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• 本文标题：光伏系统在智能温室大棚中的设计与应用.docx
• 链接地址：https://wk.sbvv.cn/view/21554.html
• 内容摘要：摘要21世纪，随着社会的不断发展，人类的生活水平越来越高，自然能源已供不应求且自然能源是不可再生能源。为了可持续发展，人类不得不开发新能源，以便维持可持续发展。新能源种类较多，尤其是太阳能已被我们大规模应用。农业是我们生存的根本，将太阳能应用到农业是我们所必须实现的重要一步，这样不仅使太阳能越来越普遍，而且会节省许多不可再生能源。本文基于发展新能源的理念，设计光伏发电系统与温室大棚有效结合。因地处西北，光照充足，其发电量可满足所需。在设计时，需掌握光伏发电及储能的相关原理，选择合适的光伏组件以及蓄电池，并且计算出串并联数，着重设计储能部分，再通过Pvsyst仿真系统发电量等。其次需设计温室大棚内各个工作环节，选用合适的单片机以及传感器，通过数字化控制，使温室大棚实现智能化控制。最后，对智能温室大棚所设计的光伏发电系统进行综合经济效益分析，并对该系统进行总结分析及展望。关键词：光伏发电；温室大棚；储能AbstractInthe21stcenturywiththecontinuousdevelopmentofsocietythelivingstandardofhumanbeingsisgettinghigherandhigher。Naturalenergyisihortsupplyandnonrenewableenergy。Foustainabledevelopmenthumanbeingshavetodevelopnewenergyresourcesinordertomaintaiustainabledevelopment。Therearemanykindsofnewenergyespeciallysolarenergyhasbeenwidelyusedbyus。Agricultureisthefoundationofouurvivalandtheapplicationofsolarenergytoagricultureisanimportantstepthatwemustachievewhichnotonlymakessolarenergymoreandmorecommonbutalsosavesalotofnonrenewableenergy。Thispaperbasesontheconceptofdevelopingnewenergydesiganeffectivecombinationofphotovoltaicpowergeneratioystemandgreenhouse。Duetolocatedinthenorthwestwithsufficientlightitspowergenerationcanmeetthedemand。InthedesignitisnecessarytomastertherelevantprinciplesofphotovoltaicpowergenerationandenergystorageselectappropriatephotovoltaicmodulesandbatteriescalculatethenumberofseriesandparallelconnectionandfocusonthedesignofenergystoragepartthenusePVstsypowergenerationofsimulatioystem。Secondlyitisnecessarytodesigneveryworkinglinkinthegreenhouseselecttheappropriatesinglechipmicrocomputerandseorandrealizetheintelligentcontrolofthegreenhousethroughthedigitalcontrol。Finallythecompreheiveeconomicbenefitofthephotovoltaicpowergeneratioystemdesignedbytheintelligentgreenhouseisanalyzedandthesystemissummarizedanalyzedandprospected。