浅析光伏农业大棚方案设计

浅 析 光 伏 农 业 大 棚 方 案 设 计2013 年 01 月 15 日单 位信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司姓 名申报专业 工艺工程师-1- 摘 要我国的能源结构以煤为主， 是世界上最大的煤炭消费国， 相对于巨大的人口基数，面临的能源资源形势十分严峻。全国 76的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀；与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠。在地理位置以农村、 郊区为主，电力等能源非常短缺，农业大棚解决了传统电网难以到达这些地区的难题。农业问题越来越受到国家重视及相应的政策倾斜。 太阳能光伏产业“十二五”发展规划已将太阳能光伏生态大棚电站的模式划定为 BIPV（光伏建筑一体化）示范项目，享受国家财政补贴。关键词 光伏大棚，农村， BIPV-2- 目 录摘 要 . 1目 录 . 2绪 论 . 31 系统原理 . 42 应用原理 . 43 系统方案 . 64 应用优点 . 10 5 现存问题 . 11 结 论 . 14 参考文献 . 15 -3- 绪 论光伏是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电系统。大棚的“升温、保温”一向是搅扰农户的重点问题。“光伏农业大棚” , 有望解决这一难题。由于夏季的高温 , 在 6-9 月份众多品类的蔬菜无法正常成长 , 而 “光伏农业大棚” 如同在农业大棚外表添补了一个分光计 , 可隔绝红外线 , 禁止过多的热量进入大棚； 在冬季和黑夜的时候 , 则能禁止大棚内的红外波段的光向外辐射 , 降低晚上温度下跌的速度 , 起到保温的作用。“光伏农业大棚”能供给农业大棚内照明等所需电力 , 剩余的电还能并网。在 “光伏农业大棚” 离网体系中 , 可与 LED体系相调配 , 白天发电保障植物的成长；黑夜 LED体系可应用白天发的电 , 给植物供给光照。-4- 1 系统原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应原理， 利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。 光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。 独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、 阴极保护、 太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。 产品属性由于薄膜太阳能电池能吸收波长范围低于 400nm的紫外线， 可有效的阻止紫外光线对植物的破坏作用， 有利于避免伤害植物和减少病虫害， 有助于农产品品质的提高；薄膜太阳能电池有非常高的透光率。 薄膜电池在保证发电的同时， 也满足了植物光合作用对太阳光的需求。图 1-1 光伏大棚发电原理图2 应用原理2.1 太阳光分析图 2-1 太阳光发射分析图-5- 由上图知道太阳光入射到地球表面包括紫外线、可见光及红外线。紫外线占 7 （改变植物物质结构，具有破坏性）可见光占 71 （提供照明、供植物光合作用）红外线占 22 （产生热能）图 2-2 农作物光合作用示意图图 2-3 非晶硅单结薄膜透光组件光谱透过率-6- 表 2-1 各波段太阳能发射光功能分布由上表可知1 太阳光谱在 280 315nm 时，对植物形态与生理过程的影响极小；2 太阳光谱在 315 400nm 时，植物对叶绿素吸收减少，影响光周期效应，阻止植物茎伸长；3 太阳光谱在 400 520nm（蓝光）时，植物对叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；4 太阳光谱在 520 610nm 时，植物对色素的吸收率不高；5 太阳光谱在 610 720nm（红光）时，植物对叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响；6 太阳光谱在 720 1000nm 时，吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽；7 太阳光谱大于 1000nm时，太阳能将转换成为热量。