溫室太陽能供暖系統(tǒng)在我國哈爾濱地區(qū)的可行性研究

山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系 ■ 李志浩

0 引言

溫室栽培是一種利用適宜的微氣候條件，在不適合植物生長的季節(jié)仍能提供新鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式[1]。這種方式中，溫室的供暖冷卻系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，其直接關(guān)系到作物的產(chǎn)量及成本[2]。利用太陽能控制溫室溫度，并利用其為溫室設(shè)備供電是一項(xiàng)可靠的技術(shù)。例如，季節(jié)性太陽能土壤蓄熱可部分解決夏季和冬季之間的熱量供需失衡問題[3]。裝有季節(jié)性儲熱系統(tǒng)的溫室示范項(xiàng)目在我國上海運(yùn)行，該項(xiàng)目中500 m2的太陽能集熱器通過U型管換熱器對4970 m3的土壤加熱，可使夜間在室外環(huán)境溫度只有-2 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度保持在13 ℃左右[4]。突尼斯能源研究中心建立了裝有太陽能空氣集熱器的溫室，夜間室外溫度只有8 ℃時(shí)，室內(nèi)的溫度可達(dá)15℃[5]。突尼斯能源研究中心的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在1000 m3的溫室內(nèi)鋪設(shè)細(xì)管換熱器利用太陽能供暖的成本以取暖費(fèi)用為例，在12月可降低25%，而在4月能降低51.8%[6]。Hassanien等[7]采用真空管太陽能集熱器輔助電熱泵的方式對我國昆明某溫室進(jìn)行供熱，此方式可使室內(nèi)溫度全年保持在14 ℃左右，4.1年就可收回系統(tǒng)成本。

此外，可在溫室屋頂上安裝光伏組件，組件所產(chǎn)生的電力可滿足溫室的通風(fēng)、照明、灌溉等需求[8-10]。我國黑龍江地區(qū)的冬季是從當(dāng)年的11月到次年的3月，持續(xù)時(shí)間長且較為寒冷。現(xiàn)有的溫室往往采用室內(nèi)鍋爐為其供暖，但越來越多太陽能供暖技術(shù)的出現(xiàn)，為高寒地區(qū)的溫室供暖提供了參考。一項(xiàng)關(guān)于大慶太陽能陽光蔬菜大棚房采暖供熱示范項(xiàng)目的研究顯示，末端采用暖氣片供熱的集熱系統(tǒng)在冬季有較高的集熱效率[11]。然而，在利用太陽能集熱的同時(shí)，將其與光伏發(fā)電相結(jié)合的程度還有待提高。

本文采用太陽能集熱與光伏發(fā)電相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一套溫室太陽能供暖系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)將收集的太陽能熱量儲存在地下蓄熱池中，末端采用熱風(fēng)機(jī)將水箱內(nèi)的熱量以強(qiáng)制對流的方式擴(kuò)散到溫室內(nèi)，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需的電量由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，增強(qiáng)了光伏發(fā)電技術(shù)與農(nóng)業(yè)大棚的有效結(jié)合。利用PVsyst軟件進(jìn)行發(fā)電量預(yù)測，結(jié)果顯示，在哈爾濱地區(qū)，冬季光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較高，確保了溫室太陽能供暖系統(tǒng)在冬季的有效運(yùn)行。

1 溫室太陽能供暖系統(tǒng)的工作原理

圖1為溫室太陽能供暖系統(tǒng)的工作原理圖。

圖1 溫室太陽能供暖系統(tǒng)工作原理圖

1)太陽能集熱系統(tǒng)的工作原理為：平板太陽能集熱器吸收太陽輻射，通過集熱循環(huán)泵將集熱器的熱量存儲在地下蓄熱池內(nèi)，由熱風(fēng)機(jī)散熱裝置將水箱內(nèi)的熱量以對流方式擴(kuò)散到溫室內(nèi)，使溫室度保持在植物生長所需的溫度附近。該系統(tǒng)主要包括平板太陽能集熱器、控制柜、地下蓄熱池、集熱循環(huán)泵、熱感循環(huán)泵及緩沖水箱等。