Keywords:PhotovoltaicpowergenerationGreenhouseEnergystorage目录摘要IAbstractII目录III1绪论11。1选题背景及意义及国内外发展现状11。2传统温室大棚与光伏温室大棚31。2。1传统温室大棚31。2。2光伏温室大棚31。3课题主要任务42、温室大棚的设计52。1确定大棚的外形材料及尺寸52。2大棚的升温系统62。3大棚的灌溉系统72。4大棚的光照系统82。5大棚的通风系统82。6大棚卷帘机系统93、光伏发电系统的设计103。1光伏发电系统原理与分类103。2光伏系统的设计113。2。1选择光伏组件113。2。2控制器的选择143。2。3逆变器的选择143。2。4蓄电池的选择143。2。5防雷接置174。光伏系统仿真185、控制系统225。1升温系统245。2通风系统255。3灌溉系统255。4补光系统265。5自动卷帘机276、经济性分析296。1经济效益分析296。2环境效益分析306。3社会效益分析31结论32参考文献33致谢361绪论1。1选题背景、意义及国内外发展现状随着社会的发展，能源需求的增加，不可再生能源已不能满足我们的需求，太阳能等一些新型能源开始被我们广泛利用，与原始发电方式相比，利用太阳能进行发电可大大减少不可再生能源的消耗，并且对环境没有污染。随着国家的号召，光伏电站项目已经在各地开始实施，农业作为我国国民经济的基础，将光伏发电与农业结合是我国发展重要的一步，这样不仅可以节省能源消耗、减轻农民的压力，而且响应国家号召，与清洁能源、绿色环保主题相结合，对我国的发展具有一定的意义。图1。1我国光伏装机规划图我国是农业大国，农业作为我国国民经济的基础，近些年来，随着我国农业和农村经济的发展，农业生产方式也逐渐向现代化发展，目前在农村，温室大棚的使用随处可见，目前我国设施园艺面积已达300多万公顷，总面积居世界首位，其中日光温室面积约为60多余万公顷，占温室大棚等其他设施总面积的50%以上，北方地区约占整个温室大棚面积的80%以上。[1]、[2]随着科学技术的进步，温室大棚的结构也在逐渐提高，通过使用科学的方法，不仅可以有效地提高温室大棚内农作物的生产率，并且可以在一定程度上减少生产成本，降低劳动人员的劳动压力。[5]虽然目前已经慢慢出现光伏温室大棚的建设，但对于整体的光伏发电系统不太完善，并且温室大棚内的自动化控制也尚未成熟。主要存在以下几点问题：①光伏发电系统建设前期投资较大，并且使用过程中系统维护不方便，许多人只看到眼前的投资，没有考虑长远的利益，不愿意去建设光伏温室大棚。[3]②温室大棚内的自动化管理对操作人员的要求较高，不仅需要相应的专业知识，而且要有熟练的实际操作经验。所以，由于以上原因，我国目前传统温室大棚占比重较多，但传统温室大棚不仅消耗不可再生能源，例如煤炭等，污染空气，与我国号召的绿色环保截然相反，并且劳动人员工作压力大，温室大棚内农作物生产效率也低。[6]国外温室发展最早起源于罗马，自20世纪70年代以来，国外农业较为发达国家在温室栽培方面做了许多的技术研究，并取得相应成果，其中以荷兰为代表的一些国家温室建设规模大，自动化要求高、生产效率高，对温室大棚内的光照、温湿度等均实现了智能化控制，日本等国家推出了目前世界较先进水平的全封闭式生产体系，即应用人工补充光照，促进农作物光合作用，并且应用网络通讯技术对温室大棚内进行监测与控制，有效地提高了温室大棚农作物的生产率。[4]目前，国外温室发展呈以下趋势：温室建设面积逐渐扩大，在农业技术先进的国家，每栋温室建设面积都在0。5公顷以上，以便于机械化作业，并且也大规模化的与太阳能相结合，实现绿色环保产业，温室表面覆盖材料向功能化、系列化发展，多采用玻璃。对温室大棚内各个工作系统向自动化发展，以实现智能温室的目标。[31][33]图1。2国外光伏装机趋势图1。2传统温室大棚与光伏温室大棚1。2。1传统温室大棚（1）参数不稳定，不宜植物最佳生长传统的温室大棚达不到智能化控制，对于大棚内的温湿度、光照强度与时长、二氧化碳的需求等其他参数控制不理想，导致植物不能处于在最佳生长环境下。