光伏温室大棚研究

崔智捷　刘雅莉　余金润　谢卫鋆

摘  要：随着光伏技术的发展和光伏组件价格的下降，光伏使用量和使用范围变得越来越宽广，建设新型农业光伏温室大棚变得越来越重要。文章介绍建设新型光伏温室大棚，用来解决传统温室大棚中存在的种种问题。首先举出传统温室大棚中所存在的问题，然后从光伏组件、光伏储能系统和温室系统设计方面介绍新型光伏温室大棚的搭建。分析光伏板的紧密式和棋盘式排列，对比独立、并网和微网三种系统结构，综合结果可以得出建设新型智能光伏温室大棚的前景可期。

关键词：传统温室大棚;光伏温室系统;光伏板排布结构;系统设计思想

中图分类号：S625;TM615       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0046-03

Research on Photovoltaic Greenhouse

CUI Zhijie，LIU Yali，YU Jinrun，XIE Weijun

（School of Physics and Electronic Engineering，Yuxi Normal University，Yuxi  653100，China）

Abstract：With the development of photovoltaic technology and the decline of the price of photovoltaic modules，the usage and use range of photovoltaic become wider and wider. The construction of a new type of agricultural photovoltaic greenhouse becomes more and more important. This paper introduces the construction of a new type of photovoltaic greenhouse to solve the problems existing in the traditional greenhouse. First，the problems existing in the traditional greenhouse are introduced，and then the construction of the new photovoltaic greenhouse is introduced from the aspects of building components，energy storage system and greenhouse system design. By analyzing the compact arrangement of photovoltaic panels and the arrangement of chess board，and comparing the three system structures of independent，grid-connected and micro-grid，the comprehensive results can be concluded that the prospect of building a new type of intelligent photovoltaic greenhouse can be expected.

Keywords：traditional greenhouse;photovoltaic greenhouse system;photovoltaic panel arrangement structure;system design idea

0  引  言

由于传统的天然石油气和柴火焚烧的不可再生和对环境的污染、破坏，使许多国家地区开始致力于发展新型能源产业，通过各国研究者的长期研究发现很多新型能源能够取代不可再生资源应用，并且取得重要成果，越来越多新型能源的使用变得普遍。随社会经济和市场环境需求的发展，光伏发电技术越来越成熟，光伏系统建造价格逐渐降落，光伏产品逐渐走进农业，走进人们的生活。在国家各种政策的支持下，市场推动着光伏产业进入到良好的境遇，光伏产业的发展也将迎来更为美好的明天。

我们都知道能源是人类赖以生存和发展的必需物质，在国民经济中占据最为重要的地位。因为能源能够给人们提供照明、取暖、降温、交通等等功能，所以能源是人类生存的心脏，驱动着社会发展。我们知道传统的不可再生能源是人们赖以生存和发展的主要支柱。但传统不可再生能源在燃烧使用时会造成环境、生态的污染和破坏。据估计，这些传统能源的储备在未来数十年或是近百年内会被消耗殆尽。随时间的流逝，能源危机变得愈来愈严重，社会各界和国家对可持续发展日趋重视，开辟新型能源用以解决能源危机和环境污染问题成为国际学术界和各国研究学者的重点。现今世界的电力主要是利用煤炭、核能等不可再生能源供应的，但随着不可再生能源的减少，电力供应出现了一些缺口，这一部分缺口需要用可再生能源去填补。太阳能是可再生新型能源中存在比较丰富、利用比较方便的一种，太阳能光伏发电的应用变得越来越重要，太阳能在几十年后将会成为基础能源之一，超越核电利用，未来将会逐渐成为人类能源构成的主要能源。现今世界各国致力于大力发展新型可再生能源，可再生能源终将会占到人类能源利用的半壁江山[1]。

1  研究背景

太阳能利用方式有许多，例如光热、光电、光化学应用等，太阳能的光电利用就是填补电力缺口最好的方式，而且光电利用可以在不同环境中都提供通用电力，在光伏大棚中将是非常重要的发展应用。据业内人士测算，光伏发电站项目未来每年所需融资規模约为1 500亿元，到2020年投资接近1万亿元。随着资本的大量投入，土地愈发成为制约光伏产业发展的瓶颈。国家规划的大量光伏发电装机容量，具有大片荒漠土地的内蒙古、青海、甘肃等省份仅占一部分，大多分布在土地资源比较稀缺的地区。为了冲破这个瓶颈，一些拥有前进思想的地区将目光投向了设施农用地，结合设施农业、渔业养殖、扶贫开发等合理地配置光伏项目。