根據(jù)平板太陽能集熱器的性能及工程經(jīng)驗(yàn)，其集熱效率可達(dá)到45%。以熱風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制散熱代替普通采暖器的自然散熱，從根本上解決了單純利用水暖而造成的系統(tǒng)升溫慢的弊病，并且室內(nèi)的溫度升降都較為均勻。當(dāng)夜晚遇到極端天氣，緩沖水箱散熱溫度達(dá)不到要求時(shí)，可通過焚燒秸稈或燃煤輔助緩沖水箱的方式保持室溫。

2)光伏發(fā)電系統(tǒng)。以面積為600 m2的溫室為例，在溫室內(nèi)安裝總功率為9.5 kWp的光伏組件，安裝總功率為3 kW的16臺功率190 W的電機(jī)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載。光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏組件匯流箱、逆變器雙向電表及光伏專用線纜等，光伏組件不僅可滿足使用需求，將白天所發(fā)電力的一部分供給熱風(fēng)機(jī)及水泵，使其能正常工作，多余的電量還可并入電網(wǎng)。當(dāng)光照不足時(shí)可由電網(wǎng)供電。

2 熱負(fù)荷分析

2.1 溫室物理模型的建立

項(xiàng)目地點(diǎn)為哈爾濱(125°42′ E ～130°10′ E，44°04′ N ～46°40′ N)，溫室類型為節(jié)能型日光溫室。溫室結(jié)構(gòu)包括溫室后墻、東西山墻、溫室內(nèi)表面、與水平面呈45°的后屋面及溫室采光面。其中，溫室采光面包括上弦、下弦、腹桿、水平拉結(jié)鋼筋拱架、前屋面覆蓋的PE無滴膜，以及由電動(dòng)卷被機(jī)控制展開或收攏的保溫被[12]。日光溫室剖面圖如圖2所示。

圖2 日光溫室剖面圖

2.2 溫室的熱負(fù)荷分析

溫室熱負(fù)荷Q的計(jì)算式為[7]：

式中，Qrc為由輻射、傳導(dǎo)、對流引起的熱損失；Qi為由冷風(fēng)滲透引起的熱損失[12]。

Qrc可表示為：

式中，∑A0為溫室的總面積，m2；K為覆蓋材料的綜合傳熱系數(shù)[13-14]，W/(m2·℃)；Ti為室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度，℃，本文取15 ℃，該值滿足大多數(shù)植物可正常生長的最低溫度；To為室外溫度，℃，本文取-20 ℃。

覆蓋材料的綜合傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 覆蓋材料的綜合傳熱系數(shù)

Qi可表示為：

式中，ρi為室內(nèi)空氣的密度，kg/m3，本文取1.415 kg/m3；Cpai為室內(nèi)空氣的比熱容，J/(kg·℃)，本文取 1.0 J/(kg·℃)；N為溫室換氣次數(shù)，次/h；V為溫室的體積，m3。

由式(1)～ 式(3)可計(jì)算得到溫室的熱負(fù)荷Q為45.3 kW。

集熱器提供的能量Qt可表示為：

式中，m為地下蓄熱池容量，t；Cpw為水的比熱容，J/(kg·℃)，本文取4.2×103J/(kg·℃)。

由于熱負(fù)荷Q與集熱器提供的能量Qt平衡，考慮到熱損失，取集熱器效率為45%，即Q=45%Qt。因此，由式(4)可以計(jì)算出地下蓄熱池的設(shè)計(jì)容量為12 t。

集熱器效率η的表達(dá)式為：

式中，I為集熱器表面接收到的斜面輻射量，MJ/(m2·d)，哈爾濱地區(qū)1月取12.3 MJ/(m2·d)；Ac為集熱器面積，m2；Tco、Tci分別為集熱器出口熱水及進(jìn)入集熱器時(shí)冷水的溫度。

