風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)施溫室的設(shè)計(jì)及能耗分析

董佳瑞，董立國，汪 城，葛永琪，馬立新，吳云崗

（1寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所，銀川 750002；2常州大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院、能源學(xué)院，江蘇常州 213000；3寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院，銀川 750001；4寧夏特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，銀川 750002；5寧夏科大光伏農(nóng)業(yè)研究院有限公司，銀川 750002）

0 引言

太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電現(xiàn)已逐步成為中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，但由于太陽能和風(fēng)能資源本身存在著隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，且不同地區(qū)的資源環(huán)境特征不盡相同，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象明顯[1]。能源“十四五”規(guī)劃對(duì)此問題提出了建立多能互補(bǔ)能源體系的建議。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)能夠有效的利用太陽能和風(fēng)能資源在地理特點(diǎn)和資源分布上的互補(bǔ)性，合理的利用能夠有效提高風(fēng)光資源的利用效率[2]。林凌雪等[3]的研究表明，寧夏大部分地區(qū)風(fēng)光資源互補(bǔ)性良好，具備應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的條件。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是指通過人工技術(shù)手段，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自然光、溫條件，創(chuàng)造并優(yōu)化出農(nóng)作物生長的環(huán)境，使其可以全天候生長發(fā)育的農(nóng)業(yè)工程。寧夏地區(qū)的設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平較低，機(jī)械化率不高，農(nóng)作物質(zhì)量參差不齊，農(nóng)藥和肥料的不科學(xué)使用不僅造成了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)上的損失，還對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了很大程度的污染[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的全產(chǎn)業(yè)鏈和各環(huán)節(jié)相對(duì)于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)智造技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，其科技含量和科技投入較低[5]。隨著新能源技術(shù)和智能控制系統(tǒng)的完善，尤其是風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電網(wǎng)及新能源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電提供了條件[6]?；陲L(fēng)光互補(bǔ)供電的新型溫室大棚應(yīng)運(yùn)而生，在發(fā)電供電的同時(shí)，能夠穩(wěn)定的生產(chǎn)出高質(zhì)量的農(nóng)作物[7]。寧夏地區(qū)具有豐富的風(fēng)光資源，并且具備發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的優(yōu)良資源環(huán)境稟賦，在“雙碳”目標(biāo)下，傳統(tǒng)的溫室大棚需要引入新能源技術(shù)，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

以研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的可行性為出發(fā)點(diǎn)，選取寧夏風(fēng)光資源較為豐富的中部地區(qū)，設(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)型日光溫棚的基本結(jié)構(gòu)，分析了溫室用電量和系統(tǒng)發(fā)電量間的關(guān)系，科學(xué)的配置了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，擬為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域合理高效利用新能源提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鹽池縣位于寧夏中部，處于干旱區(qū)與半干旱區(qū)的過渡地帶，地勢(shì)南高北低，由東南至西北為廣闊的干草原和荒漠草原。該地區(qū)是典型的大陸性季風(fēng)氣候，光能豐富[8]，干旱少雨，日照充足，年平均氣溫7.8℃，冬夏兩季平均溫差28℃左右。全縣有可利用草原7.14×106hm2、耕地1.33×106hm2，是寧夏旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)和灘羊、甘草、小雜糧的主產(chǎn)區(qū)。地下有石油、煤炭、天然氣“三大資源”和白云巖、石灰石、石膏“三小資源”，地上有土地、光熱、風(fēng)能“三大資源”，已探明煤炭儲(chǔ)量81億t、石油4500萬t、天然氣8000億m3、石膏4.5億m3、白云巖3.2億m3、風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約300萬kW、年太陽總輻射5740 MJ/m2。

1.2 資料來源

數(shù)據(jù)來源于寧夏農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)與草地生態(tài)研究所鹽池氣象站，風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度每小時(shí)測(cè)量一次，測(cè)定時(shí)間為2021年1月1日—2021年12月31日。

1.3 研究方法

1.3.1 風(fēng)力發(fā)電量的計(jì)算 風(fēng)是由空氣流動(dòng)而產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，風(fēng)能實(shí)際是一種動(dòng)能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子可以將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。研究表明，通過轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的多少，主要取決于轉(zhuǎn)子葉片掃過的區(qū)域大小、空氣密度和進(jìn)氣速度[9]。因此，可以初步得出計(jì)算風(fēng)功率大小的公式，見式(1)。

