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技术成果

2018年08月10日

光伏太阳能农业领域应用

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。
光伏太阳能农业领域应用
                                                                                                                                     图1-1 光伏大棚发电原理图

2 应用原理

2.1 太阳光分析

光伏太阳能农业领域应用
 
                                                                                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)
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                                                                           图2-2农作物光合作用示意图
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                                                                         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
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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。
光伏太阳能农业领域应用
                                       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) 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。
光伏太阳能农业领域应用
                                                                                                           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:
光伏太阳能农业领域应用
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
 
     薄膜TW-TF120系列组件转化效率ηmodule =8.4%,系统效率以ηsystem =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 1542073 601 1564 14434 4210
25年 33925596 13231 34401 317544 92617

4 应用优点

  1.光伏发电效益
光伏太阳能农业领域应用
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。