光伏溫室大棚研究

崔智捷　劉雅莉　余金潤　謝衛鋆

摘? 要：隨著光伏技術的發展和光伏組件價格的下降，光伏使用量和使用范圍變得越來越寬廣，建設新型農業光伏溫室大棚變得越來越重要。文章介紹建設新型光伏溫室大棚，用來解決傳統溫室大棚中存在的種種問題。首先舉出傳統溫室大棚中所存在的問題，然后從光伏組件、光伏儲能系統和溫室系統設計方面介紹新型光伏溫室大棚的搭建。分析光伏板的緊密式和棋盤式排列，對比獨立、并網和微網三種系統結構，綜合結果可以得出建設新型智能光伏溫室大棚的前景可期。

關鍵詞：傳統溫室大棚;光伏溫室系統;光伏板排布結構;系統設計思想

中圖分類號：S625;TM615? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

由于傳統的天然石油氣和柴火焚燒的不可再生和對環境的污染、破壞，使許多國家地區開始致力于發展新型能源產業，通過各國研究者的長期研究發現很多新型能源能夠取代不可再生資源應用，并且取得重要成果，越來越多新型能源的使用變得普遍。隨社會經濟和市場環境需求的發展，光伏發電技術越來越成熟，光伏系統建造價格逐漸降落，光伏產品逐漸走進農業，走進人們的生活。在國家各種政策的支持下，市場推動著光伏產業進入到良好的境遇，光伏產業的發展也將迎來更為美好的明天。

我們都知道能源是人類賴以生存和發展的必需物質，在國民經濟中占據最為重要的地位。因為能源能夠給人們提供照明、取暖、降溫、交通等等功能，所以能源是人類生存的心臟，驅動著社會發展。我們知道傳統的不可再生能源是人們賴以生存和發展的主要支柱。但傳統不可再生能源在燃燒使用時會造成環境、生態的污染和破壞。據估計，這些傳統能源的儲備在未來數十年或是近百年內會被消耗殆盡。隨時間的流逝，能源危機變得愈來愈嚴重，社會各界和國家對可持續發展日趨重視，開辟新型能源用以解決能源危機和環境污染問題成為國際學術界和各國研究學者的重點?，F今世界的電力主要是利用煤炭、核能等不可再生能源供應的，但隨著不可再生能源的減少，電力供應出現了一些缺口，這一部分缺口需要用可再生能源去填補。太陽能是可再生新型能源中存在比較豐富、利用比較方便的一種，太陽能光伏發電的應用變得越來越重要，太陽能在幾十年后將會成為基礎能源之一，超越核電利用，未來將會逐漸成為人類能源構成的主要能源?，F今世界各國致力于大力發展新型可再生能源，可再生能源終將會占到人類能源利用的半壁江山[1]。

1? 研究背景

太陽能利用方式有許多，例如光熱、光電、光化學應用等，太陽能的光電利用就是填補電力缺口最好的方式，而且光電利用可以在不同環境中都提供通用電力，在光伏大棚中將是非常重要的發展應用。據業內人士測算，光伏發電站項目未來每年所需融資規模約為1 500億元，到2020年投資接近1萬億元。隨著資本的大量投入，土地愈發成為制約光伏產業發展的瓶頸。國家規劃的大量光伏發電裝機容量，具有大片荒漠土地的內蒙古、青海、甘肅等省份僅占一部分，大多分布在土地資源比較稀缺的地區。為了沖破這個瓶頸，一些擁有前進思想的地區將目光投向了設施農用地，結合設施農業、漁業養殖、扶貧開發等合理地配置光伏項目。

目前，在光電實際運用中，主要表現為各種地面大型光伏電站和各種光伏與建筑物相結合的分布式電站[2]。在光伏系統與建筑物相結合的分布式電站應用中，光伏系統這一體系可以和各種有太陽光照的建筑物、構筑物等結合起來[3]，其中包括光伏系統和各種農業基礎設施等的結合應用，例如農業溫室大棚。在此背景條件下，光伏逐漸進入大棚時代，推動著大棚進入一體化發展。

