電能與太陽能互補的溫室大棚智能供暖系統設計

萬 婭，張立輝

(吉林建筑大學，吉林 長春 130118)

0 引言

近年來，我國東北地區越冬農作物和反季節蔬菜的生產幾乎全部依靠溫室大棚，而冬季溫室大棚的供暖對電、煤等資源需求較多。隨著自動化技術領域發展迅猛以及國家倡導藍天保衛戰和近期“煤改電”取暖的政策要求，溫室大棚對節能經濟、清潔智慧供暖方式的需求大大增加。因而，電能與太陽能互補的溫室大棚智能供暖系統設計應運而生。

1 電能與太陽能結合的優勢

我國北方冬季溫室大棚傳統供暖方式多為集中供暖，雖然電供暖有著靈活、方便等傳統供暖無法替代的優勢，但是電供暖因其能耗大、成本高等缺點，阻礙了電供暖的發展和普及；同時豐富的清潔能源太陽能供暖[1-2]因天氣等各種因素導致太陽能光伏發電不足，無法保證正常供暖。而太陽能光伏發電供暖與傳統電供暖相結合，具有無污染、低成本以及可再生等優勢，極大地提高了溫室大棚供暖的可靠性、經濟性和便利性，是一種相當可觀的節能措施。因此，電能與太陽能的結合成為溫室大棚中智能供暖的發展趨勢。

2 溫室大棚并網光伏發電系統設計

溫室大棚并網光伏發電系統由光伏電池組件、控制器、并網逆變器和負載組成[3]。考慮到本系統發電量不大、經濟成本等方面的原因[4]，經綜合分析，在設置上采用不含蓄電池組，無儲能系統(也就是說即發即用，就地使用)，并網而不上網。因該系統可以并行使用市電和太陽能光伏發電作為溫室大棚供暖負荷的供電電源，負載缺電率大大降低。

2.1 供暖系統的總體方案

2.1.1 供暖系統的結構方案

電能與太陽能溫室大棚供暖系統示意圖如圖1所示[5]。該系統供暖供電電源是由太陽能電池板產出的電能和市電相結合的混合能源。因二極管具有單向導電性[6]，市電經整流輸出直流電，與太陽能電池板產生的直流電在2個二極管輸出端匯合后，競爭輸入逆變器直流母線。電壓誰高誰準入，經逆變后再通過配電箱為空氣壓縮機和泵供電[7]。空氣壓縮機使吸熱介質冷媒循環流動，冷媒在蒸發器時吸收空氣中的低品位熱能，而在冷凝器時釋放熱能將水加熱。熱水存在蓄熱水箱并通過供水泵強制循環到供暖熱水管道。

圖1 溫室大棚供暖系統示意圖

系統將太陽能電池板發電能力最弱時經直流升壓得到的電壓作為基準值，且市電通過變壓器、整流濾波電路后輸出的直流電與基準值相等。當太陽能電池發出的直流電經升壓輸出的電壓高于基準值時，就優先通過逆變器變換為交流電給系統負荷供電；反之，光伏電池停止輸出，由市電經整流逆變后為負荷提供電源。

因為冬季的時候溫室大棚失熱量較大，所以為了大棚里的空氣與土壤的溫度均能滿足作物生長的最佳條件，其供暖采用并聯按需加熱方式。供暖系統包括混合電源部分、供熱鍋爐房、冷熱水管道和N棟溫室大棚等。溫室大棚內部主要由各種儀表、控制閥、散熱裝置等設備構成。空氣供暖是風扇將超導暖氣片中熱水的熱氣吹到棚內空氣中，從而使棚內空氣受熱均勻，避免局部空間過熱或過冷的問題。較空氣的供暖方式，土壤加熱有所不同，其取暖來源于安裝在地底的散熱細管中熱水傳遞出來的熱量[8]。由此可見，2種供暖方式的結合大大提高了溫室大棚的供暖可靠性。

