基于光伏發電技術的高效節能鰻魚養殖系統

福建師范大學福清分校電子與信息工程學院 黃志勇福建省東南保安守押有限公司 林 碩

基于光伏發電技術的高效節能鰻魚養殖系統

福建師范大學福清分校電子與信息工程學院 黃志勇
福建省東南保安守押有限公司 林 碩

本系統采用光伏發電技術為鰻魚養殖場提供清潔能源,根據養殖環境的需要選用合適的光伏組件，降低光伏系統的逆變轉換損耗，提高節能效果;系統通過傳感器采集環境參數，利用自動控制系統調整養殖環境，保證鰻魚生活在適合的養殖環境，實現對養殖畝產的提高。

鰻魚養殖；光伏發電；農業光伏；變頻逆變器；PLC技術

1.本系統的科學依據和意義

1.1 科學意義和應用前景

福建省福清市是享譽國內外的著名僑鄉，勇于拼搏的福清人最早了解到日本的烤鰻飲食文化，并引進技術進行淡水鰻魚的養殖和烤鰻深加工，逐漸形成了養殖、加工、出口為一體的完整產業鏈。國內淡水鰻魚養殖主要分為：露天止水式養殖、溫室止水式養殖、溫室流水式養殖、加溫循環過濾式養殖。其中應用較廣的主要為露天止水式養殖（廣東省的大部分養鰻場屬于這種類型），和溫室止水式養殖（福建省福清市大部分養鰻場屬于這種類型）。

本研究項目主要依據福清市鰻魚養殖行業所采用的溫室止水式養殖特點，利用光伏發電、光伏建筑一體化、農業光伏應用、變頻逆變器、智能化控制等技術手段，采用電子信息技術方法對養殖水體環境進行實時監測，并利用太陽能新能源降低鰻魚場養殖能耗成本，降低能源消耗及環境污染，服務地方經濟社會發展、轉變養殖行業經濟發展方式具有廣闊的應用前景。

1.2 系統研究特色和創新之處

福清當地的溫室止水式養殖，主要是用機井抽取深井水（深井水夏季水溫低于地表水，冬季水溫高于地表水），冬季以燒煤鍋爐加熱或者利用工廠余熱水進行溫水養殖。并通過搭建鋼結構溫室大棚和水泥養殖池，人工控制養殖環境使鰻魚處在最佳溫度、溶氧量、HP值環境中。其缺點是：養殖基礎設施落后、養殖密度高、管理水平差、養殖水體水質難以保證，要定期徹底換水、經常注水或換池清洗等，而依賴機井抽水需要消耗大量的傳統能源；水體加溫使用的燒煤鍋爐產生不少廢氣污染環境，養殖成本高。本課題從福清市地方特色農業--淡水鰻魚養殖行業作為切入點，通過對光伏系統逆變、變頻水泵、光伏建筑一體化、物聯網自動采集控制等方向的研究，提高鰻魚養殖場環境控制能力，提高成鰻成活率和畝產、降低單位畝產能源消耗，是具有鮮明地方特色的應用型研究。

2.本系統主要研究內容

系統通過實驗數據對比研究不同光伏組件（多/單晶硅、硅基/銅銦鎵硒薄膜）的光電轉化效率、弱光性能、透光性能、電氣性能，根據養殖環境的需要選用合適的光伏組件。研究與光伏太陽能組件所配套的三相交流變頻逆變器、控制器，使其同時具有最大功率點跟蹤（MPPT）和變頻驅動模式（VFD），提高響應速度解決傳統MPPT方法在日照強度快速變化時跟蹤效果差、運行不穩定甚至造成水錘危害的問題。通過系統研究，使養殖場設備具有防雷、過壓、欠壓、過流、過載等保護功能。同時智能控制系統配套水位、水質含氧量、水溫等采集傳感器，提高整體系統智能化水平和易用性。

2.1 系統框圖

本課題的研究充分借鑒國內知名高校學者對光伏太陽能、物聯網自動控制、建筑光伏一體化等領域的研究成果，走訪相關養殖企業進行詳細的需求分析，根據功能需求逐個單元、逐個層次分步驟進行設計實現、并通過實驗方案進行驗證，最終將各個單元整合到一起從而完成系統的研究，并將整個系統劃分為不同的結構單元和層次（如圖2-1所示）。

