基于温室大棚的风光互补发电系统应用探究

2018-05-16章庆

资源节约与环保 2018年4期

章庆

（天津市交通建筑设计院天津 300000）

1 温室大棚用电需求分析

项目地点位于天津市某种植专业合作社，该智能温室大棚为日光温室，主要包括供暖系统、灌溉系统、补光系统、环境参数检测系统等。其中用电设备主要有：电加热板、补光灯、水泵、硫磺盒、摄像机、温湿度测试仪。下面对大棚内的各系统进行介绍，并分析各用电设备的运行方式，通过统计智能温室大棚内各用电设备的全年功率变化，可总结出大棚内用电设备的总功率变化情况。

1.1 各设备全年用电情况

1.1.1 供暖系统

智能温室大棚冬季采用电辐射板为室内供暖，大棚内墙上均匀的分布着11个电辐射板，每个电辐射板的功率为500W。该供暖形式相较于传统的燃煤锅炉供暖方式能有效节约大棚的内部空间，降低因运行管理带来的人工成本，不存在气体排放引起的污染问题。

电辐射板全年的运行方式如表1所示。1、2、11、12月气温较低，需要启动辅助热源供暖，电辐射板每天晚上8点至次日早上8点开启，运行12个小时。这样的运行方式可以保证大棚在冬季夜间的室内温度保证在10℃左右，在此温度下植物可以进行正常的呼吸作用，为植物积累有机物，促进植物的生长。

表1 电辐射板运行方式

1.1.2 灌溉系统

该温室大棚利用水泵将水和营养液输送到苗床内，水和营养液从镂空的盆底渗入盆中，苗床中的水和营养液可以循环利用。这种浇灌技术可以节省人工浇灌的成本，同时避免了水和营养液的浪费。非常适合给盆栽植物进行浇灌。

大棚内的设有两个水泵，分别用于浇水和浇营养液。两个水泵的功率均为750W。水泵的全年运行方式如表2所示：

表2 水泵运行方式

1.1.3 补光系统

植物生长是通过光合作用进行的，光合作用可以将太阳光能转变为储藏在有机物质中的化学能，以维持和推动植物各种生命活动的进行。冬季日照时间短，太阳辐射强度相对于其他季节较弱，为了进一步提高植物的光合作用，温室大棚在冬季早晨和下午为植物补光，进而延长其光合作用的时间，促进植物的生长。智能大棚的补光时间集中在太阳辐射强度较低的1、2、11、12月四个月，在早上7点至8点开启。大棚屋顶共设置了20个高压钠灯，这些补光灯不仅起到了为植物补光的作用，照明时产生的热量还能使室温有一定程度的升高。补光灯的运行方式如表3所示。

表3 补光灯运行方式

1.1.4 环境参数检测系统

温室环境及其参数的监控对植物生长至关重要，通过大棚温湿度记录仪可以实时监测大棚内部的环境温度和湿度，使得农作物能具有良好的生产环境，保证农作物健康生长。通过视频监控设备和温室大棚智能化管理平台，相关技术人员可以实现远程检测室内气象参数及作物的生长情况，进而对温室内的各种设备进行远程智能管控，这样就能及时了解农作物生长的实际环境，对温室中的相应设备进行调控，及时满足农业生产的需求。视频监控摄像机和温湿度测试仪的运行方式见表4。

表4 监控设备运行方式

1.1.5 其他设备

农作物从播种、生长至收获，经常受到各种有害生物的危害，从而影响栽培植物的产量和质量，而大棚温室却又为病虫提供了适宜的生存环境，为了保证植物的健康生长，病虫害防治的重要性不言而喻。采用硫磺熏蒸是控制病害的有效方法，定期开启硫磺熏蒸器才能保护作物免受病虫害的威胁。表5给出了硫磺熏蒸器的运行方式。

表5 硫磺熏蒸器运行方式

1.2 温室大棚全年总功率变化情况

通过分析各用电设备的功率变化情况，可以绘制出大棚用电设备的全年功率变化曲线，如图1显示，从图中我们可以看出，温室大棚的用电高峰主要集中在冬季，春夏秋季设备的总功率很小，其主要原因是电加热板和补光灯的功率最大，二者主要在冬季的夜间运行，使得冬季用电量很大。夏季主要是营养液水泵、浇水水泵和硫磺盒间歇运行，这些设备的功率都较小。