目前，在光电实际运用中，主要表现为各种地面大型光伏电站和各种光伏与建筑物相结合的分布式电站[2]。在光伏系统与建筑物相结合的分布式电站应用中，光伏系统这一体系可以和各种有太阳光照的建筑物、构筑物等结合起来[3]，其中包括光伏系统和各种农业基础设施等的结合应用，例如农业温室大棚。在此背景条件下，光伏逐渐进入大棚时代，推动着大棚进入一体化发展。

在我校组织宣传创新创业项目的基础上，本人小组进行了“基于物联网的光伏农业大棚的研究”大创项目的研究，在此项目研究成果下，总结研究经验，发现传统温室大棚的系统缺陷，所以，研究新型光伏温室大棚不仅能够解决传统大棚的缺陷，还为环保、经济、现代化农业的建设道路添上了重要且有力的一笔。

2  传统温室大棚的问题

传统温室大棚存在寿命短、大棚内环境参数控制不理想、植物生长速率不高、能源消耗大及环保性差等问题[2]。

传统温室大棚采用的材料是塑料薄膜，这样的材料使用寿命比较短，一般每1至2年就需要更换一次，应用成本比较高，浪费消耗比较大，同时更换下来的塑料薄膜会造成白色污染，不满足节能环保的要求[2]。传统的温室大棚在温度、光照等环境参数的控制上比较困难，不能很好地给植物提供所需求的生长环境，导致许多蔬菜无法在适宜的生长阶段达到生长需求，从而产量和品质得不到很好的保证，体现不出温室大棚的优点所在。温室大棚建设所保证的是高产、高品质产物特点，是为农民增收的重要建设，然而我国四季交替和昼夜交替的温差比较大，为了保证大棚的正常运作，所需要的投入资源会随之增加，传统温室大棚搭建比较简陋，有许多的能源得不到充分利用，造成了大量的能源消耗，同时还会造成环境的污染，不利于环境保护。

3  光伏温室大棚的搭建

3.1  光伏组件

光伏组件的选择应能够确保大棚内植物得到必要的光照，同时需要隔离对植物有害的光线。使植物的光照强度、光照时间和温度系数等能够得到保证，客户促进大棚内各种植物的生长，提高其生长速率。光伏组件在一定程度上起到隔绝阳光和建筑节能的作用，可以在夏季遮阴，冬季保暖，很好地为作物生长提供适宜温度;光伏组件还能够将接收的太阳能转化为电能提供给温室和其他建筑物使用，起到了绿色环保和高效资源利用的作用。

3.2  光伏储能系统

光伏储能系统能够给温室大棚自动化设施提供电力，还利用常规的各种设施转换成植物生长所需要素。储能系统的应用关键是确定最优的电池容量和功率配置方案[4]。在光伏储能系统中利用功率转换器合理分配功率，将最优的电能应用于最为合适的地方，达到高效利用状态。

在光伏组件和储能系统的合理搭建基础上，温室大棚实施一体化建设，光伏与温室大棚的联系越来越密切，光伏发电系统与温室大棚相结合，取长补短，互相依存，利用光伏系统的优势能够弥补传统温室大棚的缺陷。光伏系统应用于农业大棚，不仅为农业大棚提供了电力，更重要的是使光伏大棚能够完全融入大棚建设的设计理念中。该系统转换出温室的各种功能参数，这些功能参数是大棚建设所不能够缺少的，同时是绿色环保生态建设必需的一部分。利用新型的光伏组件替代传统大棚建设材料，要让新型组件完全替代原有材料。另外在结构上，需要考虑光伏组件建设的技术性、实用性、美观性和安全性等因素。

