淺析光伏農(nóng)業(yè)大棚方案設(shè)計(jì)

淺析光伏農(nóng)業(yè)大棚方案設(shè)計(jì)單位：信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份姓名：蔡文偉申報(bào)專業(yè)：工藝工程師2013年01摘要我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，是世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)，相對(duì)于巨大的人口基數(shù)，面臨的能源資源形勢(shì)十分嚴(yán)峻。全國(guó)76%的國(guó)土光照充分，光能資源分布較為均勻；與水電、風(fēng)電、核電等相比，太陽(yáng)能發(fā)電沒有任何排放和噪聲，應(yīng)用技術(shù)成熟，平安可靠。在地理位置以農(nóng)村、郊區(qū)為主，電力等能源非常短缺，農(nóng)業(yè)大棚解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)難以到達(dá)這些地區(qū)的難題。農(nóng)業(yè)問題越來越受到國(guó)家重視及相應(yīng)的政策傾斜。《太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”開展規(guī)劃》已將太陽(yáng)能光伏生態(tài)大棚電站的模式劃定為BIPV〔光伏建筑一體化〕示范工程，享受國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼。關(guān)鍵詞：光伏大棚，農(nóng)村，BIPV目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要1目錄2緒論31系統(tǒng)原理42應(yīng)用原理43系統(tǒng)方案64應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)105現(xiàn)存問題11結(jié)論14參考文獻(xiàn)15緒論光伏是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。大棚的“升溫、保溫”一向是攪擾農(nóng)戶的重點(diǎn)問題。“光伏農(nóng)業(yè)大棚”,有望解決這一難題。由于夏季的高溫,在6-9月份眾多品類的蔬菜無法正常成長(zhǎng),而“光伏農(nóng)業(yè)大棚”如同在農(nóng)業(yè)大棚外表添補(bǔ)了一個(gè)分光計(jì),可隔絕紅外線,禁止過多的熱量進(jìn)入大棚；在冬季和黑夜的時(shí)候,那么能禁止大棚內(nèi)的紅外波段的光向外輻射,降低晚上溫度下跌的速度,起到保溫的作用?！肮夥r(nóng)業(yè)大棚”能供應(yīng)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)照明等所需電力,剩余的電還能并網(wǎng)。在“光伏農(nóng)業(yè)大棚”離網(wǎng)體系中,可與LED體系相調(diào)配,白天發(fā)電保障植物的成長(zhǎng)；黑夜LED體系可應(yīng)用白天發(fā)的電,給植物供應(yīng)光照。系統(tǒng)原理光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。獨(dú)立光伏電站包括遙遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽(yáng)能戶用電源系統(tǒng)，通信信號(hào)電源、陰極保護(hù)、太陽(yáng)能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。產(chǎn)品屬性由于薄膜太陽(yáng)能電池能吸收波長(zhǎng)范圍低于400nm的紫外線，可有效的阻止紫外光線對(duì)植物的破壞作用，有利于防止傷害植物和減少病蟲害，有助于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的提高；薄膜太陽(yáng)能電池有非常高的透光率。薄膜電池在保證發(fā)電的同時(shí)，也滿足了植物光合作用對(duì)太陽(yáng)光的需求。圖1-1光伏大棚發(fā)電原理圖應(yīng)用原理2.1太陽(yáng)光分析圖2-1太陽(yáng)光發(fā)射分析圖由上圖知道太陽(yáng)光入射到地球外表包括：紫外線、可見光及紅外線。紫外線占7%〔改變植物物質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有破壞性〕可見光占71%〔提供照明、供植物光合作用〕紅外線占22%〔產(chǎn)生熱能〕圖2-2農(nóng)作物光合作用示意圖圖2-3非晶硅單結(jié)薄膜透光組件光譜透過率表2-1各波段太陽(yáng)能發(fā)射光功能分布由上表可知：1)太陽(yáng)光譜在280~315nm時(shí)，對(duì)植物形態(tài)與生理過程的影響極??；2)太陽(yáng)光譜在315~400nm時(shí)，植物對(duì)葉綠素吸收減少，影響光周期效應(yīng)，阻止植物莖伸長(zhǎng)；3)太陽(yáng)光譜在400~520nm〔藍(lán)光〕時(shí)，植物對(duì)葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例最大，對(duì)光合作用影響最大；4)太陽(yáng)光譜在520~610nm時(shí)，植物對(duì)色素的吸收率不高；5)太陽(yáng)光譜在610~720nm〔紅光〕時(shí)，植物對(duì)葉綠素吸收率低，對(duì)光合作用與光周期效應(yīng)有顯著影響；6)太陽(yáng)光譜在720~1000nm時(shí)，吸收率低，刺激細(xì)胞延長(zhǎng)，影響開花與種子發(fā)芽；7)太陽(yáng)光譜大于1000nm時(shí)，太陽(yáng)能將轉(zhuǎn)換成為熱量。