光伏光谱植物生长智能补光系统应用方案研究

刘广斌 钟晓东 于宏伟 杨伟华 问涛 陈志刚

摘要：讨论光伏发电、全光谱LED植物生长灯以及智能控制系统设计出一种植物生长新能源智能控制系统。通过光伏发电提供电源，全光谱LED植物生长灯给植物提供全光谱光源;照度传感器测量环境光环境，可根据光照探头测量植物周围的光环境自动调节全光谱LED植物生长灯的光源强度，节约电能并创造出有利于植物生长的光环境促使植物生长。

关键词：全光谱LED植物生长灯;光伏发电;智能补光系统

引言

当今世界人类面临着资源的消耗和越来越严重的环境污染，以太阳能、风能等为代表的可再生能源受到重视，同时随着人们生活的提高，如何更快、更安全的获得绿色无污染的蔬菜满足于人们的日常生活需要已经成为越来越迫切的问题。随着科技技术的高速发展，跨领域的技术应用也越来越多，本文在新能源系统和农业设施进行了初步研究，该文设计一套光伏光谱植物生长智能补光系统模型，主要用于光伏发电给LED提供电源，LED全光谱灯为植物生长补光，促进植物生长，缩短生长周期。

1.光伏发电、储能系统在旅游农业中的必要性

光伏、储能与现代种养殖业密切结合的新型农业模式，有力地提升了农业科技水平，促进当地经济发展。光伏发电作为新能源的典型代表，实现了农村能源利用的变革和与时俱进，通过发展光伏养殖、光伏种植等产业，带动生态农业的发展，实现真正的低碳与可持续发展农业模式。

2.智能补光系统简述

近年来，随着设施农业的快速发展，对植物照明的研究和应用越来越多。由于植物生长对光环境有特定要求，因此需要严格把控光学参数，使其符合相应植物的生长需求，以此选择出合适的光源、确定光源的数量及排布，根据植物对光的合理需求为光源研制应用提供适宜的方案。全光谱指的是光谱波长覆盖所有可见光区、并有少量紫外光和红外光，光谱连续，光谱图中各段波长没有比例极为失调的波峰与波谷的部分。太阳光是众所周知的全光谱，而全光谱LED植物生长灯就是模拟太阳光的光照环境，具有光谱连续、色域饱和、显色指数高、光效高、寿命长、节能、环保等优点。智能补光系统通过照度传感器测自动检测植物生长的光环境，当自然光照满足植物生长时，采用自然光照;当阴雨天太阳光照较弱或晚上不满足植物生长要求时，智能补光系统会自动通过全光谱LED植物生长灯给植物提供光源，进行自动补光，促进植物生长，缩短植物生长周期。

3.光伏储能系统简述

光伏储能系统是由太阳电池组件组成的光伏方阵、光伏逆变器、储能逆变器、蓄电池组、负载以及市电构成。其中，本系统可以通过离网运行或者并离网运行两种方式运行，在离网运行系统中，应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所，光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过光伏逆变器给负载供电，同时给蓄电池组充电;在无光照时，由储能系统供电，再给交流负载供电。

光伏储能系统具有孤网运行（或独立运行）和并网运行两种不同的运行模式。孤网运行是指系统与大电网断开连接，只依靠自身内部的分布式电源来提供稳定可靠的电力供应来满足负荷需求。并网运行是指系统通过公共连接点（PCC）的静态开关接入大电网并列运行。

4.产品系统设计

4.1总体说明

该系统由光伏模组、光储控制器、锂电池、光照度传感器、PLC控制系统、LED植物生长灯等组成。

1）光照强度调节原理，植物的光合作用的需要光照强度为I，由光照度传感器测量的当前太阳光的光照强度为 Ia，则需要LED植物生长灯提供的光照强度 Ib=I-Ia，而我们在PLC中设计了10个档位区间，根据光照强度 Ib的数据在哪一个档位区间，就控制LED植物生长灯输出该档位的光照强度。

2）光储系统，光伏模组由光照转换电能，再通过光储控制器把电能储存在锂电池中或者供电给LED植物生长灯，根据运行的环境不同，也给该系统提供了市电接口，防止电量的不足。

3）PLC控制系统，主要由 PLC 与光照传感器、储能控制器以及LED植物生长灯组成，作为整个系统的核心控制系统，通过光照度传感器测量的数据分析，进行档位分类，并控制LED植物生长灯的光照强度提供植物需要的光照强度，本系统还有人机界面，可以监控目前的运行状态以及可以对不同的植物控制不同的参数。

5.智能补光系统在种苗培育和无土栽培种植中的应用示范

试验设计：以传统农业大棚、光伏农业大棚、植物灯补光实验区域、全人工照明的植物工厂等不同的场地，对不同蔬菜作物进行平行对比试验，验证不同作物的种苗培育和作物生长的适宜光强、光周期及光环境优选，同时验证带光感控制的全光谱植物種植灯的增产节能效果。对比光环境除了铨镁自有专利研发的带自动感光调节功能的全光谱植物生长灯，还有T8通用LED灯管、植物照明灯板等试验对比。

通过不同光源、不同光强下对不同作物的种苗培育，考察了10种以上的作物，获得如下的数据和结论：

1）无土栽培的蔬菜育苗，无论是基质育苗还是深液流育苗，都可以采用人工控光维持适当光强的方式，调节植株苗期的矮壮率、发芽率;适宜的光强控制在50-80umol/cm2，后期适当加强;

2）在定植后，液膜种植的蔬菜在生长前期可以通过补光和控水周期结合的形式，迅速度过缓苗期，开始补光时间为一天5小时，全天光照时间控制在9-10小时;进入快速生长期后光照时间调整为11-12小时，后期恢复为10-11小时;光强范围控制在150-250umol/cm2

3）通过对照试验可知，获得补光的蔬菜在同周期的生长速度和增重速度要快，对蔬菜提前达到采收标准有利;但是进入生长后期后，补光的优势反而不明显，因此补光的时间控制是增产及节能的平衡关键;

4）全人工照明环境下，蔬菜的生长情况与传统农业大棚相比有一定优势，但是成本过高，适合高端反季节蔬菜的种植;具备补光能力的光伏大棚和传统农业大棚相比，在夏季的降温节能和光调节上有一定的优势，能耗略高于传统大棚，但是有光伏发电效益支持，综合收益更好;

6.小结

光伏光谱植物生长智能补光系统应用方案，是集光伏发电为动力，光谱补光核心，现代化农业种植于一体的跨学科项目。本方案不仅可以提高植物的产量和品质，还可以利用光储系统进行发电，可以在天气恶劣的环境下独立运行，市场前景十分广阔。

参考文献：

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