因此太阳光谱在 400 520nm（蓝光）和太阳光谱在 610 720nm（红光）这两个区间最有利于植物生长。 为了增加植物所需要的光谱， 可以采用两种方式屋顶薄膜太阳能电池板和普通透明白玻璃间隔排列； 采用 LED灯补充植物需要的光谱， 达到植物生长的光环境。同时，非晶硅薄膜太阳能组件发电需要的主要光谱为 600nm， 对紫外线几乎不透过，能有效阻挡紫外线对植物的生长影响。 发电的同时确保植物光合作用有效进行，并起到有效的保温作用。3 系统方案3.1 光伏大棚设计-7- 假设该光伏温室项目建设在上海，共 22 栋大棚， （其中 1、 150 米长单栋大棚安装薄膜光伏组件 1800 片，共 12 栋，总共 21600片。 2、 240 米长单栋大棚安装薄膜光伏组件 2880 片，共 10 栋，总共 28800 片。）基地大棚共用光伏组件50400 片。组件功率为 85W，总装机容量为 6MW。3.1.1 系统设计温室长 150m及 240 米， 宽 48m， 在温室顶部安装光伏组件， 安装倾角 30 度，组件与同尺寸的阳光板 / 钢化玻璃间隔排布，图 3-1 为光伏系统原理图。汇流箱薄膜光伏矩阵直流配电柜逆变器交流配电柜升压变压器高压线路 变电站传感器 数据采集 监控中心通讯线路图 3-1 光伏发电系统图光伏发电系统主要有以下设备 光伏组件、 组件导轨系统、 直流防雷汇流箱、逆变器、并网设备、传感器、监控显示设备，电缆等。3.1.2 光伏组件选择本项目选择 85Wp非晶硅薄膜太阳能电池组件，组件型号为 TW-TF120。技术参数见表 3-1 。表 3-1 光伏组件技术参数型号（ TW-TF120）额定功率 Pmpp瓦 120 最佳工作电压 Vmpp伏 126 开路电压 Voc伏 166 最佳工作电流 Impp 安 0.95 短路电流 Isc 安 1.14 温度系数功率温度系数 -0.29/ ℃开路电压温度系数 -0.33/ ℃短路电流温度系数 0.07/℃-8- 尺寸和重量长 mm* 宽 mm* 厚 mm 1300 1100 6.6 重量 Kg 24 适用温度范围 -40 ℃～ 85℃系统最大开路电压 1000VDC 3.1.3 监控显示系统设计监控显示系统由光照传感器、 风速传感器、 温度传感器、 工控机、 通讯模块、监控软件及通讯线组成。传感器采集当地气象参数， 连同逆变器中的发电数据一并传到通讯模块， 经监控软件处理后显示在电脑显示器上。 显示的数据包括 温度、 风速、 光照强度、直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、并网功率、当日发电量、累计发电量、节约煤炭量、 CO2减排量等。3.1.4 光伏防雷汇流箱选择光伏防雷汇流箱选择通过相关认证的高质量汇流箱， 具有防水， 防晒， 防锈，防雷击，防逆流，满足户外使用等特点。图 3-2 直流防雷汇流箱原理图3.1.5 直流配电柜设计直流 （防雷）配电柜主要是将汇流箱输出的直流电缆接入后进行汇流，再接至并网逆变器。配电柜内含有直流输入断路器、漏电保护器、防反二极管、光伏防雷器等主要器件，在保证系统不受漏电、短路、过载与雷电冲击等损坏，有效-9- 保证负载设备运行的同时， 方便客户操作和维护。 直流配电柜原理图如图 3-3 所示图 3-3 直流配电柜原理图3.1.6 并网逆变器选择逆变器的主要功能是将光伏组件发出的直流电转换为三相交流电。 