光伏系统在智能温室大棚中的设计与应用

　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

　1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20m*20m，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2-3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3-6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

　2.3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

　2.4 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1-2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P-N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，利用太阳能发电来给温室大棚提供其需要的能量。根据温室大棚内用电设备的功率及用电时间可计算出温室大棚的日耗电量：

以上日工作时间都为估值，且基本都高于实际工作时间，即日耗电量较小于上述计算值，再加上其它部分等一些较小用电量，最终确定温室大棚日耗电量为10千瓦时。所以在设计光伏大棚时的光伏组件安装容量为10千瓦时，即可满足温室大棚的日耗电量。

　3.2.1选择光伏组件

大棚内的植物对光照也有一定的需求，所以选择透光性光伏组件，这样不仅可以利用光伏组件进行发电，同时也可满足植物对光照的需求。光伏组件过滤掉部分有害光线后，太阳光便可直接照射进大棚内，使植物得到充足的光照。通过对光伏组件的挑选，最后选择薄膜太阳能电池。选用薄膜太阳能光伏组件可和温室大棚结合起来，也就是利用大棚屋顶进行发电，大棚内进行种植，因为薄膜太阳能电池具有可透光性，所以它不仅不会影响大棚内植物的生长，而且还可以为大棚的用电设备提供电能。薄膜太阳能电池代替原来太阳光无法穿透的晶硅太阳能电池，可使太阳光透过薄膜太阳能电池照射到大棚的种植物，太阳光中不需要的波段被太阳能电池吸收，植物需要的波段则被植物吸收，并且太阳能电池自身产生的热能可用于温室大棚的保温。[12]、[13]

图3.3光伏组件基本分类

通过对薄膜太阳能电池的比较，最后选用碲化镉薄膜太阳能电池，其优点有以下几点：

a、理想的禁带宽度：CdTe的禁带宽度一般为1.47eV, CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配。

b、高光吸收率：CdTe的吸收系数在可见光范围高达104cm以上，95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。

c、转化效率高：CdTe薄膜太阳能电池的理论转换效率约为28%。

d、电池性能稳定，结构简单

e、一般的CdTe薄膜太阳能电池的寿命为20年，其制造成本低，生产方式为规模化生产。

通过市场上的分析，选用碲化镉薄膜太阳能电池，其基本参数如表3.1。

表3.1光伏组件基本参数

由第二章的计算可得出温室大棚内用电设备日耗电量为9.9千瓦时，西北地区最低的光照辐射是1月份，其峰值日照时数为3小时。

可根据公式 电池组件的并联数=负载的日平均用电量/组件的日平均发电量

组件的峰值工作电流是0.85A，峰值工作电压是94.1V，则可计算出组件的功率为取80W，平均一天日照时数为10h，则单个组件理论每天可发电。

由于系统工作电压是220V，可根据公式 电池组件的串联数=系统工作电压×1.43/组件峰值工作电压

所以最终光伏组件为13并4串，即需要52块碲化镉薄膜太阳能电池。同时，也应考虑影响光伏组件发电量的因素：

1、太阳辐射量：在光伏系统发电功率相同的情况下，太阳辐射量越大，光伏组件的发电量就越大；

2、光伏组件安装倾角：一般情况下考虑全年的经济效益及耗电量，主要以冬季为主，则当地纬度加上15°，为光伏组件的最佳安装角度。

薄膜太阳能电池直接粘贴在大棚的顶上，在构建大棚时，光伏大棚棚顶的角度等同于光伏组件安装倾角，即可使光伏发电效率最大化。为了使太阳辐射达到最大化，但由于是固定安装方法，考虑全年综合发电效率，夏天的太阳福照度和日照时间都较长于冬季，最终以冬季为主选取合适的安装倾角。

ßopt=Ф±15°

其中Ф代表当地的纬度。以兰州为例，查阅当地纬度为36°，所以安装倾角确定为36°+15°=51°

3、湿度：当湿度超过最佳湿度1℃太阳能电池的最大输出功率会降低0.04%，开路电压降低0.04%,短路电流会上升0.04%，所以为了避免湿度对发电量的影响，应该保持元件良好的通风性。

