基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鮑義東，陳 果，鐘國榮

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合，在棚外安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，棚頂安裝太陽能電池板代替部分PC板或鋼化玻璃，有效利用大棚的頂部空間，在棚內(nèi)種植高效的農(nóng)作物。基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚利用有限的資源和空間，提高單位土地的經(jīng)濟(jì)效益，既能運(yùn)用農(nóng)地直接降低發(fā)電成本，又不影響大棚內(nèi)農(nóng)作物的正常生長，是一種新型供電的溫室大棚[1-2]。此外，該供電系統(tǒng)開啟了低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的新模式，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，發(fā)展前景廣闊。

1 基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)

1.1.1 構(gòu)建ARW的開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用ARW的開發(fā)平臺(tái)對(duì)RN2300協(xié)調(diào)器內(nèi)核進(jìn)行裁剪編譯。軟件部分具體包括控制模塊、ACU10傳感器、光照模塊以及WT-R傳感器4個(gè)部分。這4部分皆由RN2300終端節(jié)點(diǎn)1控制[3]。設(shè)RN2300終端節(jié)點(diǎn)為N，將所得信息匯總到RN2300協(xié)調(diào)器，通過RN2300協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至ARW和上位機(jī)顯示供電信息，由ARW終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)算法求得溫室大棚供電收益的多目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而給出控制指令[4-5]。設(shè)溫室大棚供電強(qiáng)度的最大值為maxE(G)，計(jì)算公式為：

式中，W1Egrid為溫室大棚發(fā)電成本節(jié)約函數(shù)，W2Eloss為光伏售電收入函數(shù)，W3Ewind風(fēng)電售電收入函數(shù)，W4Esolae為溫室大棚網(wǎng)損降低函數(shù)，Ω為決策空間集合。將式（1）所得指令下發(fā)至下層設(shè)備，由LCD液晶實(shí)時(shí)顯示供電信息，利用太陽能資源產(chǎn)出綠色清潔能源，為加熱、降溫、調(diào)光、遮光以及灌溉系統(tǒng)提供能源。系統(tǒng)軟件框圖如圖1所示。

1.1.2 實(shí)現(xiàn)溫室大棚供電

在利用ARW開發(fā)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，由風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)的自動(dòng)化控制功能編寫PLC程序。編程完畢后，使用仿真器模擬溫室大棚的供電運(yùn)行。在不占用CPU的資源情況下，通過風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)并行控制溫室大棚的供電系統(tǒng)，從而保障溫室大棚供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。運(yùn)用風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)監(jiān)督和判斷溫室大棚供電系統(tǒng)的運(yùn)行，一旦發(fā)現(xiàn)溫室大棚供電系統(tǒng)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，立即采取相應(yīng)的措施。

圖1 系統(tǒng)軟件框圖

在完成PLC程序編寫的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)溫室大棚供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步模塊。由send computer str向需要發(fā)送信息的計(jì)算機(jī)發(fā)送操作信息。操作信息發(fā)送后，send computer str對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的相應(yīng)位清零。當(dāng)所有計(jì)算機(jī)發(fā)送完畢后，將需要發(fā)送的計(jì)算機(jī)信息存在send computer str中。最后，把send computer str寫入異步表發(fā)送計(jì)算機(jī)字段中，實(shí)現(xiàn)溫室大棚供電數(shù)據(jù)的同步發(fā)送。模塊采用風(fēng)光互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送和接收方式傳遞修改信息，為保證修改信息一次性傳輸?shù)恼_性且不丟失，需在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步程序時(shí)采用通信協(xié)議。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)UCBI接口電路，基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)由小型水平軸微風(fēng)啟動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、非晶硅薄膜太陽能電池組件、屋面安裝鋼架結(jié)構(gòu)并網(wǎng)逆變器、交流配電設(shè)備、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、雙向逆變充電一體機(jī)、蓄電池組、線纜以及電纜橋架等組成[6-7]。UCBI接口電路是嵌入式開發(fā)的重要調(diào)試接口，在調(diào)試和連接方面具有方便和快捷的特點(diǎn)，且可在線調(diào)試不占用土地資源。系統(tǒng)采用10k的接口調(diào)試電路，UCBI接口電路如圖2所示。

圖2 UCBI接口電路設(shè)計(jì)圖

UCBI接口電路可大量高效地供電，具有低功耗優(yōu)勢(shì)。溫室大棚采用這種供電設(shè)計(jì)省時(shí)、省力且易操作，可減少溫室大棚工作人員的工作量。本文設(shè)計(jì)中UCBI接口電路采集節(jié)點(diǎn)使用10個(gè)控制模塊，風(fēng)光驅(qū)動(dòng)太陽能和輔助適配器等供電設(shè)備對(duì)溫室大棚供電。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為確保基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)溫室大棚的供電強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。整體實(shí)驗(yàn)在同一環(huán)境下進(jìn)行，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，且使用MATLAB將數(shù)據(jù)可視化。實(shí)驗(yàn)使用IEEE-50節(jié)點(diǎn)，每10個(gè)節(jié)點(diǎn)為1個(gè)測(cè)試段來測(cè)試供電強(qiáng)度，將采集的數(shù)據(jù)利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行歸一化處理。仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置要素的具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置要素具體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先采用傳統(tǒng)溫室大棚供電系統(tǒng)對(duì)溫室大棚進(jìn)行供電，其次采用基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)實(shí)施同樣的操作步驟，最后設(shè)置傳統(tǒng)的溫室大棚供電系統(tǒng)作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中記錄MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)軟件測(cè)得的供電強(qiáng)度，判斷兩種供電系統(tǒng)對(duì)溫室大棚的供電能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)采集5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比兩種溫室大棚的供電強(qiáng)度，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫室大棚供電強(qiáng)度對(duì)比

通過表2可知，設(shè)計(jì)的基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)對(duì)溫室大棚的供電強(qiáng)度明顯高于對(duì)照組，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的高效率供電。

3 結(jié) 論

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染以及生態(tài)惡化等問題逐漸嚴(yán)重，能源供需矛盾日益突出。因此，基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)采用綠色供電模式，通過工業(yè)化運(yùn)作和集中式管理解決供電量不足的問題，切實(shí)保障溫室大棚供電的強(qiáng)度。基于風(fēng)光互補(bǔ)的溫室大棚供電系統(tǒng)將光伏與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展完美結(jié)合，在開發(fā)綠色清潔新能源和節(jié)能減排的同時(shí)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，為推廣風(fēng)能和光伏能源的利用開辟了全新途徑。該供電系統(tǒng)充分運(yùn)用能源產(chǎn)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)以及休閑旅游產(chǎn)業(yè)的集成優(yōu)勢(shì)，從根本上提高了溫室大棚的供電強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)利益的最大化。