风光互补设施温室的设计及能耗分析.pdf
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1、农学学报2023,13(9):74-80Journal ofAgriculture基金项目:宁夏重点研发项目“中药材香椿、前胡设施环境调控及绿色生产关键技术研究”(2020BEG03003);中央引导地方项目“宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室平台建设”(2021FRD05020);宁夏青年拔尖人才培养工程“国家级学术带头人后备人选”(RQ0025);宁夏自然基金“宁夏典型生态区域大气降尘通量时空变化规律及元素组成溯源解析”(2022AAC03417);宁夏回族自治区重点研发计划项目“基于深度学习的工程车发动机电子控制单元智能检测方法及装置”(2022BDE03007)。第一作者简介:董佳瑞,男
2、,2001年出生,本科,主要研究方向:新能源利用。通信地址:751100 宁夏回族自治区吴忠市青铜峡市忆江南小区12号楼一单元401,E-mail:。通信作者:董立国,男,1980年出生,副研究员,主要研究方向:生态恢复、水土保持和生态产业。Tel:0951-6886771,E-mail:;汪城,男,1984年出生,副教授,主要研究方向:新能源利用。E-mail:。收稿日期:2022-09-16,修回日期:2023-01-06。风光互补设施温室的设计及能耗分析董佳瑞1,2,董立国1,汪 城2,葛永琪3,马立新4,吴云岗5(1宁夏农林科学院林业与草地生态研究所,银川 750002;2常州大学石油
3、与天然气工程学院、能源学院,江苏常州213000;3宁夏大学信息工程学院,银川 750001;4宁夏特种设备检验检测院,银川 750002;5宁夏科大光伏农业研究院有限公司,银川 750002)摘 要:为了探讨风、光互补发电在设施农业领域的可行性,选择宁夏风光资源较为丰富的中部干旱带,在已有基础上研究设计了一种能够利用风、光互补发电系统供电的日光温棚,并计算分析了风力发电、光伏发电等相关指标。研究得出:宁夏中部地区风光互补性良好,适合应用风、光互补发电系统,合理配置下,该发电系统每年发电量约为15481.3 kWh,能够在春、夏、秋三季满足日常温棚常规用电需求,而且发电量有盈余,如果条件允许则
4、能够实现并网发电。在冬季由于夜间温度较低,温棚需要采用电暖风机加热,导致用电量骤增,需要外接电源或应用其他供暖方式。关键词:风光互补;日光温棚;新能源;宁夏中图分类号:TM615文献标志码:A论文编号:cjas2022-0133Design and Energy Consumption Analysis of Wind-Solar Complementary Facility GreenhouseDONG Jiarui1,2,DONG Liguo1,WANG Cheng2,GE Yongqi3,MA Lixin4,WU Yungang5(1Institute of Forestry and G
5、rassland Ecology,Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Yinchuan 750002,Ningxia,China;2School of Petroleum and Gas Engineering/School of Energy,Changzhou University,Changzhou 213000,Jiangsu,China;3School of Information Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750001,Ningxia,China;4Ningx
6、ia Special Equipment Inspection and Testing Institute,Yinchuan 750002,Ningxia,China;5Photovoltaic Agricultural Research Institute Co.,Ltd.of Ningxia University of Science and Technology,Yinchuan 750002,Ningxia,China)Abstract:In order to explore the feasibility of wind-solar hybrid power generation i