4、阴影遮挡：若光伏组件中有一块存在阴影就会影响这组组件的发电功率，所以组件需要定时的擦拭以减少灰尘的遮挡，其次也应避免各个组件之间的相互遮挡；

5、积灰：灰尘等其他杂物覆盖在组件上会形成遮挡现象，导致光伏组件的输出功率下降以至于影响光伏组件的发电量，所以应当定期对光伏组件进行清洗。

　3.2.2控制器的选择

光伏控制器在太阳能发电系统中，保护蓄电池正常工作以及控制多路太阳能电池方阵对蓄电池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。其采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和检测控制系统。其作用主要有功率调节功能、通信功能、简单指示功能、保护功能，电气、短路、过流、过压等保护。

根据光伏组件的电流、电压大小，最后选用型号为96V25A的控制器，此控制器适用于光伏温室大棚。

3.2.3逆变器的选择

光伏逆变器在太阳能发电系统中起到将直流电转换为交流电的作用，有以下特点：转换效率高、启动快；安全性能好：具有短路、过载、过压、欠压、超温等保护功能；带负载适应性与稳定性强。其有很多种类，可按不同的分类方法分类。

按波弦分类：分为正弦波逆变器与方波逆变器；

按并网分类：分为离网型逆变器与并网型逆变器；

按相数分类：分为单相逆变器与三相逆变器。

基于大棚内的用电设备，确定选用正弦波、离网、三相逆变器。

根据光伏组件、控制器及用电设备的参数，因为温室大棚内用电设备不可能同时使用，根据市场分析，选用96V5000W的逆变器，其输出电压为220V。此逆变器为正弦波输出，效率高、稳定性好、负载适应能力强；智能安全防护，具有过充、过放、过流、过压等多种保护功能；峰值功率为额定功率的3倍；具有四种智能模式：市电优先模式、电池优先模式、节能优先模式（逆变器工作在电池模式下且无负载时，20秒进入休眠状态，以达到节能效果）、储能优先模式。

逆变器的安装：由于逆变器集成度高，整体结果较大，自身散热量也较大，所以在安装逆变器时要选择一个较为空旷、干燥绝缘的环境中，并且不能直接将逆变器安装在地面，应该将逆变器安装在逆变器柜中，并且不能将发热元件等紧靠逆变器的底部安装，尤其注意端线接头处的接触，并且为了系统的稳定运行，要保持一定的裕量。

　3.2.4蓄电池的选择

在离网型光伏发电系统中，蓄电池是必不可少的环节，其可将白天太阳能组件发出的过剩电能储存起来，以供阴雨天及夜晚使用。在光伏温室大棚这个系统中，蓄电池会频繁使用，因为在夜晚以及冬季没有光照时，正是温室大棚的用处所在，可用其蓄电池中的电量提高大棚内的温度以及用于夜晚照明，以促进温室大棚内植物的生长速率。所以储能环节是非常重要的。

目前，市场上用于光伏发电系统的蓄电池主要有两种，分别是铅酸蓄电池与锂电池，其中锂电池中综合性能最好的为磷酸铁锂蓄电池。

铅酸蓄电池，其正极为二氧化铅，负极为海绵状铅，电解质为硫酸水溶液，隔板根据不同类型的铅蓄电池使用微孔橡胶隔板、微孔塑料隔板或其他材料，电池壳体使用硬橡胶、工程塑料、玻璃钢等材料制成。其充放电原理为铅酸蓄电池的两组极板插入稀硫酸溶液里发生化学变化就产生电压。通入直流电时(充电)，在正极板上的氧化铅变成了棕褐色的二氧化铅(PbO2)，在负极板上的氧化铅就变成灰色的绒状铅。铅蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸起了化学变化，逐渐变成了硫酸铅(PbSO4),当正负极板上的活性物质都变成了同样的硫酸铅后，蓄电池的电压就下降到不能再放电了。此时需要对蓄电池充电，使其恢复成原来的二氧化铅和绒状铅，这样，蓄电池又可以继续放电。

图3.4铅酸蓄电池工作原理图

磷酸铁锂蓄电池，其正极是橄榄石结构的LiFePO4材料，由铝箔与电池正极连接。负极是由碳（石墨）组成的，由铜箔与电池负极连接。中间是聚合物的隔膜，把正负极隔开，锂离子可以通过隔膜而电子不能通过隔膜。电池内部有电解质，电池由金属外壳密闭封装。其充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。电池充电时，锂离子从磷酸铁锂晶体迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，然后穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，而后嵌入石墨晶格中。

