温室智能装备系列之八十五设施蔬菜农渔光伏互补调控系统设计

马伟+王秀

背景

“农渔光伏互补”是在温室棚顶利用太阳能发电，温室内进行蔬菜生产及渔业养殖的新型农业模式。通过建设棚顶以及地面空闲空间的光伏工程实现清洁能源发电，最终将电能并入国家电网或为周边电力不便的荒山林地农业项目提供能源，同时在温室内将光伏科技与现代化农业和循环养殖业密切有机结合。发展现代化高效农业，既具有无污染零排放的发电能力，又不额外占用土地，可实现土地立体化增值利用，也可实现种养结合，最终达到光伏发展和农业生产双赢的良好局面。

目前初步的应用模式已经得到探索性发展，据不完全统计，截止到2014年3月，中国规模较大的“农光互补”蔬菜大棚、“渔光互补”水产养殖、光伏畜禽养殖大棚项目等已经达到400多个。除经济效益外，对环境保护带来的社会效益也不容忽视。按照800个60 m的日光溫室估算，年均发电约6000万kW·h，年发电收益预计6000多万元，每年可节约标准煤22000多t，减少CO2排放5.7万t，减少粉尘排放1.5万t[1-2]。另外，预计还可通过种植、观光、采摘获得年收益3000余万元。

“农渔光伏互补”作为一种新型的农业发展模式，技术规划有很重要的意义，所涉及到的环节主要有光伏板布置、作物遮光减产、光伏电能的储备和分配、电源的稳定性、配套用电设备的布置、农业环境的检测和调节等[3]。作为一个相对封闭的环境，开发对应的闭环控制系统可以有效提高整个生产系统的效率。设施蔬菜农渔光伏互补调控系统从农光、渔光和农渔互补3个角度出发，调配好光伏电能和用电设备之间的关系[4]，让能源最大化的产生集群效益，从这一点上来说，是未来设施农业发展的新方向。

原理

设施蔬菜农渔光伏互补调控系统采用嵌入便携式设计，主要基于光伏电能在方式创新的需要，在光伏电站建设和利用方式上与农业精准对接，将信息化手段和机械结构结合起来，利用装备来改善调控效果。针对荒漠化土地、荒山荒地、滩涂、废弃物堆放场、新农村拆迁、废弃矿区改建后建立的设施农业基地和园区应首先建立光伏电站，其所产生光伏电能可就近配套给周边光伏日光温室的负载和渔业设备消耗使用。根据温室蔬菜生产中加温、降温、植物保护、消毒等装备的需要，以及渔业增氧、投喂、捕捞、加热设备的电能需求，对两个部分加以调和，起到节省和优化光伏能源的目的，同时通过对电能储备和转化进行时间和空间上的调节，达到满足农业生产的目标。

系统结构

设施蔬菜农渔光伏互补调控系统包括4个部分，分别为配电部分、温室部分、电动负载部分、渔业部分。调控系统示意图如图1所示。配电部分的核心是电源管理，包括光伏组件、集控器、市电接口、电缆、逆变器、蓄电池等；温室部分的主要内容是作物、照明、水、肥、药；电动负载部分主要有水循环泵、消毒装置、弥雾喷药装置、加热降温装置、增氧装置、投喂装置、温控系统（卷帘机、电动通风）等。主要的控制核心是水的循环和热的循环。

在系统工作流程设计上，放弃传统的并行结构。为了更好地实现水循环和热循环的简化和可靠运行，系统全部采用链式结构，主要优势可以体现优先级的高低，对于关键的部分，电能和热能会优先进行配置。图2是系统工作流程。光伏能源使用方案中的分配策略是首先需要解决的问题，合理的分配能源是系统的核心。温室环境调控是作物和水产的大环境，是系统工作的基础，要重点给予配置。温室的水、肥、药、光环节是高产的重要保证，涉及灌溉、施肥、喷药、补光等环节，调控系统将其纳入并进行能源分配，但优先级较低，可通过人工等其他作业方式进行强化。

电源管理

温室按照长度60 m，宽度8 m计算，共计480 m2。需要20块以上非晶硅电池组件，每块功率大于100 W。为保证系统自给，配备20块12 V 200 A·h（1A·h=3.6 kC）胶体免维护电池。系统逆变装置功率3.5 kW。额定电流30 A。图3是电源管理流程图。电源管理中按照优先级顺序，温室环境调控装置和增氧装置优先使用能源，以避免造成生产损失。

实例

农渔结合仅从装置出发不难实现，作为阳台景观或有限空间的利用方面已经进行了尝试，图4所示是国外某公司一种很好的利用形式，在此基础上深入探究，对解决能源的科学利用，提高产能具有重要意义[5]。进一步，农渔光伏的互补探索重点在调控系统上，只有调控系统的精密化，才能实现精准化管理，借助装备的集成和能源使用优先级的管理提高产量和品质。通过增氧装置能提高养殖密度和肉质，定量投喂装置可以根据需求科学控制喂养的时间。蔬菜收获后残留的叶子经过消毒可作为鱼饵，鱼池废弃物加热脱毒后可以用来给蔬菜施肥，鱼池的水白天可作为储热材料，夜间通过根部滴灌来提高作物根系生长速度。热循环和水循环的精密管理可以实现高效利用和产出。

展望

目前，社会倡导节能环保、低碳的经济发展模式，“农渔光互补”模式远超越了已有的简单农光互补思路，其基于装备运用的创新蕴含着巨大的发展机会和市场空间。通过对装备的灵巧运用，可以弥补简单的电能上网单一模式。“农渔光互补”模式的主要优势有：①扩展了光伏电能的应用通道。通过装置直接利用，实现光伏电能就地消化，建立了独立运行的生产系统，优化光伏富余能源单一依靠市电的局面。②改变农渔光伏互补技术难题。解决单一建设大棚光伏无法发挥大农业的集群优势的难题。③社会效益显著。除可观经济效益外，还对清洁能源的高效利用产生良好的社会示范作用。

参考文献

[1] 昝锦羽，刘祖明，廖华.光伏温室大棚温度的模拟研究[J].云南师范大学学报（自然科学版），2014，34（2）：42-47.

[2] 董微，周增产，卓杰强.光伏低碳温室设计与应用[J].农业工程，2013（4）：54-57.

[3] 徐小力，刘秋爽，见浪護.光伏充气膜温室自跟踪发电系统发电量预测[J].农业机械学报，2012（S1）：305-310.

[4] 张勇.光伏温室组件覆盖率及遮光机理研究[J].农业工程技术（温室园艺），2015，35（11）：36-39.

[5] [2016-8-25].http：//www.ecofriendlyhouses.net/greenhouse.html

项目支持：果类蔬菜北京市创新团队岗位专家项目。