太阳能光伏发电在农业温室补光系统-杜容熠

太阳能光伏发电在农业温室补光系统中直流电直接应用的探讨杜容熠（南京高新技术产业开发区，江苏南京 210019 ）摘要： 目前太阳能光伏发电通常是将光伏系统产生的直流电，通过逆变器变成交流电，升压并入电网，但是这种形式技术要求较严格，并网成本较高，尤其是上网的申请手续繁琐，受到很多限制。通过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。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，植物工厂，直流电直接 应用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。 本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（ Photovoltaic System ）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（ Solar module） 、功率控制器 ( controller )、逆变器 ( inverter)、蓄电池 ( Battery) 以及负载 ( load )等部件组成（如图 1） 。太阳能光伏模组接受阳光， 产生直流电流； 功率控制器是防止光伏电池组件对蓄电池过充电， 以及对负载过放电； 逆变器是将光伏电池产生的直流电转变为相应的交流电，1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。图 1：太阳能光伏发电系统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， 和独立系统不同， 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， 大型并网的手续较为繁琐， 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来的直流电，就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2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％， 这增加农产品的生产成本， 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。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 座新型的太阳能农业光伏发电站（如图 2） 。依托该基地进行了太阳能光伏发电和植物工厂结合的实验， 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重要实验内容之一。本文将以汤泉基地所进行的实验为基础，探讨太阳能光伏和现代设施农业的结合， 特别是太阳能光伏系统结合植物工厂的补光系统。图 2：南京汤泉农场太阳能光伏发电站基地外景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3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） ，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， 即屋顶太阳能电池模组产生的直流电满足蔬菜进行补光、 营养液循环等活动。 （如图 3、图 4）图 3：光伏温室发电在植物补光系统中的直接应用1. 农业温室屋顶表面覆盖透光性薄膜太阳能电池模组2. 多层植物工厂3. LED 植物灯4. 太阳能电池模组直接和 LED 植物灯连接4图 4：农业光伏温室发电站外形2.2 利用光伏直流电补光的目的是创造植物生长的光环境光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光谱的调节， 控制植株形态是现代设施栽培领域的一项重要技术。 经研究太阳光谱与植物光合作用的关系如下：图 5：太阳光谱与植物光合作用的关系太阳光谱在 280 ~ 315nm 时，对植物形态与生理过程的影响极小；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；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；太阳光谱在 520 ~ 610nm 时，植物对色素的吸收率不高；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；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5发芽；太阳光谱大于 1000nm 时，太阳能将转换成为热量。 （以上数据具有普遍代表性，具体到某品种可能有差异）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。 LED 植物灯可以提供这两个区间的光谱，有效的满足植物生长。2.3 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池的结构和制造方式不同于常规的晶硅电池， 它是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。 常规的晶硅电池需要较多的硅原料，硅片的厚度 150～ 200 微米以上，才能有效地吸收太阳能。而非晶硅薄膜太阳能电池的硅料厚度仅为 5 微米左右， 因此非晶硅薄膜太阳能电池具有较低的成本及较轻的重量， 制造过程中对环境的污染较小。 非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、 PECVD 法、 LPCVD 法等，反应原料气体为H2 稀释的 SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。 目前普遍采用的方法是等离子增强型化学气相淀积 (PECVD) 法， 采用该方法可以根据需要， 控制薄膜太阳能电池的光谱透过率和光谱透过的种类。本项目采用非晶硅薄膜太阳能电池模组，单片 90W，尺寸 1.3 x 1.1 米，光电转换效率 6%，透光性如下图：6图 6： 太阳能电池对不同光谱的透光性由图所知：在植物生长所需可见光谱 400-800nm 之间，该薄膜太阳能电池的平均透光率是 10%，在光合作用最活跃的 440nm 和 660nm 两个区域，太阳光可以透过。 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。2.4 利用光伏直流电补光的工具是 LED 植物灯：LED 灯是 light emitting diode 的缩写， 中文名称 “ 发光二极管 ” ， 通过将电压加在 LED 的 PN 结两端， 使 PN 结本身形成一系列的能级， 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， 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。在汤泉农场的实验项目中， LED 植物灯每颗功率 1W ，最大工作电压3.6-3.8V，最大工作电流 350MA 。整个补光系统由波长 620 nm 的红光 LED 和7470 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。红色、蓝色 LED 植物灯按照 4： 1 配比，密度大约每平方 60 颗 LED 植物灯，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平方米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。 （如图 7）图 7：弱光植物品种系统1. 太阳能电池模组2. 保险丝3. LED 植物生长灯83.2 短日照植物品种系统短日照植物（如大豆等）的日照时间通常不超过 12 个小时，单片太阳能电池模组不能满足 1 平方米短日照植物所需的 LED 植物灯白天的光照条件。为了不增加阵列的输出电压，将多片太阳能电池模组并联，具体线路如图 8。图 8：短日照植物品种系统1. 太阳能电池模组2. 保险丝3. LED 植物生长灯3.3 适用于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 个小时以上，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。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载。 （具体线路如图 9） 。9图 9：长日照植物品种系统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三个方面的能量损失： 直流电逆变为交流电过程中的能量损失； 蓄电池在冲放电过程中的能量损失； 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 80%， 若太阳能电池产生能量直接供应植物 LED 补光系统，可以有效的避免以上三个方面的能量损失。整个系统不使用直流逆变器和蓄电池， 因此没有使用过程中的能量损失。 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。 因此太阳能电池直接供应植物 LED 补光系统有效的减少能源损失。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。104.3 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， 中午 12 点至 14 点之间， 光照强度达到最大值， 产生的直流电也达到最大值， 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，光和作用的速度较慢；中午辐射强度最大时，光和作用的达到最大。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， 中午时刻太阳能辐射最强， 植物光合作用最活跃， 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； 有效的过滤植物不需要的光线， 补充植物生长所需要的光线， 最有效的为植物生长提供能量。如图 10。时刻7 点 8 点 9 点 10 点 11 点 12 点光照强度 1200 2000 2300 6600 7500 9000 时刻 13 点 14 点 15 点 16 点 17 点 18 点光照强度 9800 9520 4410 2200 1100 860 图 10： LED 植物生长灯的光照强度表（灯下照射距离 10cm，光照强度单位：勒克斯）光照强度表010000200003000040000500006000070000800006:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00时间光照强度室外光照强度LED植物灯下光照强度116． 结束语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到直流的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， 使得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。参考文献胡永逵、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， 2009.2 R. E. Kendrick 、 G. H. M. Kronenberg ， Photo morphogenesis in Plant, 1986 杨洪兴、周伟，太阳能建筑一体化技术与应用， 2009.1 邝少平 , 2009年全球光伏产业发展研究报告 , 2009.6 12