与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池正极柱、外电路、负极极柱、负极极耳流向电池负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁。

电池放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，然后穿过隔膜，经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电子经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。锂离子嵌入到磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂。

通过比较铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池：

铅酸电池优点：

电压稳定、价格便宜、维护简单、质量稳定，可靠性高。

缺点：比能低、使用寿命短、日常维护频繁。

磷酸铁锂蓄电池优点：

锂电池适应性强，可以在-20℃—-60℃的环境下使用；

寿命长，循环寿命在2000次以上，可使用7到8年时间；

磷酸铁锂电池绿色环保，无毒，无污染。

缺点：价格相对铅酸蓄电池较高；导电性能差，锂离子扩散速度慢；密度大，体积大。

根据经济型分析，以及维护处理便利，质量稳定。综合考虑，选用磷酸铁锂电池。

表3.2磷酸铁锂电池参数表

其充放电化学方程式：

　3.2.5防雷接置

一般来说，光伏发电系统都会安装防雷措施。

雷电一般分为感应雷和直击雷，根据季节可分为夏季雷和冬季雷，在雷击过程中，将会产生强烈闪电和巨大的响声，与此同时会形成强大的电压与电流。即时雷电发生过程的时间短，只有几微秒到几十微秒，但雷电放出电能的电压小则几十万伏，大则几百万伏，雷电电流可达几千安，甚至于一二十万安培。系统输电线路不管遭到直接雷击还是感应雷击，都会产生过电压，如果没有及时使雷电流流入大地，雷电就会损坏建筑物，还会引起火灾，造成人员身伤亡事故与财产损失。目前常见的避雷方式主要有安装避雷针、避雷网、避雷线、避雷器等。根据保护对象的不同，可选取不同的避雷方法。

防雷接地有以下注意事项：

一般情况下，系统中电气设备的金属外壳必须与大地接通，防止内部绝缘材料被击穿或者发生故障时高电压有伤人的危险。光伏发电板的金属或合金支撑结构也应接地，避免产生直接接触电压。因为在发生直击雷时，接地的金属支撑结构能提供了雷电电流的传输路径(如果光伏阵列已安装了外部雷击防护系统，必须注意不能再让金属支撑结构接地，以防止经由地面发生的耦合效应)。此外，雷击保护装置应该被直接与地面连接到一起，并且其路线应该尽可能的短。

当系统中一条线路与另一条线路互相交叉时，其线路间的垂直距离尽可能大一点。避雷元件要分散性的安装在光伏阵列的主回路里，并且在接线盒内也完成避雷设施的安装，针对从配电线路中入侵的雷电浪涌，可以在分电盘中安装避雷元件来应付。

　4.光伏系统仿真

因此次设计地区为西北地区，以兰州当地气候为例，采用PVstsy和Meteonorm7.1数据库，进行太阳辐射量仿真模拟。

图4.1兰州经纬度设置图

图4.2兰州月平均太阳能辐射量

图4.3兰州每月总辐射量

图4.3无遮挡时太阳路径

光伏组件选择固定安装方式，以兰州地区为例，倾角选择51°，利用PVsyst进行模拟仿真，结果如下：

图4.4光伏组件安装倾角仿真

经计算得出温室大棚日耗电量为9.9kw·h，进行仿真模拟，结果如下:

图4.5系统发电量分析

图4.6系统每月发电量数据图

图4.7光伏发电系统成本

由仿真结果可知系统年发电量远远满足温室大棚年用电量，所以光伏发电系统设计满足智能温室大棚所需。

　5、控制系统

光伏温室大棚设计采用自动控制，通过传感器及单片机实现。[14]、[15]采用自动控制，通过高度的自动化程序，可大大节省劳动力，并且可以提高温室大棚内种植物的生长效率，提高经济收益。所设计的系统选用 AT89S51 单片机作为控制核心，系统由时钟、复位、LCD显示模块、报警装置蜂鸣器、温度传感器、土壤湿度传感器、 灌溉控制和通风换气控制等模块构成。[18]、[19]系统上电开机单片机将对温度模块和土壤湿度传感器模块接口进行数据采样，并测量温度和土壤湿度是否在设定范围内，从而判断是否需要启动滴灌水泵和通风换气装置。当温度高于设定值时，单片机控制通风换气控制模块驱动换气装置换气降温；当温度等于或低于设定值时，则关闭换气装置；当土壤湿度低于设定值时，单片机控制滴灌控制模块驱动水泵进滴灌浇水；当土壤湿度达到设定值后，关闭水泵，停止灌溉。[16]、[17]