本系统采用 2 台 500kW和 1 台 250kW国产优质逆变器。3.2 发电量预算及节能减排通过专业软件计算可得到在上海倾角为 30 度时，太阳能月平均辐射量和年平均辐射量，具体数据见表 3-2 。表 3-2 30 度倾角太阳辐射量（ kWh/m2）月份 1 2 3 4 5 6 30 度倾角太阳辐射量（ kWh/m2） 3.56 3.68 3.81 4.26 4.52 4.18 月份 7 8 9 10 11 12 30 度倾角太阳辐射量（ kWh/m2） 4.75 4.64 4.28 3.92 3.67 3.66 天威薄膜 TW-TF120系列组件转化效率 η module 8.4， 系统效率以 η system 85计算，预计首年发电量约为 1542073kWh， 25 年预计总共发电量为33925596kWh。3.2.2 节能减排效应光伏系统利用太阳能进行发电。 光伏发电过程不消耗任何化石能源， 也不排放任何废气，是非常理想的绿色能源。 光伏发电系统的应用， 可以有效减少常规能源的消耗， 并且可以有效减少温室气体及其它有害气体的排放， 因此具有非常重要的环保意义。-10- 目前我国火力发电每产生一度电能平均消耗 390 克标煤（能源基础数据汇编，国家计委能源所， 1999.1 ， P16）。据统计，每燃烧一吨标煤排放二氧化碳约 2.6 吨，二氧化硫约 24 公斤，氮氧化物约 7 公斤（对我国能源及能源问题的思考，国家发展和改革委员会能源局，史立山）。如表 3 所示，此项目实施后，每年可以节省大量的煤炭，并可以减少排放大量温室气体。此外，光伏发电还可以减排大量粉尘和烟尘。表 3-3 光伏系统环境效益发电量 每年节省 每年减排kWh 标准煤 （吨）0.39kg/ 度CO2（吨）2.6/ 标准煤SO2（千克）0.024/ 标准煤NOX（千克）0.007/ 标准煤首年 1542073 601 1564 14434 4210 25 年 33925596 13231 34401 317544 92617 4 应用优点1. 光伏发电效益一部分对棚内设施供电，多余部分可以并网出售或蓄电池储存夜间使用。-11- 2. 社会经济效益提高土地利用率 可以在向阳面和背阴面根据不同的光照条件配置以对光照要求不同的植物；较高的大棚可以构建立体农业，借用 LED进行补光， 例如在育苗时，可以把育苗床上架等。 在一定的土地空间上， 光伏农业大棚实现了农业作物经济和能源发电效益的“双赢”促进农民再就业可以解决一部分农民以及 40-60 农村留守人员的就业农业高效规模化的示范作用 温室大棚与屋顶技术相结合的光伏大棚， 不仅可以保证棚内设施的正常运转，还可以储存雨水、雪水等循环利用，是集低碳、节能、环保、旅游于一身的新型高科技农业生态建设项目这极大地促进了传统农业向工业化农业的发展， 也对地区的农业发展起到了良好的示范作用。实现了农民、企业、政府的“多赢”局面观光旅游和生态农业一体化 “光伏生态大棚”还可与旅游结合构建观光农业，与社区农产品需求结合， 构建社区农场， 与市民体验结合构建开心农场等集高效种植、农业科普、休闲观光于一体的新型农业项目5 现存问题由于薄膜光伏太阳能农业大棚模式在我国才刚刚启动， 而且多为示范区， 太阳能装机容量普遍较小， 目前并没有大规模推广， 还存在诸如前期投入成本较高、太阳能发电与农作物生产相结合关键技术不成熟、 运营保障技术不到位以及国家扶持资金比例不高等问题。具体体现为（一）薄膜光伏太阳能电池与农作物生产相结合关键技术不成熟传统的太阳能电池是晶硅电池且不透光， 近年来快速发展的是薄膜非晶硅太阳能电池，这种太阳能电池的最大优点是可以透光，而且温度系数低， 在阴天雨天和雾天也能发电，常年累计发电量比晶硅电池发电效率可提高 20左右。