盖外侧作为保温结构。前屋面由非晶硅电池组件、PC阳光板和塑料薄膜3种材料构成。PC阳光板与非晶硅电池组件构成倾角为25°的倾斜平面，该平面包含6列非晶硅电池组件，每列长5.6 m，宽1.1 m，自西向东每3列组件与PC阳光板分别以1∶2，1∶3比例间隔，其余部分均采用PC阳光板覆盖。该倾斜平面底部至温室屋面底角之间采用塑料薄膜覆盖。保温被材料为针刺毡。

2 光伏发电系统与测试项目

2.1 光伏发电系统

本日光温室中的光伏发电系统如图2所示。其工作原理是：非晶硅电池组件吸收太阳辐射产生电能，经控制逆变一体机后直接供负载使用或存储于蓄电池中。蓄电池中存储的电能则可供温室夜间或阴雨天使用。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接。

光伏日光温室负载包括温室的卷帘机、电动开窗、照明系统、水肥一体化机、环境监控系统等部分。

2.1.1 光伏组件阵列 设计日光温室光伏发电系统时，选择具有良好透光性和弱光效果的非晶硅电池组件构成光伏阵列。该阵列中组件以串并联方式连接，以满足蓄电池充电的工作电压。本系统中包含24块非晶硅电池组件，2块组件串联1组，12组并联，整个系统功率为2 kW。其中非晶硅电池组件规格为1 400 mm×1 100 mm，峰值功率为93 W，峰值电压为73.5 V，峰值电流为1.11 A。

2.1.2 蓄电池 蓄电池是最常见的储能装置，通过充电将电能转化为化学能储存，使用时再将化学能转化为电能释放出来。本研究中光伏发电系统设计的自给天数为3 d，包含9只12 V 200 Ah的深循环胶体免维护蓄电池，以串联方式连接，放电深度为0.8。

2.1.3 控制逆变一体机 光伏发电系统除组件与蓄电池之外，还包括控制器、逆变器、汇流箱等部件。控制器是对系统进行管理和控制的设备；逆变器是将系统发出的直流电转化成可供交流负载使用的仪器；汇流箱则是将光伏组件所发电量汇集在一起的装置。

图2 日光温室光伏发电系统示意图

本发电系统容量较小，选择集控制器和逆变器功能为一体的控制逆变一体机。系统蓄电池充电电压为110 V，逆变输出电压为220 V，通过该装置可避免因相位分配不均衡而造成的不平衡负载。控制逆变一体机参数为额定容量3 kW，额定电压110 V，额定电流27.5 A，欠压保护点97.5 V。

2.2 测试项目

2.2.1 发电量测试 系统发电量根据充电电压、充电电流及时间计算而来。系统发电量监测软件是在Windows操作系统的开发环境下，利用C语言编程以及Access数据库管理工具实现开发设计的，软件界面如图3所示。

图3 光伏发电系统监测软件界面

2.2.2 太阳辐射测试 太阳总辐射数据采集仪由河北鼎睿电子产品销售有限公司生产制造，设置采集时间间隔为10 min，精度0.1 W/m2。辐射传感器放置于温室室外1.5 m高度处，测试时间为2012-12-30至2013-03-31。

3 结果与分析

3.1 冬季光伏日光温室的发电量

选取光伏发电系统2013-01的发电量数据进行分析,结果如表1所示。受施工和天气影响，软件监测结果中只有14 d完整数据，其中日发电量最大值可达到9.544 kW·h，而最小值仅有1.414 kW·h；软件记录的1月份系统发电总量为114.273 kW·h，发电时间为184.83 h，1月份实际发电总量与发电时间均应大于软件记录值，且经计算可知该系统中每千瓦非晶硅电池组件每小时的发电量为0.309 kW·h。

3.2 典型天气下光伏发电系统发电量与太阳总辐射的相关性

由气象局发布的气象资料可知，2013-01-24为晴天，2013-01-19为雨雪天，即阴天，根据这2天的系统发电量和太阳总辐射数据，分析典型天气条件下系统发电量与太阳总辐射的相关性。典型天气即晴天和阴天条件下系统发电量和太阳总辐射的变化如图4所示。

