封閉流水式網(wǎng)箱養(yǎng)殖混合供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許明昌

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

封閉流水式網(wǎng)箱養(yǎng)殖混合供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許明昌

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

封閉流水式網(wǎng)箱養(yǎng)殖優(yōu)點(diǎn)是零排放無污染，符合環(huán)保養(yǎng)殖要求，缺點(diǎn)是水質(zhì)容易惡化，水交換與排污能耗大。為了降低能耗并確保設(shè)備正常運(yùn)行，研發(fā)太陽能-市電-柴油發(fā)電機(jī)混合供電系統(tǒng)。基于蓄電池充放電特性，采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能智能充放電控制與保護(hù)，應(yīng)用雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有序混合供電。太陽能月均發(fā)電量250 kW·h，日均供電8.3 kW·h，滿足負(fù)載日均耗電6.6～8.8 kW·h要求。結(jié)果表明，在陽光充足情況下，以太陽能供電為主；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣情況下，供電順序?yàn)樾铍姵?充滿狀態(tài)可放電3～4 h)、市電、柴油發(fā)電機(jī)。隨著太陽能系統(tǒng)性價(jià)比的提高，節(jié)能效果將更加明顯。

網(wǎng)箱養(yǎng)殖；太陽能；混合供電；逆變器

網(wǎng)箱養(yǎng)殖有開放式和封閉流水式兩種養(yǎng)殖模式。開放式網(wǎng)箱使用有眼網(wǎng)衣，箱內(nèi)外水體自然交換，殘餌與排泄物自然排放，配套設(shè)備少，能耗低但污染嚴(yán)重，為非環(huán)保養(yǎng)殖；封閉流水式網(wǎng)箱使用無眼網(wǎng)衣，箱內(nèi)外水體人為交換，殘餌與排泄物零排放，配套設(shè)備多，能耗大但無污染，為環(huán)保養(yǎng)殖[1-8]。由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖水域通常離岸距離較遠(yuǎn)，養(yǎng)殖配套設(shè)施供電相對困難，因此，安全供電是封閉流水式網(wǎng)箱養(yǎng)殖必須解決的技術(shù)之一。太陽能是一種無污染清潔再生能源，在漁業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9-13]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由太陽能電池組件、蓄電池組、太陽能控制器、智能逆變器、電能表、電源切換器、變頻器、公共供電系統(tǒng)(市電)和柴油發(fā)電機(jī)等組成(圖1)。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

太陽能電池組件吸收太陽輻射能并轉(zhuǎn)換成電能，由太陽能控制器控制蓄電池充放電，在充放電過程中在線檢測蓄電池電量狀態(tài)，當(dāng)蓄電池電壓過壓時停止充電，欠壓時停止放電。系統(tǒng)供電順序依次為：當(dāng)太陽能電池(或蓄電池)電壓≥額定電壓時，智能逆變器工作，切換器自動切換至逆變輸出；電壓欠壓且有公共供電系統(tǒng)(市電)時，智能逆變器不工作，切換器自動切換至市電輸出；電壓欠壓且無市電時，切換器自動切換至柴油發(fā)電機(jī)輸出。3種方式輸出經(jīng)變頻器變頻后以V/F或矢量輸出方式帶動負(fù)載工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽能電池組件方陣

2.1.1 太陽能電池組件

太陽能電池材料特性確定了組件性能。表1可見，單晶硅轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好[14]。為了充分利用太陽輻射能，選用S-180/190W單晶硅組件，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定峰值功率190 W，額定峰值電壓36.9 V，峰值電流5.15 A，標(biāo)稱電壓24 V。

表1 常用太陽能電池性能特點(diǎn)

2.1.2 方陣傾角與方位角

系統(tǒng)應(yīng)用在杭州千島湖鱘龍科技開發(fā)有限公司養(yǎng)殖基地，表2為杭州地區(qū)氣象資料[15]，當(dāng)?shù)睾０?3 m，經(jīng)度118.99°E，緯度29.58°N。表3為方陣傾角常用選取方式[16]。

表2 杭州地區(qū)氣象資料

表3 方陣傾角常用選取方式

理想的傾角不但使太陽能電池全年發(fā)電量最大，而且能縮小各月份發(fā)電量差異。根據(jù)網(wǎng)箱所在緯度選擇傾角為29.58°+7°=36.58°。為使方陣全年接受日光照射時間最長，選擇方位角為正南。