7、n the field of facilityagriculture,the central arid zone in Ningxia,which is rich in wind-solar resources,was selected as test area.Based on the existing foundation,a kind of solar greenhouse that can be powered by wind-solar hybrid powergeneration system is designed,and related indicators such as w
8、ind power generation and photovoltaic powergeneration were calculated and analyzed.The research shows that the wind and solar complementarity is goodin the central part of Ningxia,which is suitable for the application of wind and solar hybrid power generationsystem.Under reasonable configuration,the
9、 annual power generation capacity of this power generation systemis about 15481.3 kWh,which can meet the routine use of daily greenhouses in spring,summer and autumn.0 引言太阳能发电和风能发电现已逐步成为中国可持续发展战略的重要组成部分,但由于太阳能和风能资源本身存在着随机性、间歇性和波动性,且不同地区的资源环境特征不尽相同,导致弃风弃光现象明显1。能源“十四五”规划对此问题提出了建立多能互补能源体系的建议。风光互补供电系统能够
10、有效的利用太阳能和风能资源在地理特点和资源分布上的互补性,合理的利用能够有效提高风光资源的利用效率2。林凌雪等3的研究表明,宁夏大部分地区风光资源互补性良好,具备应用风光互补发电系统的条件。设施农业是指通过人工技术手段,改善农业生产中的自然光、温条件,创造并优化出农作物生长的环境,使其可以全天候生长发育的农业工程。宁夏地区的设施农业现代化水平较低,机械化率不高,农作物质量参差不齐,农药和肥料的不科学使用不仅造成了农民经济上的损失,还对当地环境造成了很大程度的污染4。农业生产领域的全产业链和各环节相对于大数据和物联网等先进智造技术和网络技术在工业生产领域的应用,其科技含量和科技投入较低5。随着新
11、能源技术和智能控制系统的完善,尤其是风光互补独立电网及新能源并网技术的发展,为小型风光互补发电系统向电网供电提供了条件6。基于风光互补供电的新型温室大棚应运而生,在发电供电的同时,能够稳定的生产出高质量的农作物7。宁夏地区具有丰富的风光资源,并且具备发展设施农业的优良资源环境禀赋,在“双碳”目标下,传统的温室大棚需要引入新能源技术,促进设施农业的高质量发展。以研究风光互补发电系统在宁夏设施农业中应用的可行性为出发点,选取宁夏风光资源较为丰富的中部地区,设计了风光互补型日光温棚的基本结构,分析了温室用电量和系统发电量间的关系,科学的配置了风光互补发电系统,拟为农业领域合理高效利用新能源提供理论和
12、技术支撑。1 材料与方法1.1 研究区域概况盐池县位于宁夏中部,处于干旱区与半干旱区的过渡地带,地势南高北低,由东南至西北为广阔的干草原和荒漠草原。该地区是典型的大陆性季风气候,光能丰富8,干旱少雨,日照充足,年平均气温7.8,冬夏两季平均温差28左右。全县有可利用草原7.14106hm2、耕地1.33106hm2,是宁夏旱作节水农业和滩羊、甘草、小杂粮的主产区。地下有石油、煤炭、天然气“三大资源”和白云岩、石灰石、石膏“三小资源”,地上有土地、光热、风能“三大资源”,已探明煤炭储量81亿t、石油4500万t、天然气8000亿m3、石膏4.5亿m3、白云岩3.2亿m3、风能资源总储量约300万
13、kW、年太阳总辐射5740 MJ/m2。1.2 资料来源数据来源于宁夏农林科学院林业与草地生态研究所盐池气象站,风速和太阳辐射强度每小时测量一次,测定时间为2021年1月1日2021年12月31日。1.3 研究方法1.3.1 风力发电量的计算 风是由空气流动而产生的一种自然现象,风能实际是一种动能。风力发电机中的转子可以将风中的动能转换为机械能,再由电机将机械能转换为电能。研究表明,通过转子叶片将风能转换成机械能的多少,主要取决于转子叶片扫过的区域大小、空气密度和进气速度9。因此,可以初步得出计算风功率大小的公式,见式(1)。Pf=12Sv3(1)其中,是实时风速(m/s),是空气密度(km/