2.2 光伏發電模塊

（1）根據課題研究主要針對的鰻魚養殖行業，現有設施落后的特點，結合我們在電子信息、自動控制、結構設計上的科研優勢，初步設計了如圖2-2所示的節能溫室功能及結構樣式。

圖2 -1 光伏及控制系統圖

圖2 -2 養殖場溫室智能光伏節能系統設計圖

（2）根據鰻魚養殖場目前的養殖規模主要集中在15-30畝，項目組設計40KW/50KW/60KW三個功率模型（企業化生產化模式），并初步配置了系統材料清單如圖2-3所示：

圖2 -3 系統材料清單

2.3 智能控制模塊

自動控制系統選用臺達系列SS-11R系列PLC、DOP-B075系列7寸觸控彩屏、溫度模塊DBP-04PT、模數轉換模塊DBP-04AD、溫度傳感器PT100等組成結構如圖2-4所示。

圖2 -4 自動控制系統設計框圖

3.系統測試與總結

測試模型選用63瓦硅基薄膜雙玻組件，大棚使用文洛式玻璃溫室結構，尖頂南坡100%覆蓋率布置光伏組件，尖頂北坡覆蓋普通陽光板或鋼化玻璃，用于采光及開窗透氣。測試養殖場占地面積20畝，光伏裝機容量50Kw，具體組件擺布如下圖所示，為了考察本次設計的光伏節能養殖溫室的節能效果，我們分別對溫室的光伏發電量和溫室對養殖環境的保溫效果進行了實驗。

圖3 -1 光伏溫室組件擺布圖

3.1 發電量計算

項目當地正南30度平面，年均日照輻射量為1330kW/m2，方案系統效率按0.78進行計算。項目發電量如下表所示：

年發電量（度）＝總功率（千瓦）×輻射量（查表）×系統效率（固定為0.78）

圖3 -2 福建省各地市太陽能輻射量（美國航天局nasa值查詢）

發電量計算系統直流總功率（kWp）年太陽總輻射量（kwh/m2）光伏系統發電效率年均發電量（kwh）25年總發電量（萬度）50.00 1330 0.78 51870 152.25

3.2 光伏養殖環境的保溫節能效果

由于光伏節能養殖溫室在結構上采用了文洛式玻璃溫室結構，在控制上采用了傳感器-PLC控制器-控制單元（風機、濕簾、遮陽、增氧等）組成的物聯網環境控制系統。夏季主要通過負壓風機和濕簾降溫系統控制養殖環境的溫度，冬季主要通過通風和遮陽系統控制養殖環境的溫度，可以有效將養殖環境控制在最適合鰻魚生長的狀態，降低溫室內環境對外部熱源特別是燒煤鍋爐的依賴，降低了養殖溫室能耗水平。

季節傳感器采集溫度變化控制變量1控制變量2控制變量3控制變了4控制結果夏季過高風機打開濕簾打開遮陽打開開窗關閉溫度降低夏季過低風機關閉濕簾關閉遮陽關閉開窗關閉溫度提高冬季過高風機關閉濕簾關閉遮陽打開開窗打開溫度降低冬季過低風機關閉濕簾關閉遮陽關閉開窗關閉溫度提高

圖3 -3 室內外空氣溫度測試結果（冬季11月）

圖3-4 室內外水體溫度 測試結果（冬季11月）

由于溫室止水式鰻魚養殖的養殖密度較大，對養殖環境特別是水體的溫度、溶氧量、氨氮濃度等要求很高，一般不采用地表水源，機井抽水后注入養殖池，通過光伏節能溫室的冬季保溫、夏季降溫效果，保持水體環境的相對恒定。室外建設的雜魚池，既可以對鰻魚養殖過程中無法完全利用的飼料進行二次利用，還可以作為養殖環境干預對比的樣本，通過長期的比較實驗建立和完善智能系統的數據模型。

黃志勇（1988－），男，福建泉州人，講師，碩士，工作單位：福建師范大學福清分校電子與信息工程學院，主要從事電子信息、計算機網絡等方向的教學與研究。

2016年福建省教育廳中青年教師教育科研項目（編號：JAT160565）。

林碩（1986－），男，福建福州人，助理工程師，大學學歷，工作單位：福建東南保安守押有限公司，主要從事自動化控制、信息化安全保衛等方向的研究。