太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电的直接应用

农业工程学 现代农业科技 2010 年第 22 期21 世纪人类面临的最大挑战是日益枯竭的石化资源和越来越沉重的环境保护压力 ， 因此 ， 以太阳能 、 风能等为代表的可再生能源受到重视 。 新能源技术不断发展的同时 ， 对新能源也有了新的应用方式 。 该文将对太阳能光伏发电和设施农业的应用结合进行简单探讨 。1 太阳能光伏发电系统简述太阳能光伏发电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 1）。 太阳能光伏模组接受阳光 ， 产生直流电流 ； 功率控制器防止光伏电池组件对蓄电池过充电以及对负载过放电 ； 逆变器将光伏电池产生的直流电转变为相应的交流电 ， 使光伏系统发出的 电 可 以 直 接 并入 电 网 。 因 此 ， 当 前 太 阳 能 光 伏 发 电 的 过程 ， 通常是直流电转化为交流电的运作过程 。太阳能光伏发电系统根据应用 方 式分为独立系统 、 并网系统和混合系统 。 独立系统所产生的电流直接供给交流或直流负载使用 ， 多余的电能储存在蓄电池中 。 并网系统是直流电通过并网逆变器转换成符合电网规定的交流电之后直接接入城市电网 ， 与独立系统不同 ， 并网系统的主要目的是并网发电 。 混合系统除了使用太阳能光伏电池进行发电之外 ， 还包括风力发电等其他发电方式 。 目前小型的光伏发电系统中 ， 通常采用独立系统 ； 而大型的光伏发电站 ， 普遍采 用 直 接 并 网 系 统 。 但 是 小 型 系 统 效 率 较 低 ， 大 型 并 网 的手 续 较 繁 琐 ， 且逆 变 装 置 的 能 量 损 失 率较 高 ， 这 些 原 因 往往 阻 碍 了太 阳 能 光 伏 发 电 的 实 际 应 用 。 因 此 ， 现 在 人 们 开始 研 究 在 不 同 领 域 直 接 利用 太 阳 能 光 伏 发 电 所 产 生 的 直流电 ， 而太阳能发电和现代设施农业种植的有效结合 ， 直接利用太阳能光伏发出的直流电 ， 成为当前新能源应用的突破口之一 。2 太阳能发电在现代农业种植中的具体应用随着科技 、 经济条件的发展和改善 ， 近年来我国的设施农业发展迅速 ， 特别是以植物工厂温室为代表的高效设施农业 。 利用人工手段 ， 通过科学的手段控制和改变温室内部的小环境来生产反季节蔬菜和高经济价值的农产品 ， 如通过LED 植物灯照射植物 ， 增加产量和改善品质 ， 种植从平面向多层立体种植发展 ， 这些都将成为未来的农业和工业结合发展的方向 。 但是按照常规方式 ， 控制和改变温室内部小环境需要耗费大量能源 ， 据日本学者研究表明 ， 在密闭式植物苗工厂中采用人工补光方式 ， 人工光源 （ 荧光灯 ） 耗 电量约占总耗电量的 82％ ， 增加了农产品的生产成本 ， 影响植物工厂的推广 。 如果将太阳能发电应用到现代农业种植中 ， 直接采用太阳能电池产模组产生的能量 ， 既高效地利用了太阳能产生的能量 ， 又有效地降低了农业生产的成本 [1]。2010 年 4 月 南 京 高 新 技 术 产 业 开发 区 和 南 京 汤 泉 农场共同合作 ， 在南京汤泉农场建立 5 座新型太阳能农业光伏发电站 （ 图 2）。 依托该基地进行了太阳能光伏发电和植物工厂结合的试验 ， 其中利用光伏发电产生的直流电直接应用于农业补光系统是该基地重要的试验内容之一 。 该文将以汤泉基地所进行的试验为基础 ， 探讨太阳能光伏和现代设施农业的有效结合 ， 特别是太阳能光伏系统结合植物工厂的补光系统 。2.1 利用光伏直流电补光的技术背景随着太阳能电池技术的发展 ， 将太阳能发电应用到现代农业种植中已经成为现实 。 通过将非晶硅透光式薄膜太阳能电池安装在温室的顶部 ， 非晶硅透光式太阳能电 池可以使部分太阳光线透过 （ 主要是红光透过 ， 还有部分的蓝光透过 ） [2]， 蔬菜就可以在太阳能光伏温室内进行光合作用 ， 同时多层的植物工厂将直接使用电池板产生的电能 ， 即屋顶太光伏模组 控制器 配电箱 直流负载蓄电池 交流负载电网逆变器图 1 太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电的直接应用杜容熠（ 江苏省南京市高新技术产业开发区 ， 江苏南京 210019）摘要 探讨太阳能光伏发电和现代农业种植的结合 ， 采用太阳能光伏发出的直流电 ， 直接为农业温室进行补光 。 通过对非晶硅薄膜太阳能电池和 LED 植物灯特性的研究 ， 根据弱光 、 短日照和长日照等不同品种的植物将光伏发电采用不同的连接方式 ， 以创造出有利于植物生长的光环境 ， 同时也拓宽太阳能光伏应用的新途径 。