浅析光伏农业大棚方案设计.doc

_浅析光伏农业大棚方案设计单 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 2013年 01月15日摘 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105现存问题11结 论14参考文献15精品资料绪 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。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。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%/尺寸和重量长(mm)* 宽(mm)* 厚(mm)130011006.6重量(Kg)24适用温度范围-40+85系统最大开路电压1000VDC3.1.3 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12345630度倾角太阳辐射量（kWh/m2）3.563.683.814.264.524.18月份78910111230度倾角太阳辐射量（kWh/m2）4.754.644.283.923.673.66天威薄膜TW-TF120系列组件转化效率module =8.4%，系统效率以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。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1542073601156414434421025年339255961323134401317544926174 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。 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。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