在我校組織宣傳創新創業項目的基礎上，本人小組進行了“基于物聯網的光伏農業大棚的研究”大創項目的研究，在此項目研究成果下，總結研究經驗，發現傳統溫室大棚的系統缺陷，所以，研究新型光伏溫室大棚不僅能夠解決傳統大棚的缺陷，還為環保、經濟、現代化農業的建設道路添上了重要且有力的一筆。

2? 傳統溫室大棚的問題

傳統溫室大棚存在壽命短、大棚內環境參數控制不理想、植物生長速率不高、能源消耗大及環保性差等問題[2]。

傳統溫室大棚采用的材料是塑料薄膜，這樣的材料使用壽命比較短，一般每1至2年就需要更換一次，應用成本比較高，浪費消耗比較大，同時更換下來的塑料薄膜會造成白色污染，不滿足節能環保的要求[2]。傳統的溫室大棚在溫度、光照等環境參數的控制上比較困難，不能很好地給植物提供所需求的生長環境，導致許多蔬菜無法在適宜的生長階段達到生長需求，從而產量和品質得不到很好的保證，體現不出溫室大棚的優點所在。溫室大棚建設所保證的是高產、高品質產物特點，是為農民增收的重要建設，然而我國四季交替和晝夜交替的溫差比較大，為了保證大棚的正常運作，所需要的投入資源會隨之增加，傳統溫室大棚搭建比較簡陋，有許多的能源得不到充分利用，造成了大量的能源消耗，同時還會造成環境的污染，不利于環境保護。

3? 光伏溫室大棚的搭建

3.1? 光伏組件

光伏組件的選擇應能夠確保大棚內植物得到必要的光照，同時需要隔離對植物有害的光線。使植物的光照強度、光照時間和溫度系數等能夠得到保證，客戶促進大棚內各種植物的生長，提高其生長速率。光伏組件在一定程度上起到隔絕陽光和建筑節能的作用，可以在夏季遮陰，冬季保暖，很好地為作物生長提供適宜溫度;光伏組件還能夠將接收的太陽能轉化為電能提供給溫室和其他建筑物使用，起到了綠色環保和高效資源利用的作用。

3.2? 光伏儲能系統

光伏儲能系統能夠給溫室大棚自動化設施提供電力，還利用常規的各種設施轉換成植物生長所需要素。儲能系統的應用關鍵是確定最優的電池容量和功率配置方案[4]。在光伏儲能系統中利用功率轉換器合理分配功率，將最優的電能應用于最為合適的地方，達到高效利用狀態。

在光伏組件和儲能系統的合理搭建基礎上，溫室大棚實施一體化建設，光伏與溫室大棚的聯系越來越密切，光伏發電系統與溫室大棚相結合，取長補短，互相依存，利用光伏系統的優勢能夠彌補傳統溫室大棚的缺陷。光伏系統應用于農業大棚，不僅為農業大棚提供了電力，更重要的是使光伏大棚能夠完全融入大棚建設的設計理念中。該系統轉換出溫室的各種功能參數，這些功能參數是大棚建設所不能夠缺少的，同時是綠色環保生態建設必需的一部分。利用新型的光伏組件替代傳統大棚建設材料，要讓新型組件完全替代原有材料。另外在結構上，需要考慮光伏組件建設的技術性、實用性、美觀性和安全性等因素。

3.3? 光伏溫室大棚系統設計

3.3.1? 光伏板排列結構

光伏溫室大棚的設計，核心在于光伏板的排列方式[5]。現階段的各技術研究人員已經開始采用不同的排列方式來安裝光伏板，排布所構成的緊密式和棋盤式光伏板排列形式是現在較為前沿的發展方向。首先建設單晶硅光伏板，組件分布方式為一排、兩排緊密式結構和一排、兩排棋盤式結構的排列[5]。這兩種方式可以在更大的程度上將溫室大棚的性能發揮到接近完美的狀態。這兩種排列方式結合在一起，就可以設計出最優的光伏大棚來。圖1為緊密式排列結構，圖2為棋盤式排列結構。