关键词 太阳能光伏发电 ； 非晶硅薄膜太阳能电池 ； LED 植物灯 ； 光伏直流电补光中图分类号 TU113.64； S237 文献标识码 A 文章编号 1007-5739 （ 2010） 22-0234-03收稿日期 2010-10-09234杜容熠 太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电的直接应用3235农业工程学 现代农业科技 2010 年第 22 期成一系列的能级 ， 然后电子在这个能级上跃变并产生光子发 光 。 通 过 改 变 电 流 可 以 使 LED 发 出 不 同 颜 色 的 光 ， LED还可以方便地通过化学修饰方法 ， 调整材料的能带结构和带 隙 ， 由 此 实 现红 黄 绿 兰 橙 多 色 发 光 。 如小 电 流 时 为 红 色的 LED， 随着电流的增加 ， 可以依次变为橙色 、 黄色 ， 最后为绿色 [6]。在汤泉农场的试验项目中 ， 每颗 LED 植物灯功率 1 W，最大工作 电压 3.63.8 V， 最 大工作电流 350 mA。 整个补 光系 统由波长 620 nm 的 红 光 LED 和 470 nm 的 蓝 光 LED 交叉均匀分布组成 ， 根据试验需要调整红色 、 蓝色 LED 植物灯的数量比例和灯板距离农作物的高度 ， 以达到控制光强和光谱种类的目的 。 红色 、 蓝色 LED 植物灯按照 4∶ 1 配比 ， LED植物灯密度大约 60 颗 /m2， 根据植物的不同品种 ， 采用串并连接 ， 并将其置于植物顶部 10 cm 处 。3 利用光伏直流电补光的应用方式植物分为弱光植物品种 、 短日照植物品种和长日照植物品种 。 根据不同品种 ， 提供不同强度和长短时间的光照 ， 相应的光伏发电系统将采用不同的连接方式 。3.1 弱光植物品种系统该系统中的植物适合在弱光环境下生长 （ 如芽菜类 ）。 植物不需要较长和较强的光照 ， 系统消耗的能量较少 ， 每个电池模组 （ 峰值功率 85W） 可以提供 1 m2 内弱光植物生长所需的光照条件 。 具体设计线路过程中 ， 首先根据薄膜太阳能电池的最大功率 ， 最大工作电压和电流设计 LED 植物灯的串并联线路 。 单片太阳能电池模组通过保险电路与底层温室的 LED 植物生长灯连接 ， 提供弱光植物光合作用所需的能量 （ 图 7）。3.2 短日照植物品种系统短日照植物 （ 如大豆等 ） 对日照时间的要求通常是不超过 12 h， 单片太阳能电池模组不能满足 1 m2 短日照植物所需的 LED 植物灯白天的光照条件 。 为了不增加阵列的输出电压 ， 同时又满足日照植物对光照的要求 ， 将多片太阳能电池模组并联 ， 具体线路如图 8 所示 。3.3 长日照植物品种的系统长日照植物 （ 如油菜 、 萝卜等 ） 的日照时间超过 12 h 以上 ， 该系统包括多片太阳能电池模组 、 蓄电池 、 控制器 、 定时器 、 LED 植物生长灯 、 二极管和保险丝 （ 图 9）。 多片太阳能电池模组 （ 1） 与控 制 器 （ 2） 连 接 ， 控制器 （ 2） 防止蓄电池 （ 3） 过充 ， 定时器 （ 4） 根据植物需要的光照时间来控制 LED 植物灯（ 6） 的照 射 时 间 。 单 向 二 极 管 和 保 险 丝 防 止 线 路 电 流 倒 流和负载过量 。4 直接利用太阳能光伏直流电补光的意义4.1 减少能量损失太阳能光伏发电在实际使用过程中主要有 3 个方面的能量损失 一是直流电逆变为交流电过程中的能量损失 ； 二是蓄电池在冲放电过程中的能量损失 ； 三是交流电在输送过程中的能量损失 。 据统计 ， 目前太阳能光伏发电系统的总效率大约为 80， 若太阳能电池产生的能量直接供应植物LED 补 光 系 统 ， 可 以 有 效 地 避 免 以 上 3 个 方 面 的 能 量 损失 。 由于整个系统不使用直流逆变器和蓄电池 ， 在使用中不会出 现能量 损 失 。 将太阳 能 光 伏 电 池 发 出 的 电 就 地使 用 ，也省去了电能在运输过程中的能量损失 。 可见太阳能电池直接供应植物 LED 补光系统有效地减少了能源损失 。4.2 减少系统成本太阳能光伏发电直接应用植物补光系统 ， 省去了逆变器 、控制器和蓄电池等设备 ， 节省了使用成本 。 逆变器是太阳能光伏发电系统主要设备之一 ， 主要作用是将光伏系统 产生的直流电转变为交流电 ， 并兼有稳压的功能 。 控制器的作用是防止多路太阳能光伏模组对蓄电池过充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备 。 逆变器 和控制 器的成本占太阳能光伏系统的 30左右 。