光伏发电技术在温室中的应用*

余 情，杨金明

（华南理工大学电力学院，广州 510640）

光伏发电技术在温室中的应用*

余 情，杨金明†

（华南理工大学电力学院，广州 510640）

温室的高能耗有碍于其发展，引入可再生能源是温室节能减排的有效举措。本文介绍了一种将光伏发电及控制技术应用于温室的方法，太阳电池组件直接安装在温室室顶，通过与市电并联及少量蓄电池配置保证供电可靠性和功率平滑性，并基于无线通信技术实现温室环境因子参数的采集和远程监控。该系统不但能够根据设定目标自动地调节温室内部环境，而且能够监视整个系统的能量流动情况。温室运行结果表明，该系统能够满足冬季温室用电，并部分解决夏季温室用电，大大减少对化石能源的需求，达到节能减排的效果。

光伏发电；温室；监控系统；节能减排

0 引 言

随着我国农业技术的不断发展，温室生产技术以其先进的生产模式在我国得到了大规模普及[1]。温室生产可以通过人工干预的方式，人为地创造一个适合所培育作物的生长需要的环境，从而有效地提高土地利用率，改善农业生态[2,3]。但是这种精细化的生产模式却需要耗费大量的能源。据统计，温室能耗成本约占温室生产总费用的30%～40%[4]。在我国北方地区，每667 m2连栋温室每年仅供暖耗煤量高达100～200 t[5,6]；南方地区每667 m2温室仅夏季降温耗电量就高达20 000 kW·h[7]。特别是随着温室生产向智能化和精准化管理发展，温室耗能将进一步加大，成本也逐渐增加[8]。这样的生产方式违背了当下所提倡的节能减排政策，严重影响了其可持续发展。因此，增加可再生能源在温室中的应用将成为温室持续发展的重要手段。随着光伏发电技术的快速发展和应用，特别是光伏建筑一体化技术的日趋成熟，为太阳能发电技术引入到温室生产中打下良好的基础[9-11]。

本文提出的温室光伏发电供能系统采取与市电并联运行的方式，以保证供电可靠性。本着光电即发即用的高效应用原则，只配置了少量蓄电池以抑制功率波动。为了提高光伏发电系统的应用效率，采用了适宜的能量管理策略，并基于开发的无线监控系统，实现了结合温室特性要求的光伏发电运行管理控制和温室的运行控制。本文提出的温室光伏发电供能系统在一个420 m2的温室中得到了应用，运行结果表明了光伏发电供能系统及其能量管理系统的有效性，能够有效地调节温室内部环境，同时光伏发电系统解决了温室大部分用电问题，达到了温室管理自动化和节能减排的效果。

图1 温室实景图Fig.1 Picture of greenhouse

图2 温室室顶Fig. 2 Roof of greenhouse

1 光伏温室结构

1.1 温室建筑结构

温室为全封闭式玻璃钢架结构，墙体和部分室顶为透明玻璃，总占地面积420 m2（如图1）。室顶为多个三角尖顶结构，在室顶南向尖顶斜面直接铺设太阳电池组件，为了兼顾太阳能光伏发电和植物栽培日照强度及均匀性要求，采用了电池片间隔布放的双玻太阳电池组件（图2），电池组件总铺设面积为210 m2。

1.2 双玻太阳电池组件

本应用所采用的双玻太阳电池组件由中间复合太阳能电池片的两片钢化安全玻璃构成，电池片之间由导线串、并联汇集引线端的整体构建，单块组件功率75 W，开路电压18 V，共铺设240块，共18 kW。蓄电池为100 A·h、12 V铅酸蓄电池，共配置40个。

2 监控管理系统

2.1 温室供电系统

温室供电系统如图3所示，24块串联成一路，形成10路输出，经汇流箱汇流后，接入带与市电自动切换功能的逆变器。光伏发电系统由太阳电池组件、控制器、蓄电池和逆变器等组成（图3）。控制器实现光伏发电的MPPT和对蓄电池的充放电控制，配备蓄电池是考虑到光伏发电的变化性和温室用电的不平衡性。为了保证温室用电可靠性，采取与市电并联运行的工作方式，在光伏发电系统供电不足且蓄电池荷电状态低下时，自动切换到市电供电。