因此太陽(yáng)光譜在400~520nm〔藍(lán)光〕和太陽(yáng)光譜在610~720nm〔紅光〕這兩個(gè)區(qū)間最有利于植物生長(zhǎng)。為了增加植物所需要的光譜，可以采用兩種方式：屋頂薄膜太陽(yáng)能電池板和普通透明白玻璃間隔排列；采用LED燈補(bǔ)充植物需要的光譜，到達(dá)植物生長(zhǎng)的光環(huán)境。同時(shí)，非晶硅薄膜太陽(yáng)能組件發(fā)電需要的主要光譜為600nm，對(duì)紫外線幾乎不透過，能有效阻擋紫外線對(duì)植物的生長(zhǎng)影響。發(fā)電的同時(shí)確保植物光合作用有效進(jìn)行，并起到有效的保溫作用。系統(tǒng)方案3.1光伏大棚設(shè)計(jì)假設(shè)該光伏溫室工程建設(shè)在上海，共22棟大棚，〔其中1、150米長(zhǎng)單棟大棚安裝薄膜光伏組件1800片，共12棟，總共21600片。2、240米長(zhǎng)單棟大棚安裝薄膜光伏組件2880片，共10棟，總共28800片。〕基地大棚共用光伏組件50400片。組件功率為85W，總裝機(jī)容量為6MW。3.1.溫室長(zhǎng)150m及240米，寬48m，在溫室頂部安裝光伏組件，安裝傾角30度，組件與同尺寸的陽(yáng)光板/鋼化玻璃間隔排布，圖3-1為光伏系統(tǒng)原理圖。圖3-1光伏發(fā)電系統(tǒng)圖光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有以下設(shè)備：光伏組件、組件導(dǎo)軌系統(tǒng)、直流防雷匯流箱、逆變器、并網(wǎng)設(shè)備、傳感器、監(jiān)控顯示設(shè)備，電纜等。3.1.2光伏組件選擇本工程選擇85Wp非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件，組件型號(hào)為：TW-TF120。技術(shù)參數(shù)見表3-1。表3-1光伏組件技術(shù)參數(shù)型號(hào)〔TW-TF120〕額定功率Pmpp(瓦)120最正確工作電壓Vmpp(伏)126開路電壓Voc(伏)166最正確工作電流Impp(安)0.95短路電流Isc(安)1.14溫度系數(shù)功率溫度系數(shù)-0.29%/℃開路電壓溫度系數(shù)-0.33%/℃短路電流溫度系數(shù)+0.07%/℃尺寸和重量長(zhǎng)(mm)*寬(mm)*厚(mm)1300×1100×6.6重量(Kg)24適用溫度范圍-40℃～+系統(tǒng)最大開路電壓1000VDC3.1.3監(jiān)控顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)控顯示系統(tǒng)由光照傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、工控機(jī)、通訊模塊、監(jiān)控軟件及通訊線組成。傳感器采集當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，連同逆變器中的發(fā)電數(shù)據(jù)一并傳到通訊模塊，經(jīng)監(jiān)控軟件處理后顯示在電腦顯示器上。顯示的數(shù)據(jù)包括：溫度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流、并網(wǎng)功率、當(dāng)日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量、節(jié)約煤炭量、CO2減排量等。3.1.4光伏防雷匯流箱選擇光伏防雷匯流箱選擇通過相關(guān)認(rèn)證的高質(zhì)量匯流箱，具有防水，防曬，防銹，防雷擊，防逆流，滿足戶外使用等特點(diǎn)。圖3-2直流防雷匯流箱原理圖直流配電柜設(shè)計(jì)直流〔防雷〕配電柜主要是將匯流箱輸出的直流電纜接入后進(jìn)行匯流，再接至并網(wǎng)逆變器。配電柜內(nèi)含有直流輸入斷路器、漏電保護(hù)器、防反二極管、光伏防雷器等主要器件，在保證系統(tǒng)不受漏電、短路、過載與雷電沖擊等損壞，有效保證負(fù)載設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)，方便客戶操作和維護(hù)。直流配電柜原理圖如圖3-3所示：圖3-3直流配電柜原理圖3.1.6逆變器的主要功能是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。本系統(tǒng)采用2臺(tái)500kW和1臺(tái)250kW國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)逆變器。3.2發(fā)電量預(yù)算及節(jié)能減排通過專業(yè)軟件計(jì)算可得到在上海傾角為30度時(shí)，太陽(yáng)能月平均輻射量和年平均輻射量，具體數(shù)據(jù)見表3-2。表3-230度傾角太陽(yáng)輻射量〔kWh/m2〕月份12345630度傾角太陽(yáng)輻射量〔kWh/m2〕3.563.683.814.264.524.18月份78910111230度傾角太陽(yáng)輻射量〔kWh/m2〕4.754.644.283.923.673.66天威薄膜TW-TF120系列組件轉(zhuǎn)化效率ηmodule=8.4%，系統(tǒng)效率以ηsystem=85%計(jì)算，預(yù)計(jì)首年發(fā)電量約為1542073kWh，25年預(yù)計(jì)總共發(fā)電量為33925596kWh。3.2.2節(jié)能減排效應(yīng)光伏系統(tǒng)利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電。光伏發(fā)電過程不消耗任何化石能源，也不排放任何廢氣，是非常理想的綠色能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效減少常規(guī)能源的消耗，并且可以有效減少溫室氣體及其它有害氣體的排放，因此具有非常重要的環(huán)保意義。目前我國(guó)火力發(fā)電每產(chǎn)生一度電能平均消耗390克標(biāo)煤〔能源根底數(shù)據(jù)匯編，國(guó)家計(jì)委能源所，1999.1，P16〕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每燃燒一噸標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6噸，二氧化硫約24公斤，氮氧化物約表3-3光伏系統(tǒng)環(huán)境效益發(fā)電量每年節(jié)省每年減排kWh標(biāo)準(zhǔn)煤〔噸〕