當(dāng)集熱器效率取45%時(shí)，可計(jì)算出集熱器的面積為221 m2，因此，需要單位面積為8.33 m2的集熱器約27臺。

3 基于PVsyst仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測

采用多種形式將光伏組件與溫室相結(jié)合，可增加溫室的電力供應(yīng)，達(dá)到農(nóng)光互補(bǔ)的目的[15]。利用PVsyst進(jìn)行陰影分析，使光伏組件的排布合理化，減少對作物的陰影遮擋[16]。項(xiàng)目既可選擇普通的光伏組件，也可選擇半透明的薄膜組件，提高溫室的熱穩(wěn)定性[17-18]；日光溫室通常在后排支架安裝光伏組件。本案例中計(jì)劃在溫室后排安裝總功率為9.5 kWp的多晶硅光伏組件，一方面可將組件所發(fā)電量用于溫室設(shè)備；另一方面可將多余電量并入電網(wǎng)，以售電的方式為溫室營收。

3.1 基于PVsyst仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

1)建立哈爾濱地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置地面反射率的值，其中，11月 ～ 次年2月為0.82，3 ～10月為0.2。

2)以全年發(fā)電量最優(yōu)為條件設(shè)置組件最佳傾角為40°，方位角為0°。

3)選用36塊標(biāo)稱功率為265 W、工作電壓為26 V的多晶硅光伏組件組成光伏陣列，陣列的串聯(lián)數(shù)為12，并聯(lián)數(shù)為3。選用3臺功率為3 kW、輸入電壓范圍為120～600 V的逆變器，可以滿足陣列的輸入需求。

4)損耗設(shè)計(jì)：光伏陣列勾選“自由通風(fēng)”；選用截面積為2.5 mm2的線纜15 m，損耗為37.6 mΩ；組件功率損失為2%，污染損失為3%。

5)按月份設(shè)計(jì)用戶用電需求：10月～次年3月用戶用電時(shí)間按每天6 h計(jì)，用電量為18 kWh/d；4 ～9月電量僅并入電網(wǎng)。

3.2 發(fā)電量分析

YF是指每天監(jiān)測到的光伏組件總功率所發(fā)電量折算成每kW的發(fā)電量，其可表示為[19]：

式中，EAC為交流側(cè)輸出的電量，kWh；PPV為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏組件的總功率，kW。

YR是指理想條件下，每天每kW光伏發(fā)電系統(tǒng)接收到的太陽能輻射資源全部轉(zhuǎn)換成的電量，其可表示為[20]：

式中，Ht為總的水平輻射量，kW/m2；G0為參考輻射量，kW/m2，本文取1 kW/m2；t為輻射時(shí)間，h。

能效比PR用于表示在直流電向交流電轉(zhuǎn)換過程中的損失對于光伏組件功率輸出的影響，其可表示為[21]：

LC是在光電轉(zhuǎn)換過程中由于對流傳熱及對周圍環(huán)境的輻射所引起的輻射能轉(zhuǎn)換為電能時(shí)造成的損失，其可表示為：

式中，YA為組件標(biāo)稱功率下每天每kW的輸出電量。

LS是光伏發(fā)電系統(tǒng)每天發(fā)生在線路、逆變器等每kW的電量損失，其可表示為：

圖3為組件傾角為40°時(shí)，YF、LC與LS的模擬結(jié)果。由圖3可知，YF、LC與LS的均值分別為3.81、0.42和0.18 kWh/(kW·d)。若以冬季發(fā)電量最優(yōu)，設(shè)計(jì)傾角為60°時(shí)，這3個(gè)值分別為3.69、0.39、0.17 kWh/(kW·d)。顯而易見，為了滿足全年的發(fā)電量最大，選用40°的傾角是合理的。冬季太陽輻射量較少，YF相對較小，但在寒冷的冬季LC的損耗最小；而夏季LC的占比很大，約為15%，導(dǎo)致夏季的YF受到很大影響。不論傾角設(shè)計(jì)為40°還是60°，全年最佳YF值均在3月。利用PVsyst軟件也可以設(shè)計(jì)出太陽能集熱器的最佳傾角。若最優(yōu)化條件為冬季接收的太陽輻射量最大，則太陽能集熱器的最佳傾角設(shè)定為60°，此時(shí)可滿足太陽能集熱器在冬季收集最多太陽輻射的需求。