图3 温室供电系统Fig. 3 Power supply system for greenhouse

2.2 温室用电设备

温室内部需调节的环境因子有：温度、湿度、和光照强度等，配备了空调、喷雾水泵、遮阳网、循环风机和补光灯等调节设备。这里采用了空调作为温度调控设备，以实现植物栽培环境因子的精确调控。针对广东地区主要以降温为主的气候特点，为了减少空调降温电耗，在温室顶部加装了淋水降温设施，该措施除了可直接通过热传导和蒸发降低太阳直射造成的室顶高温外，还有清洁太阳电池表面和降低因温升而造成的太阳电池转换效率的损失效应。温室电气设备配置见表1。

表1 温室电气设备配置Table 1 Electric devices in greenhouse

2.3 远程监控系统

图4 温室监控系统结构图Fig. 4 Greenhouse monitoring and control system structure

为了实现温室环境因子的精确监控、保证人身安全以及提高温室的自动化水平，开发了远程监控系统，远程监控系统主要由数据采集系统、人机交互系统和前端控制系统组成。监控系统结构如图4所示，各传感器采集到的有关温室环境的信息、光伏发电系统的输出电量和温室运行耗电量通过无线通信技术发送给上位机，上位机通过编写好的人机交互系统实时显示和储存接收到的信息数据，并将采集到的变量数据发送给前端控制器PLC，生成相应的指令来控制温室中的设备动作，从而实现温室的最优化运行。以上各模块之间都通过ZigBee技术实现无线数据传输[12]。

3 温度调节与能量管理策略

广州地区用电负荷主要以夏季空调降温为主，这里的温室监控与能量管理策略主要针对温室的温度调节过程。温度控制流程如图5，为了提高能效，只有在室顶温度高于50℃时，才开启水幕水泵进行室外淋水降温。因太阳辐射能强时，温室室内温度高，这时光伏发电量也大，为光电的即发即用提供了条件。为了应对太阳能的变化性及保证设备的安全和供电可靠性，采取了以下能量管理措施：

（1）检测光照强度和蓄电池荷电状态；

（2）当光照强度高且蓄电池荷电状态高时，直接启动整个温度调节系统；

（3）当光照强度较低且蓄电池荷电状态较低时，空调由市电供电，光伏发电系统只为温室中除空调外的小功率设备供电，并为蓄电池充电。

图5 温室控制流程图Fig. 5 Temperature control flow chart

4 实验结果与效能分析

温室的栽培对象为高档花卉，其生长的适宜温度为15℃～28℃。本文综合考虑花卉生长和温室能耗问题，将温室内部夏季的上限温度设置在28℃，冬季的下限温度则为18℃。设计好以上参数后，从8月开始，让系统开始运行，系统每小时自动记录一次相关数据。

图6a为夏季一天24小时温度变化情况，夏季晴热高温，在无降温措施的情况下，室内一天平均气温在35℃左右，最高温可达44℃，通过降温调节以后，室内温度控制在28℃及以下。图6b为对应的电量消耗情况，夏季空调电耗较大，光电不能满足要求，要由市电补充，图中温室用电量（1）和温室用电（2）分别表示只用空调降温时的温室用电量和加入屋顶淋水降温措施后温室的用电量，第一种情况温室用电量为135 kW·h，第二种情况温室用电量为125 kW·h，表明在温室顶部加装了淋水降温设施确实降低了温室降温电耗。

图6 夏季温室温度调节及电耗情况Fig. 6 Temperature regulation and power consumption situation in summer

图7a为冬季典型天气下一天24小时温度变化情况，图7b为该天光伏发电量和温室用电量图，图中光伏发电系统的输出电量曲线和温室用电曲线完全重合，表明温室用电全部由光伏发电系统提供。

本着光电即发即用原则，在满足冬季用电的前提下，解决夏季部分用电量，设计达到了这个要求。

图7 冬季温室温度调节及电耗情况Fig. 7 Temperature regulation and power consumption situation in winter

图8为加装太阳电池前后及采取补光措施后的温室内光照强度情况，因为在室顶加装太阳电池后，不能再采用室外遮阳网，太阳直照将影响室内的光照强度。由图可见，虽然太阳发电影响了室内的采光，但也在光强超过要求时起到了遮阳作用，结合内遮阳网和补光灯的控制，可以满足温室的光照强度要求。补光灯电耗很少，故因太阳电池遮阳产生的不利影响很小。