其中，ν是實(shí)時(shí)風(fēng)速(m/s)，ρ是空氣密度(km/m3)，取1.29 kg/m3，S是風(fēng)正常通過的面積(m2)，取葉片直徑為1.2 m 的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，計(jì)算得通風(fēng)面積為1.1304 m2。但實(shí)際上由于機(jī)械損失，Pf只有一部分是有效的，可以通過引入風(fēng)功率系數(shù)推導(dǎo)出從風(fēng)中獲得的最大功率，見式(2)。

其中，Kf是風(fēng)功率系數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)功率系數(shù)為0.593，實(shí)際情況下略小，通常計(jì)算時(shí)取0.5。通過使用上式中給出的瞬時(shí)風(fēng)功率表達(dá)式，可以得到一天中的總發(fā)電量，見式(3)。

其中，Pf為1 h的發(fā)電功率。

1.3.2 光伏發(fā)電量的計(jì)算 太陽能主要來源于太陽中的核聚變產(chǎn)生的巨大能量，太陽能電池是利用光電效應(yīng)將光子能量直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的材料主要有單晶硅和多晶硅。

太陽能電池板實(shí)時(shí)發(fā)電功率模型[10]見式(4)。

式中η表示光電轉(zhuǎn)換效率，采用單晶硅太陽能電池板時(shí)可取17%；S為太陽能電池板的面積，取1.65 m2；I為太陽輻射強(qiáng)度；T0為當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度，由氣象資料查得寧夏平均氣溫為5.3～9.9℃，取平均值7.6℃作為環(huán)境溫度。通過使用(4)式中給出的實(shí)時(shí)功率表達(dá)式，可以得到一天中的總發(fā)電量，見式(5)。

其中，Pt為1 h的發(fā)電功率。

2 風(fēng)光互補(bǔ)溫棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 大棚主體結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)形式：輕鋼坡頂結(jié)構(gòu)?；緟?shù)：跨度：10 m，脊高：4 m。

2.1.1 性能指標(biāo) 風(fēng)載：0.6 kn/m2，雪載：0.35 kn/m2，植物吊載：15 kg/m2，最大排雨量：220 mm/h，電源參數(shù)：220 v/380 v，50 Hz。

2.1.2 排列方式 溫室東西長度：100 m，南北長度：10 m

2.1.3 溫室主體

（1）溫室基礎(chǔ)

溫室四周采用圈墻，20 cm 鋼筋混凝土澆筑。溫室走道80 cm的水泥地。溫室左右兩側(cè)各設(shè)一扇門。

（2）溫室骨架

溫室主體骨架為輕坡結(jié)構(gòu)，采用熱鍍鋅鋼管。骨架各部分之間連接均采用螺栓螺母連接。

（3）操作間

溫室一側(cè)建造東西長度80 cm的操作間。

（4）覆蓋材料

東西北墻采用480 mm的磚混結(jié)構(gòu)，陽光板8 mm，后坡頂采用100 mm PVC 復(fù)合保溫板，溫室上坡頂部分采用厚度8 mm PC 板，采用鋁合金材料固定，橡膠密封條密封。

2.2 補(bǔ)光系統(tǒng)

在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采用人工光源是植物正常生長發(fā)育、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障方式[11]。采用高壓鈉燈作為溫室補(bǔ)光燈，高壓鈉燈屬于高壓氣體放電燈，是北方溫室普遍使用的人工補(bǔ)光光源，光譜分布范圍窄，發(fā)光效率相比于其他人工光源較高，鈉燈主要產(chǎn)生黃橙色光。高壓鈉燈具有能耗低、安裝簡(jiǎn)便、功率因數(shù)高和防水等優(yōu)點(diǎn)。冬季由于日照時(shí)間縮短，太陽輻射強(qiáng)度減弱，通過在冬季早晨和下午開啟為植物補(bǔ)光，能夠合理延長農(nóng)作物光合作用的時(shí)間，維持農(nóng)作物正常生長，提高農(nóng)作物的光合作用，科學(xué)的促進(jìn)農(nóng)作物生長。溫室東西長為100 m，每隔10 m安裝一個(gè)高壓鈉燈，共安裝10個(gè)，每個(gè)的功率為0.15 kW。

2.3 濕簾降溫系統(tǒng)

濕簾降溫系統(tǒng)[12]的降溫原理是當(dāng)水流經(jīng)水簾時(shí)，在水簾表面上形成水膜，水膜和通過的空氣進(jìn)行熱交換，再利用水蒸發(fā)吸熱的降溫原理，使棚內(nèi)空氣溫度降低，同時(shí)提高棚內(nèi)空氣的相對(duì)濕度。通過控制加濕量和通風(fēng)時(shí)間，從而控制空氣的溫度和濕度。棚內(nèi)安裝2 臺(tái)濕簾水泵，每臺(tái)的額定功率為0.75 kW，由智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常在夏季高溫時(shí)開啟，為溫室降溫。