2.1.3 組件串并聯(lián)數(shù)及方陣總功率

將組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來可獲得系統(tǒng)所需工作電壓。如果串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓就不能對蓄電池充電，遠(yuǎn)高于浮充電壓時充電電流也不會明顯增加，當(dāng)串聯(lián)電壓處于合適的浮充電壓時才能達(dá)到最佳的充電狀態(tài)。系統(tǒng)負(fù)載2.2 kW，工作電壓380 V/AC，額定工作電流5.05 A，日均工作時間3～5 h；逆變器逆變效率0.95；系統(tǒng)當(dāng)?shù)胤逯等照諘r數(shù)4 h(3.8～6 h)，根據(jù)實(shí)用計(jì)算公式[16]計(jì)算結(jié)果如下：

NCS=VS×1.43/VCP

(1)

PDG=ICP×TPS

(2)

NCP=PLD/(PDG×η)

(3)

PCT=NCS×NCP×PCP

(4)

式(1)中：NCS-組件串聯(lián)數(shù)；VS-系統(tǒng)工作電壓(V)；VCP-組件峰值工作電壓(V)。式(2)中：PDG-組件日均發(fā)電量；ICP-組件峰值工作電流(A)；TPS-峰值日照時數(shù)(h)。式(3)中：NCP-組件并聯(lián)數(shù)；PLD-負(fù)載日均用電量(Ah)；η-逆變器逆變效率。式(4)中：PCT-組件方陣總功率、SPP-組件峰值功率(W)。

由式(1)得：NCS=220×1.43/36.9=8.53，取整數(shù)9；由式(2)得：PDG=5.05×4=20.2 Ah。由式(3)得：NCP=5.05×4/(5.15×4×0.95)=1.03，取整數(shù)2；由式(4)得：PCT=2×9×190=3 420 W。組件串聯(lián)數(shù)為9，組件并聯(lián)數(shù)為2，共使用18個太陽能電池組件，組件方陣總功率為3 420 W。

2.2 蓄電池組

2.2.1 蓄電池容量

太陽能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池通常處于浮充狀態(tài)，電壓隨發(fā)電量和用電量變化而變化，且提供的能量還受環(huán)境溫度影響。由表2可見太陽能電池發(fā)電量各月份有很大差別，太陽能最大發(fā)電量、日均耗電量和連續(xù)陰雨天負(fù)載耗電量是決定蓄電池容量的主要依據(jù)。常用蓄電池容量CB計(jì)算公式[16]：

CB=A×QL×NL×TO/CC(Ah)

(5)

式中：CB-蓄電池容量(Ah)；A-安全系數(shù)(1.1～1.4)；QL-日均功耗(工作電流乘日均工作小時數(shù))，Ah/d；NL-最長連續(xù)陰雨天數(shù)；TO-溫度修正系數(shù)(0℃以上1，-10℃以上1.1，-10℃以下1.2)；CC-放電深度(鉛酸蓄電池0.75)。根據(jù)表2與負(fù)載實(shí)際工作需求，選擇A=1.3、QL=5.05×3、NL=4、TO=1.1。由式(5)得出蓄電池容量為CB=1.3×5.05×3×4×1.1/0.75=115.544 Ah。

2.2.2 蓄電池串聯(lián)數(shù)

將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來就可獲得系統(tǒng)所需要的工作電壓。串聯(lián)過程中，太陽能電池組標(biāo)稱電壓之和要與蓄電池標(biāo)稱電壓相匹配，系統(tǒng)才能正常工作，且能減少系統(tǒng)逆變損耗。計(jì)算公式[16]：

NBS=VS/VB

(6)

式中：NBS-蓄電池串聯(lián)數(shù)；VS-系統(tǒng)工作電壓，V；VB-蓄電池標(biāo)稱電壓，V；NBS=220/12=18.33，取整數(shù)18。

2.2.3 蓄電池選擇

通常與太陽能電池配套使用的有鉛酸免維護(hù)、普通鉛酸和堿性鎳鎘三種蓄電池[17]。系統(tǒng)選用具有環(huán)保特性的鉛酸免維護(hù)12V120Ah膠體電池，該電池放電曲線平直、拐點(diǎn)高，質(zhì)能比70 kW/kg，比常規(guī)鉛酸電池高20%以上，使用壽命是常規(guī)鉛酸電池的1倍，具有充電效率高、存放期長、自放電少、內(nèi)阻變化小和低溫啟動性能好等特點(diǎn)。