0.39kg/度CO2〔噸〕

2.6/標(biāo)準(zhǔn)煤SO2〔千克〕

0.024/標(biāo)準(zhǔn)煤NOX〔千克〕

0.007/標(biāo)準(zhǔn)煤首年1542073601156414434421025年33925596132313440131754492617應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)1.光伏發(fā)電效益一局部對(duì)棚內(nèi)設(shè)施供電，多余局部可以并網(wǎng)出售或蓄電池儲(chǔ)存夜間使用。2.社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益提高土地利用率：可以在向陽(yáng)面和背陰面根據(jù)不同的光照條件配置以對(duì)光照要求不同的植物；較高的大棚可以構(gòu)建立體農(nóng)業(yè)，借用LED進(jìn)行補(bǔ)光，例如在育苗時(shí)，可以把育苗床上架等。在一定的土地空間上，光伏農(nóng)業(yè)大棚實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)作物經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)電效益的“雙贏”促進(jìn)農(nóng)民再就業(yè)：可以解決一局部農(nóng)民以及40-60農(nóng)村留守人員的就業(yè)農(nóng)業(yè)高效規(guī)?；氖痉蹲饔茫簻厥掖笈锱c屋頂技術(shù)相結(jié)合的光伏大棚，不僅可以保證棚內(nèi)設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以儲(chǔ)存雨水、雪水等循環(huán)利用，是集低碳、節(jié)能、環(huán)保、旅游于一身的新型高科技農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)工程這極大地促進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向工業(yè)化農(nóng)業(yè)的開展，也對(duì)地區(qū)的農(nóng)業(yè)開展起到了良好的示范作用。實(shí)現(xiàn)了農(nóng)民、企業(yè)、政府的“多贏”局面觀光旅游和生態(tài)農(nóng)業(yè)一體化：“光伏生態(tài)大棚”還可與旅游結(jié)合構(gòu)建觀光農(nóng)業(yè)，與社區(qū)農(nóng)產(chǎn)品需求結(jié)合，構(gòu)建社區(qū)農(nóng)場(chǎng)，與市民體驗(yàn)結(jié)合構(gòu)建開心農(nóng)場(chǎng)等集高效種植、農(nóng)業(yè)科普、休閑觀光于一體的新型農(nóng)業(yè)工程現(xiàn)存問題由于薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚模式在我國(guó)才剛剛啟動(dòng)，而且多為示范區(qū)，太陽(yáng)能裝機(jī)容量普遍較小，目前并沒有大規(guī)模推廣，還存在諸如前期投入本錢較高、太陽(yáng)能發(fā)電與農(nóng)作物生產(chǎn)相結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)不成熟、運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)不到位以及國(guó)家扶持資金比例不高等問題。具體表達(dá)為：〔一〕薄膜光伏太陽(yáng)能電池與農(nóng)作物生產(chǎn)相結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)不成熟傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池是晶硅電池且不透光，近年來快速開展的是薄膜非晶硅太陽(yáng)能電池，這種太陽(yáng)能電池的最大優(yōu)點(diǎn)是可以透光，而且溫度系數(shù)低，在陰天雨天和霧天也能發(fā)電，常年累計(jì)發(fā)電量比晶硅電池發(fā)電效率可提高20%左右。據(jù)調(diào)查，這種薄膜太陽(yáng)能電池的最大吸收波峰在400-600nm,而植物進(jìn)行光合作用的有效光譜為440nm的藍(lán)光和660nm的紅光區(qū)，在理論上薄膜太陽(yáng)能電池的最大吸收波峰與植物光合作用的吸收波峰并不沖突，可以通過薄膜分光技術(shù)將植物吸收的光透過太陽(yáng)能電池板供植物進(jìn)行光合作用，其它的光用來發(fā)電。但目前將這種技術(shù)應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚上，是否能完全不影響植物的正常生長(zhǎng)還缺乏相應(yīng)的前期實(shí)驗(yàn)研究，而且如何將分光技術(shù)與太陽(yáng)能電池更科學(xué)地結(jié)合起來，也是一個(gè)新的課題，現(xiàn)在研究的很少，都在探索之中。〔二〕已建成的薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚多為示范工程，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合不緊密薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚雖然在我國(guó)多個(gè)省份都有建設(shè)，但多數(shù)均是概念性的示范性工程。