据调查，这种薄膜太阳能电池的最大吸收波峰在 400-600nm,而植物进行光合作用的有效光谱为 440nm的蓝光和 660nm的红光区， 在理论上薄膜太阳能电池的最大吸收波峰与植物光合作用的吸收波峰并不冲突， 可以通过薄膜分光技术将植物吸收的光透过太阳能电池板供植物进行光合作用， 其它的光用来发电。 但目前将这种技术应用在设施农业大棚上， 是否能完全不影响植物的正常生长还缺乏相应的前-12- 期实验研究， 而且如何将分光技术与太阳能电池更科学地结合起来， 也是一个新的课题，现在研究的很少，都在探索之中。（二） 已建成的薄膜光伏太阳能农业大棚多为示范工程， 与农业生产结合不紧密薄膜光伏太阳能农业大棚虽然在我国多个省份都有建设， 但多数均是概念性的示范性工程。通过到山东、 江西等地的示范点调研， 发现建成的薄膜光伏太阳能农业大棚大多数均没有充分利用， 棚内种植农作物很少， 甚至只是一个能利用太阳能发电的大棚，棚内并没有任何农作物。 当前， 薄膜光伏太阳能农业大棚作为一种新生事物，仅是概念性的展示， 并没有和实际农业生产紧密结合， 没有起到既能利用太阳能发电，又能进行农作物生产一举两得的双赢效果。（三）配套设施不完善及运营保障技术不到位，导致实际应用效果不理想由于目前大部分的薄膜光伏太阳能农业大棚仅是示范， 所以棚内并没有相应的农业生产设施如降温和加温设施。 我国大部分地区四季分明， 夏天温度普遍很高， 冬季温度又很低， 如果建成的薄膜光伏太阳能农业大棚内没有相应的降温和加温设施， 在炎热和寒冷的季节也很难保证能进行农作物的正常生产。 而且大部分农业企业和农民种植者并不掌握太阳能电池的日常维护和保养技术， 很多太阳能电池加工企业在建成大棚后并没有后续的运营保障技术服务， 一旦太阳能电池出现问题就很难保证能正常运行， 因此已建成的大部分薄膜光伏太阳能大棚存在应用效果不理想的状况。（四） 太阳能发电量与农业生产用电量不相匹配， 与当地电网并网存在较大困难薄膜光伏太阳能大棚能利用太阳能发电， 发的电也能应用到棚内农作物相应生产设施上如降温和升温设施， 但发电量与用电量并不匹配。 比如在炎热的夏季和寒冷的冬天， 太阳能发的电量远达不到农业生产用的电量， 相反如果是在一般的天气， 太阳能发的电量就会超过农业生产用电，就会存在多余的发电量。 解决的办法就是与当地电网并网， 但目前与当地电网并网存在成本高， 并网要求条件苛刻等问题。（五）薄膜光伏太阳能大棚结构承重要求严格，现有农业大棚改造成本高因薄膜太阳能电池普遍采用双玻封装的方式，组件厚度为 6-7mm，而常规光伏大棚所用保温玻璃厚度为 4mm左右，两者厚度相差 2-3mm，原有的农业大棚结-13- 构承重不能满足光伏组件的承重要求，需要对原有农业大棚结构进行改造和升级， 这也导致薄膜光伏太阳能大棚的总体投入增加， 限制了薄膜光伏太阳能大棚的大范围使用。-14- 结 论光伏大棚的建设提高了土地利用率， 在一定的土地空间上， 光伏农业大棚实现了农业作物经济和能源发电效益的“双赢” ； 同时温室大棚与屋顶技术相结合的光伏大棚，不仅可以保证棚内设施的正常运转，还可以储存雨水、 雪水等循环利用，是集低碳、节能、环保、旅游于一身的新型高科技农业生态建设项目，实现了农民、企业、政府的“多赢”局面。但是目前光伏产品与农作物生产相结合关键技术不成熟，配套设施不完善及运营保障技术不到位，建设成本太高， 这都是光伏大棚亟待解决的问题。光伏大棚项目符合国家产业政策， 利用新能源， 促进了能源结构调整及节能减排，推进了新农村的建设。光伏大棚的建设势在必行。-15- 参考文献[] 晓晓，非常给力的薄膜电池 [J]; 农业工程技术 新能源产业 ;2011 年 08 期[2] 风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势 中国电力 2006 年 第 6 期[3] 廖祥儒，张蕾，徐景智，杜建芳；光在植物生产发育中的作用；河北大学学报（自然科学版）； 2001 年 03 期[4] 张世伟 ;; 薄膜太阳能电池技术及市场发展现状 [J]; 科技创新与生产力 ;2011年 07 期