當管道中的水溫降低到設定值時，要打開管道上進水和出水的控制閥，使供熱鍋爐房的熱水流到管道，并能排出管道中的冷水，從而讓冷水回流到供熱鍋爐房繼續加熱循環利用。

2.1.2 智能供暖系統的控制方案

傳統溫室供暖存在許多缺陷與不足，為了改善和提高溫室供暖技術，將先進技術利用到現代農業領域。針對以上系統所需，該系統的整體方案設計[9]主要由4大部分組成，分別是電能與太陽能供電系統設計、供暖控制系統的主控制系統、供暖控制子控制系統、遠程控制平臺設計。

針對溫室所需求的供暖面積，本設計將溫室分為N個溫室大棚，分別設定通信標號為1#溫室大棚、2#溫室大棚等N#溫室大棚，毎個溫室大棚相當于一個子控制系統，都有溫、濕度環境信息采集和供暖控制系統，并且每個供暖溫室大棚都可通過ZigBee通信協議建立的無線局域網絡與主控系統互相通信，主控系統微處理器通過串口與GPRS模塊實行通信，然后GPRS模塊以Internet網絡與電腦或者手機通信。溫室大棚供暖自動控制整體設計方案如圖2所示。

圖2 溫室供暖控制系統方案

2.2 智能供暖控制系統的設計

2.2.1 硬件設計

系統硬件部分主要由市電與太陽能混合能源供電[10]電路及電源穩壓電路、主控制系統模塊接口電路和子控制系統模塊接口電路及外圍傳感設備接口電路組成。主控系統主要有GPRS模塊、單片機模塊、水泵及繼電器，并且其消耗的功率較大。該設計將N個溫室大棚作為子控制系統，主要有單片機模塊以及溫、濕度傳感器和脈沖電磁閥控制設備。溫室大棚供暖系統硬件結構框圖如圖3所示，各部分控制硬件電路及實現的功能具體介紹如下。

1)電源電路功能。采取市電與太陽能相結合的供電方式，其核心硬件電路是光伏電池板MPPT(最大功率點跟蹤)調節的電路。MPPT的控制電路主要包括光伏電池、電流傳感器、變壓器、單片機以及控制器。通過單片機釆取一定的控制算法憑借自動控制使光伏電池輸出最大功率，而不被環境因素(溫度和光照強度)的變化所影響。

2)主控制電路板功能。通過ZigBee無線通信技術，接收從電路板采集的實時溫、濕度數據，對數據分析作出判斷，輸出執行命令，將壓縮和組包的所有溫、濕度值，通過主控系統的GPRS模塊通過Internet連接服務器，上傳采集數據結果。

(3)子控制電路板功能。通過溫、濕度傳感器采集到的實時數據，對數據值進行超限比較，執行相應的指令，控制脈沖電磁閥開關，同時還將溫、濕度值處理組包，通過ZigBee路由節點無線通信上傳給主控系統模塊。

2.2.2 軟件設計

此系統軟件部分的設計過程如圖4所示。當系統上電，先是各個泵、閥的初始化，設定溫度值的讀取，然后采樣子程序、顯示子程序的調用，判斷是否需要供熱，最后子程序中斷，設定值子程序的保存，如此循環。而供熱與否是通過環境溫度傳感器采集的棚內溫度和設定的供熱溫度比較判斷的(棚內環境溫度大于設定值)[11]，若需要供熱，判斷是否控制壓縮機的啟停；反之，判斷是否儲熱。最終通過對系統泵、閥、儀表等設備的控制從而實現溫室大棚的智能供暖。同時，系統控制單元存儲的運行數據可以利用上位機通過USB接口導入數據庫[12]，方便統計分析與日后維護。

圖4 智能供暖主程序流程圖

3 結語

為了降低溫室大棚供暖能源成本并實行清潔智慧供熱，滿足棚內作物在最佳的空氣溫度和土壤溫度中生長，提出了供暖系統的結構和控制方案以及市電與光伏發電混合能源供電系統，并在此基礎上以單片機為核心，通過軟硬件設計了智能供暖系統。該系統的建設不僅可以解決傳統溫室大棚供暖面臨的種種問題和不足，還促進了溫室大棚供暖走向生態環保、低碳節能、智能精準的發展道路，帶來了良好的經濟效益和社會效益。因此，溫室大棚電能與太陽能智能供暖控制系統的設計具有實際的價值和意義。