由图4可以看出，日光温室光伏发电系统晴天的发电量明显大于阴天，其中晴天最大发电量可达0.26 kW·h，而阴天最大发电量仅有0.074 kW·h。这是因为晴天太阳总辐射远大于阴天，其中晴天太阳总辐射最大值为615.1 W/m2，而阴天最大值仅有223.7 W/m2，这反而说明非晶硅电池组件具有良好的弱光效应。

本研究还分析了该系统在典型天气条件下的发电量与太阳总辐射的相关性，若以y表示光伏发电系统发电量，x表示太阳总辐射，则在晴天，样本容量N=43，拟合得y=0.444x-0.01，R2=0.997；在阴天，样本容量N=43，可得y=0.281x+0.007，R2=0.943。说明在典型天气条件下，光伏发电系统发电量与太阳总辐射呈现显著线性正相关关系，且晴天的相关性明显优于阴天。

表1 日光温室室外太阳辐射和光伏系统的发电状况

图4 晴天和阴天典型天气条件下光伏发电系统发电量与太阳总辐射的变化

4 讨 论

1)本试验中非晶硅薄膜电池组件的安装倾角依据日光温室的设计经验设置为25°，但是根据光伏领域的有关研究成果可知，西安地区合适的光伏组件的安装角度为34.18°[3]，这说明光伏日光温室的发电量还有较大的提升空间，因此下一步有必要构建光伏日光温室模型，结合日光温室本身的结构特点，设计出不同地区日光温室前屋面光伏组件的合理倾角。

2)由于在冬季最寒冷的1月份，光伏日光温室内并未定植作物，因此本研究并未获取植物生长状况的相关数据，这有待下一步的继续研究。

3)光伏日光温室在结构上还存有几个亟需改进的问题：

① 非晶硅薄膜电池组件外层结构是钢化玻璃，相对于普通塑料薄膜日光温室，前屋面铺设一定比例非晶硅薄膜组件的光伏日光温室对钢骨架的要求更高，规格不够的钢结构不足以承受光伏组件的自重，也会在卷帘机运行过程中对组件形成压迫，造成组件破碎。钢结构也是目前非晶硅薄膜日光温室建设成本居高不下的主要原因之一，经济安全的室内骨架结构是目前光伏温室亟待解决的技术难题。

② 卷帘机对日光温室保温起着非常重要的作用。在考虑到非晶硅电池组件材质和日光温室前屋面形状等因素之后，本研究中光伏日光温室卷帘机选择了侧置摆杆式安装。然而在系统运行过程中，卷帘机出现过卷帘杆扭断现象，这是由于光伏日光温室前屋面为倾斜平面，与传统曲线屋面相比，棉被在运行过程中摩擦力较小，从而造成了卷帘杆与卷帘机组的转速不同步。因此在卷帘机选型时应适当增加卷帘机的功率和卷帘杆的壁厚。另外，卷帘机管理时要特别注意连续雨雪天气，浸湿后的保温被会加重卷帘机荷载，容易造成卷帘机故障。

③ 日光温室前屋面不同覆盖材料之间的密封技术尚不成熟。雨天时，水滴会通过倾斜平面与塑料薄膜搭接处的缝隙流入温室内，从而给温室管理带来不便。

5 结 论

本研究以杨凌地区2 kW 光伏日光温室为例，详细介绍了光伏发电系统的设备组成，并对系统在冬季1月份的发电效果进行了初步分析，得出以下结论：

1)根据光伏系统发电量监测软件1月份的记录结果，14 d有完整数据记录的发电总量为114.273 kW·h，发电时间为184.83 h，说明非晶硅电池组件的发电功率为0.309 kW。晴天日发电量最大值可达9.544 kW·h，可满足光伏日光温室中卷帘机、电动开窗以及照明系统等设备的用电需求。

2)无论典型晴天还是阴天，光伏发电系统产出的电能均与太阳辐射呈显著线性正相关关系。其中晴天光伏发电系统的发电量与太阳总辐射的相关关系回归方程为y=0.444x-0.01，相关系数R2=0.997，这为光伏日光温室发电量的设计提供了理论计算公式。

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