河南地区农业温室光伏化升级设计.pdf

北 方 园 艺 设施园艺 第一作者简介 徐明磊 男 硕士 副教授 研究方 向为现代农业技术 基金项目 河南省高等学校青年骨干教师培养计划资助项 目 收稿日期 河南地区农业温室光伏化升级设计 徐 明 磊 孙 亚 楠 河南质量工程职业学院 河南 平顶山 摘 要 在传统农业温室基础上进行光伏化改造是推广光伏温室的有效途径之一 以 河南城建学院农业温室为研究对象 开展光伏化改造的研究 结果表明 光伏温室系统需要 铅酸蓄电池 块 多晶光伏组件每 个一串联 串一并联 共 块光伏组件 安装角度 控制器的每路输入最大电流应该大于 选择 变频转换器逆变器 该 温室光伏化改造成本估计为 元 预计需要 年可收回成本 创造用电收益 年 预 计创造收益 元 另外在环保节能等方面具有突出的价值和意义 关键词 河南省 农业温室 光伏 升级 中图分类号 文献标识码 文章编号 农业温室在一定程度上克服了季节变化对农 业生产的影响 在河南省农业结构中占有重要 的地位 相对于传统农业温室 光伏农业温室在 不占用额外用地的前提下 通过光伏发电为农业 生产创造出额外的经济价值和节能减排的环保价 值 是一种更具特色的现代农业形式 综合比 较 在现有农业温室基础上进行光伏化升级改造 是推广光伏温室的有效措施之一 在成本上具有 突出的优势 该文以河南省平顶山市城建学院农 业温室为研究对象 开展设计升级为光伏农业温 室的研究 并对升级成本和经济效益进行了分析 以期为实际中类似工作提供参考价值 研究对象与设计方案 研究对象与内容 以河南城建学院校属常规农业玻璃温室为研 究对象 设计升级为光伏农业温室 预期采用离 网光伏发电系统 通过在棚顶安装光伏组件发电 系统 可以在正常光照条件下为通风系统 控温系 统提供能源 并在阴雨天或无光照天气状况下保 证温室内通风 控温装置 的用电量 设计对 象温室总面积 南北跨距 东西跨 距 水平面倾角 大棚其主体采用钢 框架结合桁架梁结构 通体采用透光玻璃 框架所 采用的材料均为 热镀锌钢 图 图 试验温室 光伏农业温室发电系统 光伏农业温室的光伏系统是利用光伏电池板 直接将太阳辐射能转化为电能的发电方式 通常 由太阳能光伏电池组件 功率控制器 逆变器 蓄 电池以及负载等部件组成 图 图 光伏系统结构 光伏农业温室发电系统设计 负载容量计算 该光伏化设计只对通风 控温系统进行供电 河南城建农业温室由 台负压风机对室内氧气含 量进行调控 台分体热型落地式空调对室内温 度进行调控 依据仪器参数 台负压风机的功 率为 全年最高负载单天时长 所以 台负压风机 的总耗电量为 台分体热泵落地式房间空调器的最高功率 约 工作 所以 台分体热泵落地 式房间空调器 的耗电量为 综上所述 农业温室的通风 供暖总体日最大 负载用电量为 考虑到系统中所有设备的功率损耗 取 位逆变效率参数值 则温室内通风 供暖设备 的负载总体用电量为 光伏储能装置的选择和设计 蓄电池的选择 由于光伏供电系统容易受外界环境影响 发 电及输出极不稳定 所以需要配置光伏储能装置 才能进行工作 白天电池板接受太阳光辐射 将 光能转化为电能 蓄电池进行储存供负载使用 晚 上或阴雨天时负载用电全靠蓄电池中储存的电 能 目前 光伏系统中最常用的储蓄电池是铅酸 蓄电池 铅酸蓄电池由于其寿命长 较高的充电效 率 低价格 低维护等成为当下光伏系统最好储能 装置的选择 蓄电池容量计算 由式 可知 农业温室 通风 控温负载 需消耗电量约 通风 供暖设备工作 