3.3  光伏温室大棚系统设计

3.3.1  光伏板排列结构

光伏温室大棚的设计，核心在于光伏板的排列方式[5]。现阶段的各技术研究人员已经开始采用不同的排列方式来安装光伏板，排布所构成的紧密式和棋盘式光伏板排列形式是现在较为前沿的发展方向。首先建设单晶硅光伏板，组件分布方式为一排、两排紧密式结构和一排、两排棋盘式结构的排列[5]。这两种方式可以在更大的程度上将温室大棚的性能发挥到接近完美的状态。这两种排列方式结合在一起，就可以设计出最优的光伏大棚来。图1为紧密式排列结构，图2为棋盘式排列结构。

3.3.2  光伏温室大棚系统设计

根据光伏温室大棚的地理位置、区域特点、功能和规模等，可将温室大棚分为独立型、并网型和微网型[2]。

在少电、区域小且光伏建设规模比较小的温室，一般采用独立型的光伏温室大棚，该系统主要由光伏板、控制器、蓄电池、逆变器等组成;在有电且光伏建设规模适中的地区，建设温室采用并网型光伏温室大棚，該系统由光伏板、控制器、并网逆变器、功率转换器等组成;微网型光伏温室大棚具有更稳定、可靠、智能的特性，该系统由光伏板、并网逆变器、微网控制器、储能逆变器、大电网等组成。储能是光伏发电系统所必不可少的一环，现阶段有许许多多的因素限制着储能技术的发展，储能器件的制造技术也不是十分成熟，所以现阶段只能在小规模范围内应用。随着未来储能元件的技术不断发展，光伏储能大规模应用必将成为主流趋势。

独立型光伏温室大棚系统：光伏板采集阳光，将光能转换为电能储存在蓄电池中，通过控制器控制电能供给温室直流负载或通过逆变器转化为交流电供给光伏大棚主电源系统。独立型光伏温室大棚结构如图3所示。

并网型光伏温室大棚系统：该形式的温室系统分为集中式和分散式并网。集中式并网所发电能够被直接输送到大电网，由大电网同一分配输送到各负载上，这种并网型结构通常建设在荒漠和负荷点远的地区。分散式并网所发电能被直接分配到用电负载上，适用于小规模光伏发电系统，通常建设在城区。并网型光伏温室大棚结构如图4所示。

微网型光伏温室大棚系统：微网型光伏温室大棚系统就是在并网型光伏温室大棚系统的建设下，采用微网控制器对电能进行交换控制，然后输送电能到大电网对光伏温室进行供能，或者通过储能逆变器转化为直流电储存到蓄电池中。微网型光伏温室大棚结构如图5所示。

4  结  论

新型光伏温室大棚的建设成功不仅解决了传统大棚面临的种种问题和不足，而且促进了温室大棚向生态环保、高产高效的现代化农业发展，在很大程度上也促进了光伏技术在与其他产业结合上的推广和应用，值得大力建设。

光伏温室大棚系统的搭建是为了满足大棚内作物生长成熟所需的各种条件，培育出更为高产高质量的产物。研究分析上述几种不同的光伏板结构和光伏温室大棚结构，找出最为适合作物生长的环境，搭建出理想的光伏温室大棚，为构建绿色环保、高产高效的现代化农业提供了有利条件。因此，开发新型智能的光伏温室大棚系统具有实际的价值和意义。

参考文献：

[1] 崔俊奎，赵军.光电幕墙技术在太阳能建筑一体化中的应用研究 [J].建筑节能，2008（8）：56-59.

[2] 黄勇.光伏发电系统在温室大棚上的应用 [J].科技广场，2015（5）：69-76.

[3] 贾涵冰，南晓红，洪妮，等.基于太阳能光伏供电模式的苹果冷藏库耗能分析 [J].建筑热能通风空调，2019，38（9）：66-70.

[4] 倪驰昊，刘学智.光伏储能系统的电池容量配置及经济性分析 [J].浙江电力，2019，38（1）：1-10.

[5] 昝锦羽，刘祖明，廖华，等.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.

作者简介：崔智捷（1998—），男，白族，云南大理人，本科在读，研究方向：自动化;刘雅莉（1988—），女，汉族，云南保山人，硕士，讲师，主要研究方向：太阳能光伏运用;余金润（1998—），女，汉族，云南昆明人，本科在读，研究方向：自动化;谢卫鋆（1997—），女，汉族，云南保山人，本科在读，研究方向：自动化。