图5.1AT89S51单片机特征图

温室大棚系统结构原理如图所示：

图5.2温湿度整体控制系统示意图

此次设计的温室大棚内主要有升温系统、补光系统、通风系统、灌溉系统及卷帘机的自动升降等五部分。其主要通过传感器检查，将信号传递到单片机，再由单片机控制其工作设备进行工作。具体工作如下：使用温度传感器检测，若大棚内温度高于适宜植物生长温度，则单片机控制其通风系统工作，当温度传感器发出适宜植物生长温度的信号，则停止工作；若温度传感器检测出大棚内温度低于适宜植物生长温度，则单片机控制升温系统工作，当温度提高到适宜植物生长温度后，则停止工作；再由湿度传感器检测温室大棚内土壤湿度，若低于适宜植物生长湿度，则单片机控制其灌溉系统工作，当湿度传感器检测到适宜植物生长湿度时，则停止工作；卷帘机由光敏传感器控制，外界有阳光时，卷帘机会自动收卷起来，当夜晚或者天气不好时，卷帘机会控制卷帘将温室大棚覆盖，以保证温室大棚内的温度；当夜晚大棚内光照不足时，也由光敏传感器检测及传递信号，使单片机控制温室大棚补光系统进行工作，使大棚内植物得到充足的光照。[20]

图5.3液晶显示程序示意图

　5.1升温系统

升温系统主要用于在冬季或夜晚大棚内温度不足时提高大棚的温度，以保证植物的正常生长环境，提高植物生长率。通过比较分析，选用DS18B20数字温度传感器，其具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20 温度传感器测温范围为－ 55℃–+125℃，分辨率为 0.5℃，完全满足温室大棚温度测控范围要求。传感器工作电压为 3.0—5.5V/DC，且该温度传感器的引脚有三个接口：一个接地口，一个电源接口、一个数据总线与单片机连接口。如下图所示：

图5.4DS18B20单片机接口示意图

DS18B20 数据线与单片机 P1.1 接口连接，通过软件初始化设定，无需任何外 围器件即可工作，测量结果以 9 ～ 12 位数字量方式串行传送，使用简单方便，是本智能控制系统最理想的测温元件。

当夜晚或者阴雨天气，温室大棚内温度在20℃以下时，温度传感器会检测到外界信号，并且将信号传递给单片机，单片机收到信号后会控制其热风机开始工作，持续给温室大棚升温，当温度高于20℃时，温度传感器会再次将检测到的信号传递给单片机，通过单片机控制，热风机停止工作。[21]、[22]

　5.2通风系统

通风系统主要用于在夏季中午等温度过高时，或者当温室大棚灌溉后湿度过高时，对温室大棚内进行适当的通风，以降低大棚内的温度或湿度，以达到温室大棚内适宜植物生长的最佳环境。[28]

其温度方面的控制程序与升温系统相同，当温度高于30℃时，温度传感器会将信号传递给单片机，单片机控制其通风机开始工作，当温度传感器检测到温度低于30℃后，会再次将信号传递给单片机，单片机会控制通风机停止工作。

　5.3灌溉系统

灌溉系统主要用于当温室大棚内农作物水分不足时，通过灌溉系统以滴灌的方式对温室大棚内的农作物进行灌溉，经过市场分析，最终选用HS1101电容式湿度传感器，湿敏电容一般由高分子薄膜电容制成，具有灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化。[23]、[24]虽然其精度较低于湿敏电阻，但电阻对温度的敏感限制了器件在较大温度范围内的应用，所以最终选择电容式湿度传感器HS1101。该型号湿度传感器具有以下优点：

工作范围宽；

测量精度高；

电路简单；

可靠性好，使用寿命长；

抗干扰能力强

工作温度范围宽（-40—80℃）

温湿度控制系统流程图如下：

图5.5温湿度检测控制示意图

　　5.4补光系统

西北地区冬季日照时间较短，受阴雨、雪等天气的影响，温室大棚内的农作物会长期处于弱光环境，影响植物的光合作用，继而影响植物的生长率，为了提高温室大棚内农作物的生长率，将对温室大棚内进行人工补光，所以选用LED补光灯。补光系统主要依赖于光敏传感器检测到的信号进行调控，由于白天阳光强度充足，一般阴天已经能够超过100 LUX，我们需要设定在夜晚或者阴雨天等弱光环境下给予棚内植物合适的光线进行光合作用。[25]、[26]