圖3 每月的平均日產(chǎn)能及能量損失

能效比的月值的模擬結(jié)果如圖4所示。由圖可知，全年P(guān)R的平均值為0.864。季節(jié)性的天氣變化是造成PR冬夏差異的主要原因，PR值較高是由于冬季收集電流過程中LC的損失大幅降低，這也反映了光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

圖4 能效比的月值

因輻射、溫度、組件失配、線纜、逆變器等原因造成的年損耗占比為9.3%。可見，在哈爾濱地區(qū)安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體能量損耗較小，這與當(dāng)?shù)氐妮椛洹囟鹊葰庀髼l件有關(guān)。提供給用戶側(cè)的電量占比為7.9%，剩余的82.8%電量并入電網(wǎng)，共計(jì)12.0 MWh，具體如圖5所示。

圖5 基于PVsyst仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng)年損耗與發(fā)電量情況

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

溫室的成本主要包括：

1)供熱系統(tǒng)按照容量為12 t的地下蓄熱池的價(jià)格計(jì)算，約為18 萬元。

2)溫室建筑費(fèi)用按約450 元/m2的單價(jià)[22]計(jì)算，約為28 萬元。

3)光伏發(fā)電系統(tǒng)按光伏組件8.5元/W的單價(jià)計(jì)算，約為8萬元。

溫室及太陽能供暖系統(tǒng)的總造價(jià)約為54萬元。以5%的利率貸款6年計(jì)，成本為72.4萬元。以每年2%的運(yùn)維費(fèi)用計(jì)，每年的運(yùn)維費(fèi)用為1.1 萬元。

采用太陽能供暖系統(tǒng)后，溫室的收入主要包括：

1)果蔬種植以草莓為例，在6個(gè)月內(nèi)可產(chǎn)2季，每季產(chǎn)量以3000 kg、單價(jià) 20 元/kg計(jì)，則1年的收入共計(jì)12 萬元。

2)售電按照“售電+補(bǔ)貼”，以1.1元/kWh的價(jià)格計(jì)，第一年的售電收入為1.37萬元。按照每年發(fā)電量降低5%計(jì)，前6年累計(jì)發(fā)電量收入共計(jì)7.2萬元。

綜合系統(tǒng)成本及收入計(jì)算，用6年時(shí)間可收回成本。

4 結(jié)論

在我國東北地區(qū)建設(shè)溫室，供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。利用太陽能集熱系統(tǒng)可滿足溫室的熱量需求，光伏發(fā)電系統(tǒng)可提供所需的電量，如此一來增強(qiáng)了光伏發(fā)電技術(shù)與農(nóng)業(yè)大棚的有效結(jié)合。

以哈爾濱地區(qū)為例，若建設(shè)面積600 m2的日光溫室，計(jì)算得到熱負(fù)荷為45.3 kW，地下蓄熱池的容量為12 t，需集熱器的面積為221 m2。在溫室后排安裝1套9.5 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，負(fù)載功率為3 kW。10月～ 次年3月為溫室供電，余電上網(wǎng)；4～9月全部并網(wǎng)售電為溫室獲得額外收益。基于PVsyst的模擬結(jié)果，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最終發(fā)電量YF為3.81 kWh/(kW·d)，PR均值為0.864，說明了系統(tǒng)的有效運(yùn)行。全年并入電網(wǎng)的電量為12.0 MWh，占全部發(fā)電量的82.8%；用于負(fù)載的電量為1.15 MWh，占全部發(fā)電量的7.9%；其余因輻射、溫度等損耗的電量占9.3%。估算的溫室及太陽能供暖系統(tǒng)的總造價(jià)約為54萬元，成本回收周期為6年。利用PVsyst軟件模擬的發(fā)電量顯示，哈爾濱地區(qū)冬季的發(fā)電量較高，確保了該系統(tǒng)在冬季的有效運(yùn)行。