14、m3),取1.29 kg/m3,S是风正常通过的面积(m2),取叶片直径为 1.2 m 的小型风力发电机,计算得通风面积为1.1304 m2。但实际上由于机械损失,Pf只有一部分是有效的,可以通过引入风功率系数推导出从风中获得的最大功率,见式(2)。Pmax=12KfSv3(2)其中,Kf是风功率系数。风力发电机最大风功率系数为0.593,实际情况下略小,通常计算时取0.5。通过使用上式中给出的瞬时风功率表达式,可以得到一天中的总发电量,见式(3)。Q风能=024Pf(3)其中,Pf为1 h的发电功率。Moreover,there is a surplus in power generatio
15、n,and grid-connected power generation can be realized ifconditions permit.In winter,due to the low temperature at night,the greenhouse needs to be heated by electricheaters,resulting in a sudden increase in power consumption,requiring an external power supply or otherheating methods.Keywords:wind-so
16、lar hybrid;greenhouse;new energy;Ningxia751.3.2 光伏发电量的计算 太阳能主要来源于太阳中的核聚变产生的巨大能量,太阳能电池是利用光电效应将光子能量直接转换为电能的器件,能够产生光电效应的材料主要有单晶硅和多晶硅。太阳能电池板实时发电功率模型10见式(4)。Pt=SI1-0.005(T0+25)(4)式中表示光电转换效率,采用单晶硅太阳能电池板时可取17%;S为太阳能电池板的面积,取1.65 m2;I为太阳辐射强度;T0为当地的环境温度,由气象资料查得宁夏平均气温为5.39.9,取平均值7.6作为环境温度。通过使用(4)式中给出的实时功率表达式,可
17、以得到一天中的总发电量,见式(5)。Q总=024Pt(5)其中,Pt为1 h的发电功率。2 风光互补温棚结构设计2.1 大棚主体结构结构形式:轻钢坡顶结构。基本参数:跨度:10 m,脊高:4 m。2.1.1 性能指标 风载:0.6 kn/m2,雪载:0.35 kn/m2,植物吊载:15 kg/m2,最大排雨量:220 mm/h,电源参数:220 v/380 v,50 Hz。2.1.2 排列方式 温室东西长度:100 m,南北长度:10 m2.1.3 温室主体(1)温室基础温室四周采用圈墙,20 cm钢筋混凝土浇筑。温室走道80 cm的水泥地。温室左右两侧各设一扇门。(2)温室骨架温室主体骨架为
18、轻坡结构,采用热镀锌钢管。骨架各部分之间连接均采用螺栓螺母连接。(3)操作间温室一侧建造东西长度80 cm的操作间。(4)覆盖材料东西北墙采用480 mm的砖混结构,阳光板8 mm,后坡顶采用100 mm PVC复合保温板,温室上坡顶部分采用厚度8 mm PC板,采用铝合金材料固定,橡胶密封条密封。2.2 补光系统在设施农业生产中,采用人工光源是植物正常生长发育、高产稳产的重要保障方式11。采用高压钠灯作为温室补光灯,高压钠灯属于高压气体放电灯,是北方温室普遍使用的人工补光光源,光谱分布范围窄,发光效率相比于其他人工光源较高,钠灯主要产生黄橙色光。高压钠灯具有能耗低、安装简便、功率因数高和防水
19、等优点。冬季由于日照时间缩短,太阳辐射强度减弱,通过在冬季早晨和下午开启为植物补光,能够合理延长农作物光合作用的时间,维持农作物正常生长,提高农作物的光合作用,科学的促进农作物生长。温室东西长为100 m,每隔10 m安装一个高压钠灯,共安装10个,每个的功率为0.15 kW。2.3 湿帘降温系统湿帘降温系统12的降温原理是当水流经水帘时,在水帘表面上形成水膜,水膜和通过的空气进行热交换,再利用水蒸发吸热的降温原理,使棚内空气温度降低,同时提高棚内空气的相对湿度。通过控制加湿量和通风时间,从而控制空气的温度和湿度。棚内安装2台湿帘水泵,每台的额定功率为0.75 kW,由智能监测系统进行调节,通
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