2.3 太陽能充放電控制器

太陽能充放電控制器是控制太陽能電池組件對蓄電池充電及蓄電池對負(fù)載放電的控制設(shè)備，其性能直接關(guān)系太陽能電池組件發(fā)電的利用效率。根據(jù)蓄電池特性，實(shí)時采集太陽能電池組件和蓄電池的電流、電壓及環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)進(jìn)行浮充、均充放、全功率充放等方式進(jìn)行控制與保護(hù)，同時應(yīng)用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能管理，主要有功率調(diào)節(jié)、保護(hù)(電氣、反接、短路、過流、防雷等)、蓄電池向太陽能電池組件反向放電阻尼等功能[18]。其工作原理見圖2。

圖2 太陽能充放電控制原理圖

2.4 智能逆變器

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，其性能直接關(guān)系到蓄電池電能的使用效率。智能逆變控制原理見圖3。

圖3 智能逆變控制原理圖

逆變器智能管理系統(tǒng)采用MCU(單片機(jī))、SPWM(正弦脈寬調(diào)制)和輸出反饋技術(shù)，可大大提高M(jìn)TBF(平均無故障時間)[19-22]。由獨(dú)立主板控制逆變器工作，顯示終端采用圖形操作界面，操作簡單直觀，顯示模塊自帶實(shí)時時鐘和存儲器，可保存256條事件記錄和其他信息設(shè)置等，系統(tǒng)設(shè)置了斷路、過流、過壓、過熱、防蓄電池過放電等保護(hù)功能，保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.5 延時控制

網(wǎng)箱集污與供氧采用空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)真空吸污和氣壓增氧。為了節(jié)省電能，設(shè)計(jì)了空壓機(jī)延時控制系統(tǒng)，當(dāng)空壓機(jī)氣罐內(nèi)的壓力升到上限值時，壓力開關(guān)自動斷開電源，停止充氣；當(dāng)壓力降到下限值時，壓力開關(guān)自動吸合，開始充氣。由于變頻器檢測到負(fù)載才能正常工作，因此，通過變頻器輸出無法控制空壓機(jī)工作，在變頻器控制回路和空壓機(jī)壓力開關(guān)回路中加入時間繼電器。當(dāng)壓力開關(guān)吸合后，繼電器延時吸合(延時時間1～10 s可調(diào))，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出供電負(fù)載自動啟動。圖4分別展示了延時繼電器線圈與壓力開關(guān)及延時繼電器常開觸點(diǎn)與變頻器CM的控制原理。

圖4 延時控制原理圖

2.6 變頻器

變頻器是將工頻電源轉(zhuǎn)換成頻率可變的電能控制設(shè)備，主要目的是降低負(fù)載啟動電流(軟啟動)、減輕對電源沖擊和容量要求、延長設(shè)備壽命和降低維護(hù)成本。常規(guī)感性負(fù)載直接啟動電流約為額定電流的4～7倍，對電源容量要求高，變頻器使啟動電流從零開始，是最節(jié)能的啟動方式。系統(tǒng)選用的ATV312HU22N4變頻器具有啟動電流控制、電壓波動小、啟動功率低、運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)矩極限可調(diào)、停止方式受控、節(jié)能等特點(diǎn)。

2.7 雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)兩路電源自動切換。當(dāng)主電源發(fā)生故障時，自動切換至副電源供電，主電源恢復(fù)正常時自動切回主電源供電，是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要設(shè)備。系統(tǒng)采用HGLD-20A/41，切換時間1～3 s。

2.8 柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，必須符合系統(tǒng)負(fù)載正常供電要求。系統(tǒng)總負(fù)載4.4 kW，考慮到負(fù)載啟動電流因素，系統(tǒng)選用常柴ZS1100柴油機(jī)、正泰STC-10 kW發(fā)電機(jī)組成的電啟動柴油發(fā)電機(jī)，輸出功率10 kW/12.5 kVA,額定電流18 A,功率因數(shù)0.8，采取不同時啟動方式以保證柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載能力。

2.9 電能表

系統(tǒng)使用兩個DTSF1352 LCD脈沖電能表，分別計(jì)量太陽能用電量和系統(tǒng)總用電量，該表脈沖輸出、精度1級、7個模數(shù)，方便了解系統(tǒng)用電情況。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 充放電控制軟件

充放電控制軟件通過實(shí)時采集太陽能電池組件、蓄電池和負(fù)載的電流、電壓及溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)太陽能電池組件的發(fā)電量和蓄電池實(shí)時電壓，對蓄電池分別進(jìn)行過充、浮充、均充和全功率方式充電，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蓄電池全功率放電控制與保護(hù)(圖5)。