图9为光伏发电系统每月的发电量，由图可以看出夏季日照充足，7月的发电量达到2 803 kW·h，而3月多雨，日照不足，发电量只有863 kW·h，光伏发电系统12个月累计发电量为22 343 kW·h。

图8 温室光照强度变化情况Fig. 8 Light intensity changes of greenhouse

5 结 论

将光伏发电技术引入温室供能系统后，采用与市电并联运行的供电方式，结合适当的管理控制和室外淋水等措施，解决了温室大部分用电量，有效地解决温室生产对化石能源的依赖，达到节能减排的目的。本着即发即用原则的能量管理策略，以及远程监控的实施方式，提高了光电的应用效率，同时该温室监控系统能够实现各环境因数的采集和调节，到达智能高效管理目标。

[1] 齐飞, 周新群, 张跃峰, 等. 世界现代化温室装备技术发展及对中国的启示[J]. 农业工程学报, 2008, 10(24): 279-285.

[2] 杜尚丰, 徐立鸿, 马程伟, 等. 可控环境生产系统建模、仿真与控制研究进展[J]. 中国科学: 信息科学, 2010, 40(增刊): 54-70.

[3] 李立扬, 王华斌, 白凤山. 基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2012, 20(12): 3148-3150.

[4] 戴剑锋, 罗红卫, 李永秀, 等. 基于小气候模型的温室能耗预测系统研究[J]. 中国农业科学, 2006, 39(11): 2313-2318.

[5] 张亚红, 陈青云. 中国温室气候区划及评述[J]. 农业工程学报, 2006, 22(11): 197-202.

[6] 张亚红, 陈青云. 中国连栋温室采暖期的确定及采暖能耗分布[J]. 农业工程学报, 2006, 22(2): 147-152.

[7] 郭永聪, 付祥钊. 珠江三角洲现代温室环境与耗能水平调查与实测[J]. 重庆建筑大学学报, 2006, 28(1): 101-104.

[8] 张猛, 房俊龙, 韩雨. 基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J]. 农业工程学报, 2013, 29(增刊1): 171-176.

[9] 陈超, 果海凤, 周玮. 相变墙体材料在温室大棚中的实验研究[J]. 太阳能学报, 2009, 30(3): 287-293.

[10] 马文生, 郝斌. 光伏建筑一体化相关问题的探讨[J].可再生能源, 2011, 29(1): 94-97.

[11] 刘东冉, 陈树勇, 马敏, 等. 光伏发电系统模型综述[J].电网技术, 2011, 35(08): 47-52.

[12] 杨玮, 吕科, 张栋, 等. 基于 ZigBee 技术的温室无线智能控制终端开发[J]. 农业工程学报, 2010, 26(3): 198-202.

Application of Photovoltaic Power Generation Technology in Greenhouse

YU Qing, YANG Jin-ming
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The development of greenhouse is limited by its high energy consumption, application of renewable energy in greenhouse is an effective way for energy saving. In this paper, an approach of photovoltaic (PV) power generation and control technology is applied to greenhouse. The PV panels were installed directly on the top of the greenhouse. The PV system generates power for the greenhouse by parallel with the mains and a small amount of batteries were applied to ensure the reliability and smoothness of power supply. Besides, based on the wireless communication technology, a remote monitoring system was developed to acquire the greenhouse environmental factors and demonstrate relative data. The proposed system not only adjusts the environment parameters of greenhouse automatically according to the reference value, but also monitors the energy flow of the entire system. Results show that the system satisfies the needs of power for greenhouse in winter, as well as the partial in summer, thus greatly reducing the need for fossil fuels and achieves the goal of energy saving.

photovoltaic power generation; greenhouse; monitoring system; energy conservation and emissions reduction

TK51

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.002

2095-560X（2015）04-0251-05

余 情（1990-），男，硕士研究生，主要从事新能源发电及应用研究。

2015-04-11

2015-06-04

国家自然科学基金（51177050）

† 通信作者：杨金明，E-mail：jmyang@scut.edu.cn

杨金明（1962-），男，博士，教授，主要从事新能源发电及控制技术研究。