夏季大棚内温度过高，冬季大棚内不能处于恒温状态，保温条件差，这样都会影响到植物的生产率。（2）科技含量低传统温室大棚不管在设施本身还是在栽培管理方面都存在些许问题，其大多数设施结构简单，栽培管理传统，距离智能化还有一定的差距，目前使用的产品主要还以国外产品为主，虽然国内已有一些科研成果，但实际推广应用较慢。（2）能耗高、不环保目前，为了提高农作物的产量，我国许多地方已经建设并使用温室大棚，提高生活水平，但地区昼夜温差较大，冬夏季区别明显，需要使用各种方法去保持温室大棚内的恒温状态。夏季温度较高时，需要在大棚外大面积覆盖遮阳布并且需要去给大棚内定期通风，冬季时温室大棚内温度较低，必须燃烧煤炭去提高大棚内温度。但这样会损耗过多的能量，且不符合国家号召的绿色环保这一主题。[10]、[34][36]1。2。2光伏温室大棚光伏发电系统是将利用光伏组件将太阳能转化为电能的新型发电系统，而农业大棚的“升温、保温”一直都是困扰农民的难题。随着光伏建筑一体化技术的发展，将光伏发电系统与温室大棚相结合，可以解决传统温室大棚遇到的问题，弥补传统温室大棚的不足之处。[7][9]光伏温室大棚可采用透光性光伏组件，这样不仅可以发出供大棚所需的电量，而且可以使大棚的植物达到所需的光照强度与光照时长。[38]同时，透光性光伏组件可以过滤太阳光中的紫外线等对植物生长的有害光线；光伏温室大棚需要具有保温性、可通风性，这样可以在晚上等恶劣天气时可以用光伏系统所储存的电量对大棚升温及保温，当在中午等炎热天气时，可以对大棚内通风以及散热来保证植物生长的适宜温度。[40]光伏温室大棚还可以满足种植设备及工作人员的用电量，这样就大大提高的光伏温室大棚的效率，节省了许多能源以及投资费用，并且可以减少传统能源的消耗，有利于环保，避免对环境的污染。[11]、[37]、[39]由于我国西北地区深居内陆，距海遥远，降水稀少，气候干旱，属于温带季风气候，且西北地区地势较高，云层稀薄，位于第二阶梯，太阳辐照量强，太阳能资源丰富。所以应用到光伏发电便有充足的电量以供温室大棚的需求，并且光伏发电系统中包括储能系统，所以即使有少量阴雨等其他恶劣天气也不会影响到农业温室大棚中农作物的生长。所以，在我国西北地区设计温室大棚光伏发电系统一定会达到预期成果。1。3课题主要任务本课题以满足现代设施农业温室大棚（400m2）的用电需求为目标，设计适合西北地区温室大棚光伏发电系统。主要设计任务：1。了解温室大棚的用能需求（区别户用光伏发电系统）；2。掌握光伏发电及储能相关原理；3。分析光伏发电系统发电量及预测发电量；4。分析光伏及储能系统经济性。2、温室大棚的设计随着社会的飞速发展，人们的生活水平越来越高，反季节蔬菜已经成为餐桌上的常见菜品，所以现在社会对于温室大棚的需求越来越多。而温室大棚内各个工作系统是种植蔬菜成功的关键，以下我将对大棚外形及大棚内的各个工作系统进行研究与设计。2。1确定大棚的外形材料及尺寸基于我本次设计为西北地区400㎡的温室大棚，以下是我确定的大棚外形尺寸。大棚外形尺寸可设计为20m20m，跨度10m，共2跨。开间5m，共4开间，肩高5m，屋脊为东西走向，面积400㎡。因为大棚需要具有保温性，且需要透光性以满足大棚内植物的光照需求，所以采用玻璃材料作为温室大棚的外形材料，玻璃温室具有采光面积大，光照匀称，利用时间长，强度高，防腐性、阻燃性较强。通过对于玻璃的分析，选择中空玻璃作为大棚的外形材料，智能温室的中空玻璃由两片或两片以上组合，周边密封。中空玻璃自身质量较轻，并且有节能绝热、隔声降噪等优势。其优点有以下几点：a。中空玻璃选用柔性密封材质，在温室等温差较大的环境下，减弱了玻璃板封接区域的剪切力，解决了脆性密封质料在一样环境下的密封失效问题，解决了在各钟恶劣条件下智能温室成果减损的问题。b。中空玻璃存在低温封接技能，一方面具有钢化玻璃的强度、抗攻击等特性，另一方面其受力漫延匀称，不会因为碰撞等原因造成损害，提高利用寿命，是温室大棚外形材料的首选。c。中空玻璃具有高真空内腔的特点，有效地隔绝了玻璃的传热以及散热等问题。智能温室大棚中中空玻璃的保温隔热性能是普通玻璃的两倍以上，完全可以满足温室大棚的需求。d。中空玻璃与真空玻璃的比较；顾名思义，两者的区别就在于中空玻璃中间有空气，而真空玻璃中间抽取了空气，使里面成为真空状态。