电压 所以负载日耗电量 负载日耗电量 系统工作电压 在正常运行的情况下 蓄电池的容量最小应 为 式中 为负载日耗电量 为放电率修正 系数 通常放电率修正系数在 为最 长连续阴雨天数 为放电深度 一般放电深度 在 为温度修正系数 在 以下 所以蓄电池所需的容量为 上述情况是考虑 之内没有光照 则必须 满足 负载的蓄电池容量 该方案选用 铅酸电池 具体技术参数见表 表 铅酸蓄电池技术参数 产品型号 容量 尺寸 质保 年 市场售价 元 蓄电池串并联计算 由式 可 知 铅酸蓄电池的容量必须为 控制器系统的设计电压为 根据 相关计算公式 确定蓄电池的串并联数 计算公式 如下 蓄电池串联数 控制器系统电压 蓄电池标准电压 块 蓄电池并联数 蓄电池总容量 蓄电池标准容量 块 所以蓄电池的串联数为 块 并联数为 块 共需要铅酸蓄电池 块 光伏组件的选择及设计 光伏组件的选择 光伏组件又叫光伏电池板 一般由太阳能光 伏板通过串联 并联或同时串并联组成 另外 因太阳能组件的输出电流为直流电流 不能直接 北 方 园 艺 月 上 用做负载设备的电源 而且太阳能的功率不稳定 所以太阳能组件需要配合相应的控制器 逆变器 使用 在光伏供电系统中 因玻璃表面反射 电池 封装等因素 电池组件比没有封装的电池评价效 率更低些 常见的电池组件有单晶太阳能电池 多晶太阳能电池 由文献资料可知单晶电池组件 成本较贵 且不易维护 所以该文设计采用多晶 太阳能组件 该系统采用的电池板型号为 为多 晶硅电池组件 其参数见表 光伏组件功率的计算依据 太阳能光伏发电 系统设计施工与应用 中的实用计算公式 该公式 表 电池组件基本参数 型号 峰值功率 峰值电压 峰值电流 太阳能电池片 多晶硅 外形尺寸 质量 价格 元 在考虑 各 种 因 素 的 影 响 后 将 相 关 系 数 纳 入 进来 电池 组 件 并 联 数 负载日平均用电量 组件日平均发电量 充电效率 系数 组件损耗系数 逆变器效率系数 电池组件串联数 系统工作电压 系统 组件峰值工作电压 电池组件并联数 电池组件串联数 系统 所以光伏组件 个一串联 串并联 共有 块 太阳组件的安装 光伏发电系统通常是取方阵接收太阳辐射量 最大值的角度作为光伏板的最佳倾角 河南城建 农业温室由 个坡屋顶组成 每个坡屋顶的角度 为 均采用钢架结构 完全可承受电池组件的 质量 直接将光伏组件平铺在温室的坡屋顶上 见 图 图 光伏安装设计预想侧面图 由式 和 可知 光伏组件每 个一串 联 串并联 共 块光伏组件 该设计将 块 光伏组件分装在 个坡屋顶上 每个坡屋顶安装 块光伏电池见图 太阳能控制器的选择 控制器的作用 整个光伏供电系统的核心部分是光伏控制 器 在光伏发电系统中 太阳能电池组件由于输 出的电流不够稳定 从而需要借助控制器进行调 控 并且控制器还有对蓄电池进行放电 充电智能 管理功能 控制系统是指由控制主体 控制客体 和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系 统 控制系统同时是为了使被控制对象达到预 定的理想状态而实施的 它的作用主要在于保护 图 光伏安装设计预想俯视图 第 期 北 方 园 艺 蓄电池 通过控制电流和电压 保证流入蓄电池的 电流和电压的稳定 让蓄电池的充电过程快速 平 稳 高效地进行 控制器的选择 光伏控制器的额定输入电流取决于电池方阵 的输入电流 通常控制器的输入电流高于或等 于电池方阵的输入电流 控制器的系统电压与蓄 