2.4 加溫系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在溫室外界最低溫度不低于-25℃的地區(qū)，由于日光溫室對(duì)太陽能的高效利用和良好的保溫措施，可以使溫室內(nèi)溫度保持在5℃以上。寧夏冬季氣溫較低，盡管暖棚保溫性能良好，但是為了更好的維持和調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度，在棚內(nèi)安裝2 臺(tái)電加熱暖風(fēng)機(jī)，每臺(tái)功率為15 kW。暖風(fēng)機(jī)能夠在冬季為暖棚快速升溫，通常在冬季夜晚或氣溫較低時(shí)開啟，可以根據(jù)當(dāng)?shù)囟緦?shí)際情況安裝，或改用如水暖供熱等其他加溫設(shè)備[13]。

2.5 灌溉系統(tǒng)

水肥一體化灌溉是將施肥與灌溉科學(xué)的融為一體的新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，借助壓力系統(tǒng)，將溶解的固體或液體肥料按土壤養(yǎng)分含量和農(nóng)作物施肥的規(guī)律及特點(diǎn)，調(diào)配好的肥料與灌溉水一起進(jìn)入管道系統(tǒng)，通過管道和滴頭形成滴灌，能夠科學(xué)的浸潤農(nóng)作物的根系生長區(qū)域，使主根系的土壤始終保持在適宜區(qū)間內(nèi)。農(nóng)業(yè)工作者還可以對(duì)農(nóng)作物在不同生長期的需水情況和需肥規(guī)律情況進(jìn)行不同生長期的需求設(shè)計(jì)，把水分、養(yǎng)分按比例，定時(shí)定量的提供給農(nóng)作物[14]。傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果決定了水肥一體機(jī)的工作情況。當(dāng)土壤水分低于農(nóng)作物需求值時(shí)，水肥一體機(jī)可以自動(dòng)開啟灌溉系統(tǒng)，當(dāng)土壤水分監(jiān)測(cè)值達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，水肥一體機(jī)能夠及時(shí)關(guān)閉灌溉設(shè)備，通過這種數(shù)字化的科學(xué)控制，可以使溫室內(nèi)農(nóng)作物的灌溉更加合理。棚內(nèi)安裝一臺(tái)水肥一體機(jī)和一臺(tái)灌溉加壓泵，功率分別為3 kW 和0.55 kW。

2.6 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)[15]是保證溫室內(nèi)空氣正常流通，調(diào)節(jié)溫室氣候的重要組成部分。通過開窗系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的空氣成分、溫度和濕度，使溫室環(huán)境維持在農(nóng)作物良好生長區(qū)間范圍內(nèi)。棚內(nèi)安裝由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)開窗系統(tǒng)，配備2臺(tái)開窗電機(jī)，每臺(tái)的額定功率為0.55 kW。棚內(nèi)安裝內(nèi)循環(huán)軸流風(fēng)機(jī)4臺(tái)，每臺(tái)的功率為0.75 kW。

2.7 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

溫室環(huán)境及其參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)作物生長至關(guān)重要，利用溫棚的溫濕度表能夠?qū)崟r(shí)了解溫室內(nèi)的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，通過視頻監(jiān)控設(shè)備和相關(guān)平臺(tái)，技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物的生長情況，進(jìn)而對(duì)溫室內(nèi)的各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，及時(shí)的控制與改善使農(nóng)作物具有良好的生產(chǎn)環(huán)境，全天候保證農(nóng)作物的健康生長。將智能監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在操作間，功率為0.2 kW。

2.8 遮陽系統(tǒng)

近年來，由于氣候變暖，北方各地夏季尤為炎熱，又因?yàn)槿展鉁厥冶匦Ч?，?dǎo)致溫室夏季溫度過高，農(nóng)作物有過熱和被強(qiáng)光灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。通常采用幕布遮陽系統(tǒng)改善溫室內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，幕布能將多余的陽光擋在室外，保護(hù)作物免遭強(qiáng)光灼傷，為農(nóng)作物創(chuàng)造適宜的生長條件。遮陽幕布可以控制室內(nèi)溫度使溫室保持適當(dāng)?shù)氖軣崆闆r，能夠使陽光從直射變?yōu)槁溥M(jìn)入溫室種植區(qū)域，保持最佳的農(nóng)作物生長環(huán)境。