真空玻璃是一种高性能的玻璃，隔音、隔热、保温性能都较高于中空玻璃，且较薄，一般在10mm以下，而中空玻璃至少为15mm。但价格却是中空玻璃的23倍。综合分析，虽然中空玻璃性能较低于真空玻璃，但其可以满足温室大棚的需求，其价格也较低，所以再通过经济性分析，最终选择中空玻璃。图2。1玻璃温室大棚示意图2。2大棚的升温系统对于温室大棚而言，升温系统是必不可少的，在夜晚、冬季或者天气不好的情况下往往需要升温以保持大棚内的温度，促进植物的生长。虽然大棚内升温系统是非常重要的，但是由于温室大棚的保温性能较强，所以对于升温的要求不太高，耗能相对较少。目前常用的升温方式有三种：热气升温、热水升温、电加温线。电加温线方法分析：电加温方式是将电加温线埋在土中，是一种无噪声且清洁的加温方式，主要用在温室育苗等条件下。但由于单位热量的电能费用是其他燃料费用的36倍，耗能较大，并且大棚内种植是需要灌溉的，电加温线安全性较差。热水加温方法分析：热水加温系统是我国温室中应用普遍的加热方法，主要由储水箱、输水管和散热设备三部分组成，其工作原理是储水箱由水泵加压，热水通过输热管供给温室中的散热设备，通过散热来对大棚内进行加温，其中水是可循环的。虽然这种方法适应性较强，加热范围广，易操作，但是其投资较大，系统复杂，安装难度大，且大棚内保温性强，升温系统要求较低，所以不选用此方法。热风加温方法：热风加温在国外温室中较为常见，热风机就可满足其要求，其工作原理是空气加热器散热，然后风机送出，使大棚内空气温度得以调节。空气加热器由螺旋翅片管组成。并且温室大棚内热风机采用全自动智能化控制，节省人工。并且这种加热方法价格便宜，响应速度快、效率较高，使目前玻璃温室常用的升温方式。其缺点就是不能集中加热，热风机寿命较短。综上所述，且由于大棚保温性强，对于升温需求不太频繁，且热风升温价格较低，所以综上考虑，采用热风升温方法。通过市场上的比较分析，最后选用型号为30KW220V的电动热风机，其额定功率为550W，可满足400㎡的供暖需求。有如下优点：a。安全性能好，具有断电保护、过热保护、绝缘保护等。b。使用寿命长，扇叶为喷塑镀锌板，工作寿命长。c。温控开关，感应灵敏，可实现自动控制。d。升温快，可以及时提高温室内温度。表2。1不同热风机的参数表型号电压电机功率风量m³适用面积㎡规格mm8KW220V10KW220V20KW220V30KW220V50KW220V220v120w200050100660580530220v220v220v220v120w370w550w1。1kw2000300059701100010020015030025040040060066045058066045058087053062012008007502。3大棚的灌溉系统水是生命的源泉。任何生物都离不开水，足够的水分补充是植物赖以生存的关键。对于传统大棚的灌溉技术做出了如下分析：a。大水漫灌大水漫灌是一种比较落后的技术，这种灌溉方法虽然没有前期的投资成本，但是浪费水资源，节约用水应当人人有责，并且在大棚内采用漫灌方式会影响大棚内的温度，容易造成土地板结，降低大棚内植物的生长速率，而且会引发害虫危害植物，对于后期的影响较大。b。沟畦灌溉沟畦灌溉的原理是水从两边沿着温室大棚开挖的垄沟流过去，虽然没有漫灌方式浪费水资源，但是跟大水灌溉的缺点一样，容易造成土地板结，植物根部透气性降低。当灌溉结束后，大棚湿度太大，容易引发害虫危害植物。从而影响作物的产量。c。滴灌与喷灌滴灌和喷灌的灌溉原理是指利用滴头或者喷头直接把水滴到作物根部或者喷洒到作物上，这两种灌溉方法同上面两种灌溉技术比较，具有经济、科学的优点。采用滴灌和喷灌的方法，可以节约水资源50%70%，避免不必要的浪费，水流的速度也比较均衡，大大减少了土壤板结概率，可以让植物根部有很好的透气性，大部分水分因为直接进入到植物的根部，也就降低了大棚内的湿度，提高大棚内的温度，提高作物的产量。所以综上所述，考虑灌溉的经济性与科学性，采取滴灌技术，它不仅节水、节肥，而且节省劳动力。滴灌属于全管道输水和局部微量灌溉，使水分的渗漏和损失降到最低。同时，又由于能做到适时地供应作物根部所需水分，不存在水的损失问题，使水的利用效率大大提高。同时，滴灌方法可方便的结合施肥，即把化肥溶解后灌注入灌溉系统，由于化肥同灌溉水结合在一起，肥料养分直接均匀地施到作物根系层，真正实现了水肥同步，大大提高了肥料的有效利用率。