3.2 智能逆變控制軟件

逆變控制包括對SPWM的H橋開關(guān)管的開關(guān)控制方式和SPWM脈寬的控制基于事件管理模塊和A/D模塊，由基準(zhǔn)時間定時器、非對稱/對稱波形發(fā)生器、輸出邏輯控制單元等組成，采樣信號處理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，通過基波頻率與調(diào)制波頻率進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波，實(shí)現(xiàn)SPWM逆變技術(shù)(圖6)。

圖5 充放電控制程序流程圖

圖6 逆變控制程序流程圖

4 結(jié)果與討論

試驗(yàn)在杭州千島湖鱘龍科技股份有限公司建德養(yǎng)殖基地運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5～9月份(非陰雨天，下同)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)8:30開始供電，17:30停止供電；4、10月份，9:30開始供電，16:30停止供電；其他月份10:30開始供電，16:00停止供電。在連續(xù)陰雨天的情況下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)日供電不足2 h，主要由市電或柴油發(fā)電機(jī)供電。太陽能電能表顯示月均發(fā)電量250 kW·h,日均供電量8.3 kW·h。

結(jié)果表明，由于5～9月份日照充足，太陽能發(fā)電系統(tǒng)完全能滿足負(fù)載供電需求；4、10月份及其他月份因日照一般或較弱，系統(tǒng)只能滿足負(fù)載40%～70%供電需求；連續(xù)陰雨天氣情況下日照差，太陽能發(fā)電系統(tǒng)之所以供電不足2 h，除了氣象原因，還因?yàn)橄到y(tǒng)采取了防止蓄電池深度放電而影響使用壽命的保護(hù)措施(陰雨天組件發(fā)電量小，基本由蓄電池供電)。日均8.3 kW·h供電量完全能滿足2.2 kW負(fù)載日均耗電3～4 h的要求。經(jīng)過春夏秋冬不同氣象環(huán)境條件下的運(yùn)行情況表明，太陽能組件光電轉(zhuǎn)化率高，蓄電池充放電、太陽能-市電-柴油發(fā)電機(jī)三者之間智能切換、實(shí)時監(jiān)控等各部分工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

太陽能隨氣候變化具有不穩(wěn)定性，因此，系統(tǒng)按照能量產(chǎn)生最少時期，同時考慮出現(xiàn)極端情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以混合供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是太陽能利用率高、系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)簡單，且無人值守。系統(tǒng)初期工程較大、投資成本高，尚存在柴油發(fā)電機(jī)的污染和噪音問題，需要今后做進(jìn)一步研究。基于傳統(tǒng)能源利用對環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，世界各國相繼制定了嚴(yán)厲的環(huán)境保護(hù)措施，并制定了新能源開發(fā)利用優(yōu)惠政策。漁業(yè)正在向綠色、環(huán)保、高效的現(xiàn)代漁業(yè)經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變，相信隨著太陽能光伏技術(shù)、儲能技術(shù)、逆變技術(shù)的發(fā)展及相應(yīng)設(shè)備成本降低，完全由太陽能供電的獨(dú)立系統(tǒng)一定會在封閉流水式網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

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Designofthehybridpowersystemofaquaculturewithclosedcage

XUMingchang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai20092,China)

The advantages of aquaculture with closed cage are zero emission,no pollution and environment friendly;while the disadvantages are the proneness of the water quality deterioration and the huge energy consumption for water exchange and sewage. In order to reduce energy consumption and ensure the normal operation of the equipment,a hybrid power supply system of solar energy-mains-diesel generator has been developed. Based on the charging and discharging characteristics of batteries,the intelligent solar charging and discharging control and protection is achieved by using the technology of Maximum Power Point Tracking (MPPT) and Digital Signal Processing (DSP);and an orderly hybrid power supply is achieved by using dual power Automatic Transfer Switching (ATS). The average monthly solar power capacity is 250 kW·h and the average daily power supply is 8.3 kW·h,which meets the requirements of the average daily load consumption of 6.6 ～ 8.8 kW·h. The results showed that,the power is supplied by the solar energy on sunny days and the power is supplied by the battery (discharge for 3 to 4 hours upon full charge),mains and diesel generator in turn during continuous rainy days. The energy saving effect will be more obvious with the improvement of the solar energy system.

aquaculture with closed cage;solar energy;hybrid power supply;inverter

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.011

2017-09-01

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(SQ2011EC3260027)

許明昌(1961—)，男，高級工程師，研究方向：助漁儀器與自動化控制。E-mail:mingchangxu@163.com

S969.3

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