电池的电压应一致 控制器的输出电流取决于输 出负载的电流 光伏控制器的输入路数必须等于 或者大于光伏方阵的输入路数 每路输入的最大 电流 额定电流 输入路数 且电池方阵的输入电 流应该等于或者小于控制器的每路的最大电流 根据上文计算系统负载功率 且该设计采用 光伏组件 个一串联 串并联 因此控制器的输 入路数为 根据上文可得光伏组件的每路最大总功 率为 每路输出的最大电流为 因此所选控制器的每路输入最大电流应该大 于 综上所述 该设计的控制器型 号 为 表 表 控制器相关参数 型号 额定充电电流 蓄电池额定电压 最大输入路数 单路最大输入电流 保护功能 充电过流 过压 直流输出低压 使用环境温度 市场价格 元 逆变器的选择 逆变器是将低压 或 直流电 转变为 或者更高伏的电子设备 逆变器 是将直流电能转变成交流电能供给负载使用的一 种转换装置 逆变器的种类很多 可以按照不同的 方式进行分类 比如按照逆变器输出交流电的不 同 可分 为 单 相 逆 变 器 三相逆变器和多相逆 变器 由表 和表 可知 农业温室内的 台负压 风机及 台分体热型落地式房间空调 的最大 负载约为 负载电压 设计电池 输入电压为 所以该项目选择 变 频转换器逆变器 相关参数见表 表 变频转换器逆变器 型号 功率 工作方式及原理 精确控制技术和双内置微处理器 脉宽调制 输出电源完全隔离 直流输入电压 交流输出电压 最大交流输出电压 逆变效率 频率 峰值系数 价格 元 试验结果 农业温室光伏化升级改造成本分析 光伏农业温室预设计 年 该设计由 块 铅酸蓄电池 块光伏电池 台控制器和 台逆 变器组成 由表 可知每块铅酸蓄电池的价格为 元 由表 可知每块光伏电池为 元 由 表 可知控制器的价格为 元 由表 可知 逆变器的价格为 元 故光伏农业温室成本 预估 元 光伏发电装置运营测试 在试运行的 年里 位于河南省平顶山市的 该温室峰值日照时数 年均光照天数 发电效率参数 故光伏系统年发电量 平顶山地区工业用电平均价格在 元左 右 由 式 可 知 光 伏 系 统 的 年 发 电 量 为 所以光伏温室的预计年收益为 元 光伏农业温室经济效益比较 由式 可知 温室的预计年收益 元 所以预计成本收回时间为 北 方 园 艺 月 上 年 由式 可知 光伏农业温室的预计需要 年可收回成本 所以光伏农业温室可以创造用 电收 益 年 由 式 可 知 年 预 计 收 益 为 元 所以预计创造收益 元 结论 光伏化改造的农业温室可以利用光伏发电装 置为温室系统提供电能 农业温室预计 年 收回成本 使用期限内可以累计创造直接收益 万元 另外在环保节能等方面也具有十分重 要的社会价值和公益意义 参考文献 周增产 赵静 李秀刚 半封闭温室设计与应用 北方园 艺 杨月梅 曹艳芳 王森 光伏农业大棚发电项目对生态农业 的影响浅析 能源与节能 房裕东 黄绍华 秦树香 光伏农业发展现状与前景分析 长江蔬菜 吴楠 张耀邦 佘炜 光伏发电 农业解锁农业发展新模式 蔬菜 卜 延 宁 光伏现代农业大棚现状与分析 农 技 服 务 祁娟霞 曹丽华 李建设 宁夏不同光伏温室和大棚冬季内 环境比较研究 浙江农业学报 董微 周增产 卓杰强 光伏低碳温室设计与应用 农业 工程 赵争鸣 孙晓瑛 刘建政 太阳能光伏发电及其应用 北 京 科学出版社 李钟实 太阳能光伏发电系统设计施工与应用 北京 人民邮电出版社 叶林 李建设 张光弟 宁夏不同光伏材料连栋温室冬季室 内环境变化规律 北方园艺 第 期 北 方 园 艺