4.3 适合植物生长太阳能电池产生的直流电大小是随着每日不同时间太阳光强变化而变化的 ， 清晨和傍晚太阳能光照强度较低时 ，产生的直流电也较小 ， LED 植物灯的光照强度也较低 ， 12 00至 14 00 之间 ， 光照强度达到最大值 ， 产生的直流电也达到（ 下转第 239 页 ）2361 00002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 000170018001600150014001300120011001000900800700600光照强度∥lx室外LED 植物灯下时间图 10 LED 植物生长灯的光照强度曲线注 灯下照射距离 10 cm。（ 上接第 236 页 ）最大值 ， LED 植物灯的亮度最高 。 植物生长的节奏是随着每日太阳光强的变化而变化的 ， 清晨和傍晚太阳光强较低 ， 光合作用的速度较慢 ； 中午辐射强度最大时 ， 光合作用也达到最大 。将 LED 植物灯直接和电池板相连 ， LED 植物生长灯的光强度和太阳光照强度变化完全同步 （ 图 10）。 中午时刻太阳 能辐 射 最 强 ， 植 物 的 光 合 作用 进 程 最 活 跃 ， 此 时 光 伏 发电量最大 ， LED 植物灯光照强度最大 ， 这完全符合植物生长的节 奏 ， 有 利 于 植 物 的 生 长 ； 有 效 地 过 滤 植 物 不 需 要 的 光线 ， 通过补充植物生长所需要的光线 ， 最有效地为植物生长提供能量 。5 小结太阳能光伏发电和设施农业的应用将产生一个新的商业应用模式 。 太阳能光伏系统为设施农业提供了低价的能源 ， 降低了农业生产成本 ， 同时也开拓了太阳能光伏产品的新市场 ， 尤其是光伏发电在农业补光系统中直流电的直接应用简化了太阳能光伏发电系统 ， 系统不使用逆变器等设备 ，降低了投资和运营成本 ， 使植物工厂越来越接近 大规模 的商业应用 。 除了可以应用于 LED 植物灯系统 ， 光伏发电直接应用还可以用于植物工厂内的抽水泵和营养液循环系统 、生物杀虫灯等领域 。6 参考文献[1] 胡永逵 ， 鲍顺淑 ， 杨其长 .LED 与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用 [J].农业工程技术 温室园艺 ， 2009（ 10 ） 15-16.[2] 司敏山 ， 高艺 . 基于太阳能的温室无线传感器网 络监 测系 统设 计 [J].无线通信技术 ， 2010， 19（ 2） 57-62.[3] 凯瑟琳 波尔扎克 .太阳能电池捕捉更多阳光 [J].科技创业 ， 2010 （ 4 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结论与讨论根据计算结果比较分析 ， 认为 SVR 电波流速仪系数比测分析结果是理想的 ， 其综合不确定度和系统误差都比较小 ，基本达到流量测验规范对误差的要求 ， 成果可以应用于实际测量中 。电波法测流相对浮标法测流具有很多优点 ， 主要有测流时间短 、 需要人员少 、 内业工作量小 ， 配合一定的 程序在电脑上进行内业计算 ， 能够在大洪水时迅速 、 快捷 、 准 确有效的保证洪峰过程测验和水情拍报的要求 。 电波法 测流的 精度介于流速仪测流和浮标法之间 ， 因其影响测验精度的因素要少于浮标法 ， 所以相对于浮标法 ， 电波法精度要高于浮标法 ； 根据有关文献介绍和浮标系数综合分析成果介绍 ， 认为高水浮标系数基本趋于稳定的 ， 假定电波系数高水时的特性也同于浮标系数特性趋于稳定 。4 参考文献[1] 中华人民共和国水利部 .GB50179-93 河流流量测验规范 [S].北京 北京计划出版社 ， 1994.[2] 长江流域规划公办室水文局 .水文测验误差研究文集 （ 二 ） [M]. 贵阳 贵州人民出版社 ， 1984.[3] 长江流域规划办公室水文局 .水文测验误差研究文集 （ 一 ） [M]. 贵州 贵州人民出版社 ， 1982.[4] 长江流域规划办公室水文局 .水文测验国际标准与说明 第 1 集 [M].贵阳 贵州人民出版社 ， 1984.[5] 王新颖 ， 张宇 ， 杨天宇 . 近岸浮标法在水文测验中的应用 [J].科技创新导报 ， 2010（ 10） 26.[6] 段 莉 珠 .大 盈 江 流 域 拉 贺 练 水 文 站 流 速 系 数 分 析 [J]. 水 资 源 研 究 ，2010， 31（ 1） 34-35.[7] 张孝军 .堰塞湖水文应急监测 方案 的设 计 [J].水利 水文 自动 化 ， 2010（ 1） 1-5.姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨任淑娟等 SVR 电波流速仪的比测试验与分析239