通過到山東、江西等地的示范點(diǎn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)建成的薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚大多數(shù)均沒有充分利用，棚內(nèi)種植農(nóng)作物很少，甚至只是一個(gè)能利用太陽(yáng)能發(fā)電的大棚，棚內(nèi)并沒有任何農(nóng)作物。當(dāng)前，薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚作為一種新生事物，僅是概念性的展示，并沒有和實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，沒有起到既能利用太陽(yáng)能發(fā)電，又能進(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn)一舉兩得的雙贏效果?！踩撑涮自O(shè)施不完善及運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)不到位，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用效果不理想由于目前大局部的薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚僅是示范，所以棚內(nèi)并沒有相應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施如降溫和加溫設(shè)施。我國(guó)大局部地區(qū)四季清楚，夏天溫度普遍很高，冬季溫度又很低，如果建成的薄膜光伏太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)沒有相應(yīng)的降溫和加溫設(shè)施，在炎熱和寒冷的季節(jié)也很難保證能進(jìn)行農(nóng)作物的正常生產(chǎn)。而且大局部農(nóng)業(yè)企業(yè)和農(nóng)民種植者并不掌握太陽(yáng)能電池的日常維護(hù)和保養(yǎng)技術(shù)，很多太陽(yáng)能電池加工企業(yè)在建成大棚后并沒有后續(xù)的運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)效勞，一旦太陽(yáng)能電池出現(xiàn)問題就很難保證能正常運(yùn)行，因此已建成的大局部薄膜光伏太陽(yáng)能大棚存在應(yīng)用效果不理想的狀況?！菜摹程?yáng)能發(fā)電量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電量不相匹配，與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)存在較大困難薄膜光伏太陽(yáng)能大棚能利用太陽(yáng)能發(fā)電，發(fā)的電也能應(yīng)用到棚內(nèi)農(nóng)作物相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)施上如降溫和升溫設(shè)施，但發(fā)電量與用電量并不匹配。比方在炎熱的夏季和寒冷的冬天，太陽(yáng)能發(fā)的電量遠(yuǎn)達(dá)不到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用的電量，相反如果是在一般的天氣，太陽(yáng)能發(fā)的電量就會(huì)超過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電，就會(huì)存在多余的發(fā)電量。解決的方法就是與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)，但目前與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)存在本錢高，并網(wǎng)要求條件苛刻等問題。〔五〕薄膜光伏太陽(yáng)能大棚結(jié)構(gòu)承重要求嚴(yán)格，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)大棚改造本錢高因薄膜太陽(yáng)能電池普遍采用雙玻封裝的方式，組件厚度為6-7mm，而常規(guī)光伏大棚所用保溫玻璃厚度為4mm左右，兩者厚度相差2-3mm，原有的農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)承重不能滿足光伏組件的承重要求，需要對(duì)原有農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和升級(jí)，這也導(dǎo)致薄膜光伏太陽(yáng)能大棚的總體投入增加，限制了薄膜光伏太陽(yáng)能大棚的大范圍使用。結(jié)論光伏大棚的建設(shè)提高了土地利用率，在一定的土地空間上，光伏農(nóng)業(yè)大棚實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)作物經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)電效益的“雙贏”；同時(shí)溫室大棚與屋頂技術(shù)相結(jié)合的光伏大棚，不僅可以保證棚內(nèi)設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以儲(chǔ)存雨水、雪水等循環(huán)利用，是集低碳、節(jié)能、環(huán)保、旅游于一身的新型高科技農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)工程，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)民、企業(yè)、政府的“多贏”局面。但是目前光伏產(chǎn)品與農(nóng)作物生產(chǎn)相結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)