3.3.2? 光伏溫室大棚系統設計

根據光伏溫室大棚的地理位置、區域特點、功能和規模等，可將溫室大棚分為獨立型、并網型和微網型[2]。

在少電、區域小且光伏建設規模比較小的溫室，一般采用獨立型的光伏溫室大棚，該系統主要由光伏板、控制器、蓄電池、逆變器等組成;在有電且光伏建設規模適中的地區，建設溫室采用并網型光伏溫室大棚，該系統由光伏板、控制器、并網逆變器、功率轉換器等組成;微網型光伏溫室大棚具有更穩定、可靠、智能的特性，該系統由光伏板、并網逆變器、微網控制器、儲能逆變器、大電網等組成。儲能是光伏發電系統所必不可少的一環，現階段有許許多多的因素限制著儲能技術的發展，儲能器件的制造技術也不是十分成熟，所以現階段只能在小規模范圍內應用。隨著未來儲能元件的技術不斷發展，光伏儲能大規模應用必將成為主流趨勢。

獨立型光伏溫室大棚系統：光伏板采集陽光，將光能轉換為電能儲存在蓄電池中，通過控制器控制電能供給溫室直流負載或通過逆變器轉化為交流電供給光伏大棚主電源系統。獨立型光伏溫室大棚結構如圖3所示。

并網型光伏溫室大棚系統：該形式的溫室系統分為集中式和分散式并網。集中式并網所發電能夠被直接輸送到大電網，由大電網同一分配輸送到各負載上，這種并網型結構通常建設在荒漠和負荷點遠的地區。分散式并網所發電能被直接分配到用電負載上，適用于小規模光伏發電系統，通常建設在城區。并網型光伏溫室大棚結構如圖4所示。

微網型光伏溫室大棚系統：微網型光伏溫室大棚系統就是在并網型光伏溫室大棚系統的建設下，采用微網控制器對電能進行交換控制，然后輸送電能到大電網對光伏溫室進行供能，或者通過儲能逆變器轉化為直流電儲存到蓄電池中。微網型光伏溫室大棚結構如圖5所示。

4? 結? 論

新型光伏溫室大棚的建設成功不僅解決了傳統大棚面臨的種種問題和不足，而且促進了溫室大棚向生態環保、高產高效的現代化農業發展，在很大程度上也促進了光伏技術在與其他產業結合上的推廣和應用，值得大力建設。

光伏溫室大棚系統的搭建是為了滿足大棚內作物生長成熟所需的各種條件，培育出更為高產高質量的產物。研究分析上述幾種不同的光伏板結構和光伏溫室大棚結構，找出最為適合作物生長的環境，搭建出理想的光伏溫室大棚，為構建綠色環保、高產高效的現代化農業提供了有利條件。因此，開發新型智能的光伏溫室大棚系統具有實際的價值和意義。

參考文獻：

[1] 崔俊奎，趙軍.光電幕墻技術在太陽能建筑一體化中的應用研究 [J].建筑節能，2008（8）：56-59.

[2] 黃勇.光伏發電系統在溫室大棚上的應用 [J].科技廣場，2015（5）：69-76.

[3] 賈涵冰，南曉紅，洪妮，等.基于太陽能光伏供電模式的蘋果冷藏庫耗能分析 [J].建筑熱能通風空調，2019，38（9）：66-70.

[4] 倪馳昊，劉學智.光伏儲能系統的電池容量配置及經濟性分析 [J].浙江電力，2019，38（1）：1-10.

[5] 昝錦羽，劉祖明，廖華，等.光伏溫室大棚溫度的模擬研究？ [J].云南師范大學學報（自然科學版），2014，34（2）：42-47.

作者簡介：崔智捷（1998—），男，白族，云南大理人，本科在讀，研究方向：自動化;劉雅莉（1988—），女，漢族，云南保山人，碩士，講師，主要研究方向：太陽能光伏運用;余金潤（1998—），女，漢族，云南昆明人，本科在讀，研究方向：自動化;謝衛鋆（1997—），女，漢族，云南保山人，本科在讀，研究方向：自動化。