LED智能补光系统主要分为四个部分：检测、判断、控制和监视，系统采用模块化设计，由光强检测模块、单片机控制模块、LED补光模块、上位机模块等构成。选用的光敏传感器是ISL29020光数字传感器，它具有高精度、高灵敏度、低功耗等优点，，高集成度的设计降低了模拟调理电路的设计周期，可实现较宽的测量范围。

图5.6补光系统示意图

为了强调LED智能补光系统的重要性，我们进行了如下实验。

基于实验的严谨，我们以番茄为例，采取控制变量法，在同一个温室中选取了3块面积大小相等的区域，番茄植株数量、密度相等，定植2.5株/㎡，种植20㎡。共计50株，分别在未补光、白炽灯补光、智能LED补光三个条件下进行比较。

表5.1不同补光条件下番茄每株生产情况

从表中可知，智能LED补光系统效果明显，主要是在于光强不够的情况下延长了补光时间，延长了农作物的光合作用时间，可大大提高温室大棚内农作物生产率。

　5.5自动卷帘机

卷帘机主要用于晚上或者阴雨天气对于温室大棚的保温，因为其安全隐患较高，所以在安装自动卷帘机时应特别注意，认证阅读产品说明书，按要求做好一切准备工作。在安装时，必须由专业人员进行安装，各种材料的材质都必须满足强度要求和作业要求，在固定时所有螺栓都必须满足强度要求，电焊部分也到应符合相关质量要求，电源总控制应具有防潮、防触电等的保护功能。当操作卷帘机时，应严格按照操作规程和产品使用说明书，其操作人员也应进行专业培训后再上岗作业，每次作业前，都应先检查机械以及各个螺栓连接的紧固情况，确认没有相关问题，还需清理周围影响卷帘机工作的障碍物等其他影响卷帘机正常工作的因素，检查完成后，才可以接通电源使其开始正常工作，当卷帘机达到预定位置后，断开电源并且固定卷帘机的位置，防止其自由落下。因为卷帘机的安全隐患较高，所以其不选择使用自动控制，而是由专业人员进行手动控制保证其安全性。[27]、[29]

　6、经济性分析

　　6.1经济效益分析

表6.1电站损耗修正系数

光伏系统前期较大，初投资花费如下表所示：

表6.2系统初投资花费

因为光伏组件是贴在温室大棚顶部，所以不需要支架等其他费用。温室大棚年好电费用为1861.5元，则

年，即15年便可收回成本。因采用碲化镉薄膜太阳能电池，所以光伏发电系统寿命为25年左右，所以基本后10年为纯利润收入。

再者，温室大棚顶部用薄膜太阳能电池覆盖，可过滤掉太阳光中对植物有害的光线，在一定程度上也会提高植物的生产率。因此，采用光伏发电系统对温室大棚进行供电，其经济效益可观，投资合理。[30]

　6.2环境效益分析

当代社会，环境污染严重，不可再生能源也在逐渐减少，国家提倡发展新能源，以实现可持续发展战略。而光伏发电正好符合当代社会的新理念。利用太阳能进行发电，可大量节省不可再生能源的消耗，据统计，太阳能光伏电池每发一万度电就可替代3.4吨标准煤，也就避免了3.4吨标准煤的燃烧产生的有害气体，比如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、灰尘等的排放。每燃烧一吨标准煤就相当产生26.2公斤二氧化碳、8.5公斤二氧化硫、7.4公斤氮氧化物，所以燃烧标准煤对大气的污染特别严重。

由以上可知光伏发电系统年发电量为寿命为25年，则总发电量为即可节标准煤的燃烧，可少排放大量有害气体，具体如下表：

表6.3有害气体排放量

由上表数据可知，其有害气体排放量过大，因此，采用光伏发电系统会在很大程度上保护环境，避免有害气体排放。

　6.3社会效益分析

目前，随着不可再生能源的减少，国家提出可持续发展战略，提倡使用新能源。我国西北地区太阳能资源丰富，有效地利用太阳能可促进当地发展。农业作为国民经济基础，将光伏系统发电应用到农业上，可促进我国的发展，将光伏应用到温室大棚，可提高土地的利用率与价值，再者一个光伏温室大棚的产生会带动许多光伏温室大棚的建设，会大大提高人们对新能源的认识，并且响应国家号召，推动新能源在农村的发展，为社会带来许多效益。