自動(dòng)外遮陽系統(tǒng)主要由遮陽幕布、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、幕布固定桿、托幕線和轉(zhuǎn)向輪組成。

（1）外遮陽立柱：溫室前1 m處方鋼焊接。

（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：與保溫被的卷簾機(jī)使用同一機(jī)構(gòu)。

（3）幕線：選用黑色聚酯幕線，每棟寬20 條下幕線，20條上幕線。

（4）幕布：采用遮光率70%的黑色外用幕布。

系統(tǒng)需要安裝電機(jī)運(yùn)作，安裝2臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)功率為0.55 kW。

2.9 室內(nèi)電負(fù)荷計(jì)算

由表1 設(shè)備的用電規(guī)律可以看出，該暖棚用電負(fù)荷最大時(shí)在冬季，當(dāng)氣溫較低，光照不足時(shí)，需要開啟電加熱暖風(fēng)機(jī)和補(bǔ)光燈。通過表1可以計(jì)算得到溫室年用電量如圖1所示。圖1反映了日光溫室的年用電量的多少，從圖中可以看出，溫室在春、夏、秋三季的用電量不高，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)規(guī)格的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，冬季由于電加熱風(fēng)機(jī)大功率電器的加入，導(dǎo)致用電量過高，不應(yīng)該以冬季用電量為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，應(yīng)該在冬季使用外部電源和發(fā)電系統(tǒng)一起供電。

圖1 溫室月用電量

表1 溫室內(nèi)用電設(shè)備功率及其運(yùn)行時(shí)間

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)發(fā)電量估算

以2021年鹽池縣氣候條件為例，使用數(shù)據(jù)為逐小時(shí)數(shù)據(jù)，月平均風(fēng)速和月平均太陽輻射量見圖2。

圖2 2021年月平均風(fēng)速和太陽輻射量

由逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)可以用公式計(jì)算得每月風(fēng)力發(fā)電量和光伏發(fā)電量見圖3。

由2021 年單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量和單個(gè)太陽能電池板發(fā)電量可知，鹽池縣風(fēng)光資源滿足風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)基本要求，全年風(fēng)速在2 m/s 以上，太陽輻射量充足。而且在冬季日照時(shí)間縮短，太陽輻射量不足時(shí)，風(fēng)力發(fā)電能及時(shí)補(bǔ)充，體現(xiàn)了風(fēng)能和光能的互補(bǔ)性。計(jì)算得出，全年單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量為145480.15 W·h，約145.48 kW·h；單個(gè)太陽能電池板發(fā)電量為467549.75 W·h，約467.55 kW·h。與暖棚的年用電量對(duì)比可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在正常工作狀況下能夠滿足除冬季外暖棚的日常用電需求，冬季需要外接電源供電。由以上圖表數(shù)據(jù)計(jì)算得出，暖棚的年用電量為25460.98 kW·h，除去冬季電暖風(fēng)機(jī)耗電量，暖棚年用電量約為7060 kW·h，通過以上數(shù)據(jù)可以設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模，選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板的類型和使用數(shù)量。

3.2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、單晶硅太陽能電池板、并網(wǎng)逆變器、交（直）流配電設(shè)備、雙向逆變充電一體機(jī)、蓄電池組等組成。采用基于MPPT 的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制器，使整個(gè)系統(tǒng)在安全便捷的前提下，能夠極大程度的減少系統(tǒng)的功率波動(dòng)，保證系統(tǒng)高效準(zhǔn)確的運(yùn)行[16]。

3.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)布置間距一般為5 倍風(fēng)輪直徑，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑為1.2 m，所以布置間距為6 m左右。暖棚長為100 m，靠后墻布置小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最多可以安裝16臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，考慮到設(shè)備本身占地和線路布置等情況，在暖棚后每隔10 m 安裝一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一共10 臺(tái)。選取額定功率為300 W 的MAX 永磁同步小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)廣泛適用于極端溫度、高濕度、大風(fēng)砂等多種環(huán)境，可靠性極高。MAX小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有安裝簡(jiǎn)便、效率高、免維護(hù)、壽命長、抗大風(fēng)、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。該類型風(fēng)機(jī)能夠隨風(fēng)向改變?nèi)~片朝向，使葉片對(duì)準(zhǔn)迎風(fēng)方向，保證了在低風(fēng)速下的功率輸出。該機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速為1.5 m/s，額定風(fēng)速為12 m/s。

