基于溫室大棚的風光互補發電系統應用探究

章 慶

（天津市交通建筑設計院 天津 300000）

1 溫室大棚用電需求分析

項目地點位于天津市某種植專業合作社，該智能溫室大棚為日光溫室，主要包括供暖系統、灌溉系統、補光系統、環境參數檢測系統等。其中用電設備主要有：電加熱板、補光燈、水泵、硫磺盒、攝像機、溫濕度測試儀。下面對大棚內的各系統進行介紹，并分析各用電設備的運行方式，通過統計智能溫室大棚內各用電設備的全年功率變化，可總結出大棚內用電設備的總功率變化情況。

1.1 各設備全年用電情況

1.1.1 供暖系統

智能溫室大棚冬季采用電輻射板為室內供暖，大棚內墻上均勻的分布著11個電輻射板，每個電輻射板的功率為500W。該供暖形式相較于傳統的燃煤鍋爐供暖方式能有效節約大棚的內部空間，降低因運行管理帶來的人工成本，不存在氣體排放引起的污染問題。

電輻射板全年的運行方式如表1所示。1、2、11、12月氣溫較低，需要啟動輔助熱源供暖，電輻射板每天晚上8點至次日早上8點開啟，運行12個小時。這樣的運行方式可以保證大棚在冬季夜間的室內溫度保證在10℃左右，在此溫度下植物可以進行正常的呼吸作用，為植物積累有機物，促進植物的生長。

表1 電輻射板運行方式

1.1.2 灌溉系統

該溫室大棚利用水泵將水和營養液輸送到苗床內，水和營養液從鏤空的盆底滲入盆中，苗床中的水和營養液可以循環利用。這種澆灌技術可以節省人工澆灌的成本，同時避免了水和營養液的浪費。非常適合給盆栽植物進行澆灌。

大棚內的設有兩個水泵，分別用于澆水和澆營養液。兩個水泵的功率均為750W。水泵的全年運行方式如表2所示：

表2 水泵運行方式

1.1.3 補光系統

植物生長是通過光合作用進行的，光合作用可以將太陽光能轉變為儲藏在有機物質中的化學能，以維持和推動植物各種生命活動的進行。冬季日照時間短，太陽輻射強度相對于其他季節較弱，為了進一步提高植物的光合作用，溫室大棚在冬季早晨和下午為植物補光，進而延長其光合作用的時間，促進植物的生長。智能大棚的補光時間集中在太陽輻射強度較低的1、2、11、12月四個月，在早上7點至8點開啟。大棚屋頂共設置了20個高壓鈉燈，這些補光燈不僅起到了為植物補光的作用，照明時產生的熱量還能使室溫有一定程度的升高。補光燈的運行方式如表3所示。

表3 補光燈運行方式

1.1.4 環境參數檢測系統

溫室環境及其參數的監控對植物生長至關重要，通過大棚溫濕度記錄儀可以實時監測大棚內部的環境溫度和濕度，使得農作物能具有良好的生產環境，保證農作物健康生長。通過視頻監控設備和溫室大棚智能化管理平臺，相關技術人員可以實現遠程檢測室內氣象參數及作物的生長情況，進而對溫室內的各種設備進行遠程智能管控，這樣就能及時了解農作物生長的實際環境，對溫室中的相應設備進行調控，及時滿足農業生產的需求。視頻監控攝像機和溫濕度測試儀的運行方式見表4。

表4 監控設備運行方式

1.1.5 其他設備

農作物從播種、生長至收獲，經常受到各種有害生物的危害，從而影響栽培植物的產量和質量，而大棚溫室卻又為病蟲提供了適宜的生存環境，為了保證植物的健康生長，病蟲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，定期開啟硫磺熏蒸器才能保護作物免受病蟲害的威脅。表5給出了硫磺熏蒸器的運行方式。

表5 硫磺熏蒸器運行方式

1.2 溫室大棚全年總功率變化情況

通過分析各用電設備的功率變化情況，可以繪制出大棚用電設備的全年功率變化曲線，如圖1顯示，從圖中我們可以看出，溫室大棚的用電高峰主要集中在冬季，春夏秋季設備的總功率很小，其主要原因是電加熱板和補光燈的功率最大，二者主要在冬季的夜間運行，使得冬季用電量很大。夏季主要是營養液水泵、澆水水泵和硫磺盒間歇運行，這些設備的功率都較小。

圖1 大棚全年用電設備功率變化情況

2 風光互補發電系統的應用分析

上一節對溫室大棚內各種用電設備全年的運行功率以及所有設備的年總功率變化情況進行了分析，下面將討論風光互補發電技術在該地區應用的可行性，根據大棚的用電需求確定風光互補發電系統的總功率并給出合理的運行策略。