结论

在此次设计中，将光伏发电系统与温室大棚相结合设计出的光伏智能温室大棚，代替了传统的温室大棚，并且减少了不可再生能源的消耗，响应绿色环保的号召，由于此次设计采取了自动化控制，对于温室大棚内的各种参数得到了实时监控，当各种参数不满足温室大棚内农作物的最佳生长参数时，也会迅速启动各个工作系统，得到及时解决，有效的提高温室大棚内农作物的生长率。其中，也遇到了些许问题，由于主修的是光伏方面的知识，所以对光伏发电系统方面没有存在太多的问题，只是在选择光伏组件、逆变器、蓄电池等方面有些小问题，但都得以老师、同学的帮助及时解决；在温室大棚智能化自动控制方面由于所学知识较少，存在些许问题，虽然学习过单片机、传感器等专业知识，但在编辑控制程序中，存在一些问题，但在老师、同学的帮助下以及自己的学习研究下也得到解决。

目前我所设计的光伏温室大棚，在智能化自动控制方面不太成熟，存在一定的漏洞，并且光伏发电系统方面，由于自身条件原因，只是在理论上满足温室大棚所需，并没有得到实验的数据以及实际建造温室大棚的数据，只是采取相关参考量，在实际的建造中，可能会存在些许的误差，但不会影响整体结果。

随着科技的发展，可持续发展将会越来越被重视，不可再生能源的消耗也会愈来愈减少，光伏发电系统将会得到重视，也将会应用到各个领域，而农业作为国民经济的基础，有效的将光伏发电系统与农业相结合，会大大提高社会效益，未来的几年中，光伏温室大棚的应用将会越来越广泛，智能化程度也会越来越高，发展前景较好。

　参考文献

[1]葛志军,傅理.国内外温室产业发展现状与研究进展[J].安徽农业科学,2008,36(35):15751-15753.

[2]张福墁.设施园艺工程与我国农业现代化[J].农村实用工程技术,2000(01):2-3

[3]李天来.我国日光温室产业发展现状与前景[J].沈阳农业大学学报,2005(02):131-138.

[4]冯广和.国内外现代温室的发展[J].新疆农机化,2004(03):50-51.

致谢

时间转瞬而逝，大学四年生涯也到此结束了，始于2016初秋，终于2020盛夏，回想起往日，种种画面不禁涌上心头，在这座学校中，有过彷徨、有过失落、但也有过坚定、有过喜悦。留给它的是我带不走的青春，带走的是这四年来的种种收获。虽有万般不舍，但仍心怀感激。

首先感谢我的指导老师，在撰写论文的过程中，从开始的选题、开题报告以及到最终的定稿、答辩，都离不开老师的专业指导，因为客观原因，此次论文不得不在家中完成，但这也不影响老师的帮助，只要自己发现问题，老师就会为我解答，告诫我认真对待每一个问题。他严谨的教学态度、精益求精的工作精神影响着我，对我现在以及以后都有非常大的帮助。在此再次向老师致以诚挚的谢意，感谢您！

其次我要感谢所有教过我的老师们，在大学四年中，给予过我许多帮助，教会我许多知识以及为人处事的道理，是他们陪伴我们走过大学四年，是他们在学习以及生活中给我们帮助。同时，我还要感谢我的同学们，能源1601是一个大家庭，在这个班级中，同学们都互帮互助，一起进步，谢谢你们，愿你们前程似锦！

最后，我要特别感谢我的家人们，在这漫长的求学生涯中，是你们一直在背后默默支持着我，无时无刻给予我力量，让我全身心的投入学习中去。在你们的支持下，我顺利的完成了学业，在今后的道路上，我会更加努力，不负你们所期，再次向你们致以深深的感谢！

最后，感谢各位老师对我的论文进行评审与答辩，谢谢您们！

光伏系统在智能温室大棚中的设计与应用

价格 ¥9.90 发布时间 2023年5月4日

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