3.2.2 太陽能電池組的設(shè)計(jì) 在棚頂單排布置太陽能電池板，每塊太陽能電池板長度約為1.5 m，棚頂長度為100 m，最大可以安裝65 塊太陽能電池板。考慮到實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)在棚頂安裝30塊太陽能電池板。選取150 W單晶硅太陽能電池板。單晶硅太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為17%左右，在目前所有種類的太陽能電池中，單晶硅太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率較高，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣。在北半球太陽能板統(tǒng)一朝向正南方，太陽能板的傾斜角度為緯度5°～10°。

3.2.3 儲(chǔ)能設(shè)計(jì) 使用4 塊12 V/200 AH 免維護(hù)鉛酸蓄電池對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)出的電能進(jìn)行儲(chǔ)存。免維護(hù)膠體蓄電池是在免維護(hù)蓄電池的基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)蓄電池的電解液進(jìn)行了更科學(xué)的改進(jìn)。使其在循環(huán)使用下仍有高性能的電流輸出，不僅功率密度高、充電效率高，而且耐過充，充電重復(fù)性和穩(wěn)定性好。作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池，具有壽命期間免維護(hù)，工作溫度區(qū)間寬，每瓦時(shí)價(jià)格低，自放電率低等優(yōu)良性能。

3.3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)年發(fā)電量

由上文設(shè)計(jì)可知風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)年發(fā)電量計(jì)算見式(6)。

該風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)正常工作時(shí)，每年發(fā)電量為15481.3 kW·h，能夠滿足暖棚除冬季外的日常供電，當(dāng)采用并網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，多余出的電量還能為農(nóng)民提供額外收入。

4 討論

該研究選取2021 年寧夏鹽池縣風(fēng)光資源數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算方法使用了周穎[17]在分析風(fēng)光互補(bǔ)特性時(shí)所采用的實(shí)時(shí)發(fā)電量模型預(yù)測(cè)，通過對(duì)鹽池縣氣象條件的分析，得到了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單個(gè)太陽能電池板在2021 年的全年發(fā)電量，分別為145.48 kW·h和467.55 kW·h。在設(shè)計(jì)日光溫室結(jié)構(gòu)時(shí)參考了張娟等[18]對(duì)于北方寒冷地區(qū)節(jié)能保暖溫棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了風(fēng)光互補(bǔ)型日光溫室在寧夏冬季的保溫性能，溫室長100 m，寬10 m，占地面積1000 m2，種植面積約為913 m2，符合國家設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)溫室內(nèi)各個(gè)用電設(shè)備的功率及用電時(shí)間進(jìn)行預(yù)估后，初步計(jì)算得出溫室年用電量為25460.98 kW·h，與章慶[19]計(jì)算的天津市日光溫棚年用電量相似。在除去冬季電暖風(fēng)機(jī)的超高耗電量后，得到溫室年用電量約為7060 kW·h，根據(jù)溫室年用電量和單臺(tái)發(fā)電設(shè)備的年發(fā)電量對(duì)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)10臺(tái)，太陽能電池板30塊以及4塊鉛酸蓄電池作為風(fēng)光互補(bǔ)型溫室的發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算得到系統(tǒng)年發(fā)電量為15481.3 kW·h。鹽池縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電電費(fèi)約為0.47元/(kW·h)，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的日光溫棚每年能夠?yàn)檗r(nóng)戶節(jié)約三千多元的電費(fèi)，如果安裝了并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，能夠上網(wǎng)售賣多余的電量，實(shí)現(xiàn)盈利。將發(fā)電量和用電量對(duì)比后可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠在滿足溫室日常用電的同時(shí)向電網(wǎng)供電，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)光資源高效利用和將該系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電必然成為新能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，本研究就風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，研究得出了以下結(jié)論。

（1）寧夏中部地區(qū)風(fēng)光資源豐富，風(fēng)光互補(bǔ)性良好，適合應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

（2）日光溫室年用電量為25460.98 kW·h，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠在除冬季外的其他季節(jié)滿足溫室日常用電需求，在冬季開啟電暖風(fēng)機(jī)會(huì)增加溫室用電負(fù)荷，應(yīng)該采用外接電源的供電方式或者加強(qiáng)溫室冬季保溫，使溫室溫度滿足農(nóng)作物正常生長。

（3）本研究所設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，2021 年單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電量為145.48 kW·h，單個(gè)太陽能電池板年發(fā)電量為467.55 kW·h，太陽能發(fā)電量高于風(fēng)力發(fā)電量，設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)以太陽能為主導(dǎo)，風(fēng)力發(fā)電作為輔助。