所以，最终选择滴灌灌溉方法。通过市场分析，选用型号为250W自吸泵，可满足大棚的滴灌用水需求。表2。2不同自吸泵的参数表功率电机转速最大流量电压最大吸程规格250W370W550W750W2900rpm2900rpm2900rpm2900rpm3m³H4m³H6m³H8m³H220V220V220V220V6m6m6m6m351223cm351223cm381525cm381525cm2。4大棚的光照系统光照对植物而言是必不可少的，植物生长必须进行光合作用，而光合作用需要在有光的条件下进行，绿色植物吸收光照，利用体内的叶绿素，经过光和碳的反应，可以把吸收来的二氧化碳和水转化为有机物，并且释放出氧气。光合作用会随着光照强度的增加而增强，通过这个过程可为生物到来物质来源和能量来源。但是在阴雨天或者晚上没有光照时，植物没法进行光合作用，所以需要在大棚内安装补光灯以促进植物光合作用，提高植物的生长率。通过市场分析，选用LED灯来补充大棚内植物的光照，选用的是50W的LED补光灯，因为该种型号补光灯光照范围较小，所以选用20个50W的LED补光灯。2。5大棚的通风系统对于温室大棚而言，保持通风也是非常重要的，通风的作用主要是调整温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度等。为大棚内的植物提供合适的环境条件，但也应该注意以下几点：a。降低温度：大棚内种植物不同生长阶段对温度的要求也不相同，当在夏季温度过高时，可通风降温12时，也可间歇通风，防止室内温度骤降，对作物造成伤害。b。控制通风量：大棚内通风应按照通风从小到大、顺风向放风的原则，特别应注意调节棚内局部温差，在高温处通风早，通风口较大，在低温处通风晚，通风口小。c。在大棚内灌溉或施药后应短时通风，可有效降低棚内湿度，提高二氧化碳浓度，以促进植物的生长率。虽然我们可以采用自然通风的方法，但在夏季特别炎热时，自然通风往往满足不了大棚的需求，所以不得不采用强制通风对大棚内进行适当的降温，强制通风是指采用风机将电能或机械能转化为风能，强迫空气流动进行温室换气达到降温效果。由于对于温室大棚通风要求不高，通过市场分析，最终选用300W220V的通风机。2。6大棚卷帘机系统温室大棚的外部的草帘是必不可少的设备，但传统的草帘不仅工作效率慢，而且需要的大量人工。但卷帘机就可以完美的替代传统的草帘，大棚卷帘机的作业首要就是应用于大棚草帘或布帘的收放作业上，传统的方式不仅作业慢、效率低，而且特别费时费力。而大棚卷帘机是一种机械化较高的设备，采用自动化模式工作，大大较少了劳动力，具有启动快，拉伸均匀的特点，保证了卷帘的正常开与合，并且其震动效果比较小，工作方式简单，效率高，但其自动卷帘机的安全性较低，在选择卷帘机时，应考虑卷帘机功率与其温室大棚的长度匹配性，当大棚长度小于40m时，其卷帘机功率应小于1500W。根据市场分析，因为大棚长宽均为20m，所以选用小型卷帘机，参数为850W220V的卷帘机。3、光伏发电系统的设计3。1光伏发电系统原理与分类光伏发电原理为光生伏特效应，在光照下，太阳光照射到半导体PN结上，形成电子—空穴对，在内建电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，从而产生电动势，接通电路后便形成电流。图3。1光伏发电原理图光伏发电系统包括离网型发电系统与并网型发电系统，离网型发电系统包括光伏组件、控制器、蓄电池组、逆变器、直流负载和交流负载等部件。当在有光照的情况下时，光伏阵列将太阳能转换为电能，通过控制器给负载供电，同时给蓄电池充电；在没有光照时，由控制器通过蓄电池给负载供电。并网型发电系统包括光伏组件、控制器、逆变器、直流负载和交流负载等部件。与离网型发电系统相比省掉了蓄电池的储能和释放过程，而是通过逆变器将电能输入到公共电网，减少了过程中能量消耗。综合考虑，根据光伏温室大棚所需，选用离网型光伏发电系统。图3。2离网型光伏发电系统示意图3。2光伏系统的设计以西北地区400㎡的光伏大棚为基础进行设计，采取光伏发电系统，利用太阳。。。
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