2.1 風光互補發電系統應用于天津地區的可行性分析

根據《建筑用標準氣象數據手冊》[4]中的標準氣象數據，圖2和圖3分別顯示了天津地區全年的太陽能輻射強度及風速變化情況。

圖2 天津地區太陽能輻射強度變化情況

圖3 天津地區風速 變化情況

從圖中可以分析得出天津地區的太陽輻射強度變化有夏季強、冬季弱的特點，而風速變化呈現冬季強、夏季弱的特點。因而風力發電和太陽能發電在全年可以相互補充，夏季主要通過光伏發電，充分利用太陽輻射資源，冬季主要通過風力發電，充分利用風能資源。可以預見，通過風力發電機和太陽能光伏板數量的合理配置，風光互補發電系統可以在全年輸出持續穩定的電能，總之，天津市的氣象條件符合風光互補特性，具備風光互補發電技術的推廣應用條件。

2.2 風光互補發電系統年平均發電量的確定

由智能溫室大棚用電設備全年的總功率變化，可以確定為溫室大棚供電的風光互補發電系統的年平均發電量。圖4顯示了溫室大棚逐月的設備平均功率。從圖中我們可以看出，1、2、11、12月份的設備平均功率最大，分別為3872W、3167W、3187W、3873W；3月較以上四個月有明顯降低，為1418W；其余月份的平均功率極小，均小于200W。為了達到溫室大棚的用電需求，風光互補發電系統的發電量應滿足大棚冬季的用電負荷。

圖4 大棚逐月平均用電功率

通過對智能溫室大棚逐月設備平均功率的分析，要建設一個風光互補發電系統，風機和光伏板全年平均出力之和理論上應不低于3800W。進行發電系統容量計算時，還要在滿足上述風光互補年平均發電量的基礎上，考慮將系統整體投資控制在最低水平，即找到二者綜合的最佳方案。

2.3 風光互補發電系統的運行策略

根據大棚夏季用電需求小而冬季用電時間主要集中在晚上的特點，夏季系統產生的多余電能存儲在蓄電池中無法利用，冬季大棚的主要耗電時段在夜間，而夜間屬于農業用電的低峰用電時間，對于風光互補發電系統，如果采用離網型風光互補發電系統，雖然可以使用蓄電池儲能，但是蓄電池具有的造價高、維護難、二次污染甚至存在安全隱患等弊端，不但增加了運營成本，還會產生環保問題。而如果采用并網的方式，將所發電能匯入市網，以電網作為儲能裝置，不僅可以省掉蓄電池，比獨立的發電系統建設投資還可減少達35%～45%，從而使發電成本大為降低。這種分布式建設，就近就地分散發供電，進入和退出電網靈活，有利于改善電力系統的負荷平衡，并可降低線路損耗，還可以起到調峰作用[5]

3 效益評價

3.1 經濟效益

我國目前大力推廣風光互補太陽能發電系統的建設，根據天津市2018年最新的可再生能源發電上網電價為0.75元/kWh，天津農業用電電價為0.571元/kWh，而低峰時段用電價格只有0.32元/kWh，如果采用將風光互補發電系統所發的電直接并入市網，大棚設備用電由市網提供的運行模式，不僅滿足了溫室大棚的用電需求，另外，每發出一度電最多還可以賺取凈利潤0.43元，實現了可觀的發電收益。

3.2 社會效益[6]

風光互補發電系統的建設對當地的風光資源進行了合理利用，發揮風光的天然互補性，使資源得到了合理配置。并網型風光互補發電系統可以在光照充足而風力不足時通過光伏發電系統供電，風力資源豐富而輻射照度不佳時通過風力發電系統供電，風能光能均匱乏時由市網供電，從而彌補了單一能源供電可靠性差的缺陷，提高了供電系統的穩定性，改善了當地的環境狀況，減輕了環境污染的危害，同時帶動了地區經濟的發展。

結語

風光互補發電系統因其清潔、環保、輸出穩定可靠的優勢受到越來越廣泛的關注，將并網型風光互補發電技術應用于設施農業大棚，既能保證大棚的用電可靠性，又可獲得發電收益，同時還改善了環境污染問題，在盈利的同時又充分利用了可再生能源，真正實現了社會經濟和環境效益雙豐收，具有良好的發展前景和較高的推廣價值。

參考文獻

[1]趙昕宇.風光互補發電潛力分析與系統優化設計研究[D].河南農業大學,2014.

[2]孫楠,邢德山,杜海玲.風光互補發電系統的發展與應用[J].山西電力,2010(4):54-56.

[3]孫先鵬,鄒志榮,郭康權,等.可再生能源在我國設施農業中的應用[J].北方園藝,2012(11):46-50.

[4]張晴原,楊洪興.建筑用標準氣象數據手冊[M].中國建筑工業出版社,2012.

[5]趙邈,周任軍,張斌,等.小型風光互補并網發電系統[C]//中國高等學校電力系統及其自動化專業學術年會暨中國電機工程學會電力系統專業委員會2010年年會.2010.

[6]張俊霞.大型風光互補電站的設計及運行優化分析[J].電力與能源,2013,34(3):278-280.