图1 大棚全年用电设备功率变化情况

2 风光互补发电系统的应用分析

上一节对温室大棚内各种用电设备全年的运行功率以及所有设备的年总功率变化情况进行了分析，下面将讨论风光互补发电技术在该地区应用的可行性，根据大棚的用电需求确定风光互补发电系统的总功率并给出合理的运行策略。

2.1 风光互补发电系统应用于天津地区的可行性分析

根据《建筑用标准气象数据手册》[4]中的标准气象数据，图2和图3分别显示了天津地区全年的太阳能辐射强度及风速变化情况。

图2 天津地区太阳能辐射强度变化情况

图3 天津地区风速变化情况

从图中可以分析得出天津地区的太阳辐射强度变化有夏季强、冬季弱的特点，而风速变化呈现冬季强、夏季弱的特点。因而风力发电和太阳能发电在全年可以相互补充，夏季主要通过光伏发电，充分利用太阳辐射资源，冬季主要通过风力发电，充分利用风能资源。可以预见，通过风力发电机和太阳能光伏板数量的合理配置，风光互补发电系统可以在全年输出持续稳定的电能，总之，天津市的气象条件符合风光互补特性，具备风光互补发电技术的推广应用条件。

2.2 风光互补发电系统年平均发电量的确定

由智能温室大棚用电设备全年的总功率变化，可以确定为温室大棚供电的风光互补发电系统的年平均发电量。图4显示了温室大棚逐月的设备平均功率。从图中我们可以看出，1、2、11、12月份的设备平均功率最大，分别为3872W、3167W、3187W、3873W；3月较以上四个月有明显降低，为1418W；其余月份的平均功率极小，均小于200W。为了达到温室大棚的用电需求，风光互补发电系统的发电量应满足大棚冬季的用电负荷。

图4 大棚逐月平均用电功率

通过对智能温室大棚逐月设备平均功率的分析，要建设一个风光互补发电系统，风机和光伏板全年平均出力之和理论上应不低于3800W。进行发电系统容量计算时，还要在满足上述风光互补年平均发电量的基础上，考虑将系统整体投资控制在最低水平，即找到二者综合的最佳方案。

2.3 风光互补发电系统的运行策略

根据大棚夏季用电需求小而冬季用电时间主要集中在晚上的特点，夏季系统产生的多余电能存储在蓄电池中无法利用，冬季大棚的主要耗电时段在夜间，而夜间属于农业用电的低峰用电时间，对于风光互补发电系统，如果采用离网型风光互补发电系统，虽然可以使用蓄电池储能，但是蓄电池具有的造价高、维护难、二次污染甚至存在安全隐患等弊端，不但增加了运营成本，还会产生环保问题。而如果采用并网的方式，将所发电能汇入市网，以电网作为储能装置，不仅可以省掉蓄电池，比独立的发电系统建设投资还可减少达35%～45%，从而使发电成本大为降低。这种分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗，还可以起到调峰作用[5]

3 效益评价

3.1 经济效益

我国目前大力推广风光互补太阳能发电系统的建设，根据天津市2018年最新的可再生能源发电上网电价为0.75元/kWh，天津农业用电电价为0.571元/kWh，而低峰时段用电价格只有0.32元/kWh，如果采用将风光互补发电系统所发的电直接并入市网，大棚设备用电由市网提供的运行模式，不仅满足了温室大棚的用电需求，另外，每发出一度电最多还可以赚取净利润0.43元，实现了可观的发电收益。

3.2 社会效益[6]

风光互补发电系统的建设对当地的风光资源进行了合理利用，发挥风光的天然互补性，使资源得到了合理配置。并网型风光互补发电系统可以在光照充足而风力不足时通过光伏发电系统供电，风力资源丰富而辐射照度不佳时通过风力发电系统供电，风能光能均匮乏时由市网供电，从而弥补了单一能源供电可靠性差的缺陷，提高了供电系统的稳定性，改善了当地的环境状况，减轻了环境污染的危害，同时带动了地区经济的发展。