光伏系统在智能温室大棚中的设计与应用

第1章绪论1.1选题背景、意义及国内外发展现状伴随着社会的进步和资源的需求增长，传统非再生的能量已经无法完全符合人们的需要了；因此，像太阳光这样的新颖形式正在得到越来越多的应用[1]。相较于传统的电力生产方法来说，使用这种新的技术来产生电源能够显著降低对于有限自然资源的使用量并无害地影响到生态环境。根据政府的要求，各地区都开始了建设大型的光伏电池板系统工程的项目工作，而农耕业是中国基础经济发展的重要组成部分之一，把光照发电器材融入其中是中国发展的关键步骤：这不仅仅有助于节约用度及缓解农村居民的生活负担问题，同时也是积极配合国家和倡导的环境友好型政策的一种表现，这对中国的未来有着深远的影响力。图1.1我国光伏装机规划图我国农业大棚面积居世界首位，但传统温室存在问题，光伏温室建设受前期投资和维护不便约束，自动化控制不成熟。传统大棚消耗不可再生能源，劳动压力大，效率低。国外先进国家如荷兰、日本采用智能化控制、全封闭式生产体系，结合太阳能，提高生产率，建设面积逐渐扩大。我国应借鉴先进技术，解决投资和维护问题，推动智能温室发展，实现可持续绿色农业[2]。图1.2国外光伏装机趋势图1.2传统温室大棚与光伏温室大棚1.2.1传统温室大棚传统温室存在问题：参数控制不理想，未提供最佳生长环境，夏季温度过高，冬季无恒温条件；科技含量低，结构简单，管理传统，距离智能化差距；能耗高不环保，需遮阳布、通风、燃煤，不符合国家环保理念。这制约了效率和可持续性[3]。1.2.2光伏温室大棚光伏温室大棚是一种利用光伏发电系统解决传统农业大棚“升温、保温”难题的创新方案。透光性光伏组件不仅提供所需电量，还满足植物的光照需求，过滤有害紫外线，解决传统大棚不足之处。该系统具备保温、通风等特性，可利用储存的电量实现升温、保温，同时在炎热天气通过通风和散热保持适宜温度。光伏温室大棚提高效率，满足设备和用电需求，减少能源和投资费用，环保且避免传统能源消耗。西北地区充足的太阳能资源使光伏发电系统能够满足大棚电力需求，且储能系统可应对恶劣天气，确保农业生产不受影响。在这样的气候条件下，设计光伏温室大棚系统有望取得显著成果[4]。

第2章温室大棚的设计伴随着快速的社会进步和提高的居民生活质量，冬季蔬果已逐渐融入人们的日常饮食中并成为了常见的食物种类之一。因此，当前市场需求不断增加的大型农业设施——温室大棚正变得愈发重要起来。接下来我会深入探讨一下关于其外观特征及其内部各功能系统的分析、规划等内容。2.1确定大棚的外形材料及尺寸当在规划西北地区400㎡的温室大棚时，确定了其外形尺寸为20m*20m，跨度为10m，总共有两个跨度，每个跨度都有5米的开间，一共有4个开间，并且肩高达到5米。屋脊为东西走向，总面积400㎡。为实现保温和透光，选择玻璃材料，具体采用中空玻璃[5]。中空玻璃的优势包括柔性密封、低温封接技能、抗攻击、高真空内腔、隔热性能优异。其在温室大棚中的应用克服了普通玻璃封接区域的剪切力问题，提高利用寿命，同时解决了在不同恶劣条件下的损失问题。中空玻璃相较于真空玻璃性能稍逊，但能满足大棚需求，且价格更经济。經經济性分析后，最终选择中空玻璃作为智能温室的外形材料，符合设计目标。图2.1玻璃温室大棚示意图2.2大棚的升温系统温室大棚的升温系统在夜晚、冬季或恶劣天气下至关重要，以促进植物生长。目前，电加温线虽清洁、无噪音，但能源费用高，安全性差。热水加温复杂昂贵，不符合大棚保温性能较强的特点。热风加温方法，常见于国外，以价格低、效率高著称，适用于大棚。选择了一款30kw220v的电动热风机，其额定功率达到550w，足以满足400㎡大棚的供暖需求[6]。这款设备拥有断电、过热、绝缘保护等安全特性，使用寿命也较长，并且配备了温控开关，能够自动进行升温操作，从而提高室内温度。市场分析支持此选择，认为该热风机符合大棚升温需求，既经济又实用。2.3大棚的灌溉系统水是植物生存的关键。大水漫灌虽然成本低，但浪费水资源，易导致土壤板结、影响植物生长，且引发害虫问题。沟畦灌溉避免了水资源浪费，但仍容易导致土壤板结和湿度增大，影响产量。滴灌和喷灌经济科学，可节约水资源50%-70%，减少土壤板结，提高植物透气性，降低湿度，增加温度，促进产量。滴灌技术既节水又节肥，可全面提高水的利用效率。市场分析表明，选择250W自吸泵满足滴灌需求。该泵的特点包括低功耗、最大流量适中，符合大棚灌溉要求。因此，综合经济和科学性，滴灌技术搭配250W自吸泵成为理想选择[7]。2.4大棚的光照系统植物的光照对光合作用至关重要，但在阴雨天或夜晚无光照时，需安装补光灯促进植物生长。市场分析结果表明，选择LED灯进行补光是合适的选择。采用50WLED补光灯，由于其照射范围较小，选择20个以满足大棚内植物的光照需求，提高光合作用效率，促使植物生长。2.5大棚的通风系统温室大棚通风至关重要，调整温湿度和CO2浓度，提供植物适宜环境。建议夏季高温时通风降温1-2小时，避免温度骤降。按从小到大、顺风放风的原则调控通风量，关注局部温差，灌溉或施药后短时通风可降湿、增CO2，促进植物生长。尽管自然通风可采用，但在炎热夏季，强制通风更为必要，采用300W220V通风机满足需求。通过市场分析，选用适度的强制通风可提高大棚内环境质量，满足通风需求[8]。2.6大棚卷帘机系统温室大棚中的传统草帘存在效率低、人工成本高的问题，而卷帘机则是理想替代品。卷帘机通过自动化模式操作，显著减少人力需求，操作简单、效率高。选择与大棚长度匹配的卷帘机至关重要，当大棚长度不足40米时，推荐使用功率不超过1500w的小型卷帘机。根据市场调研，对于宽20m的大棚，选择850w220v参数的小型卷帘机，既能满足需求，又能提升效率[9]。

第3章光伏发电系统的设计3.1光伏发电系统原理与分类太阳能光伏发电的原理是基于光生伏特效应。当阳光照射到半导体P-N结上时，会产生电子-空穴对。在内建电场的作用下，空穴从N区流向P区，电子从P区流向N区，从而产生电动势。连接电路后，就会形成电流。图3.1光伏发电原理图光伏能源产生装置包含了独立式及联网式的能量生产设备，其中独立式设备主要由太阳能板、管理模块、储存电池群、逆变器、直流耗用单元和交流耗用单元组成。在阳光充足的环境下，这些设备会把太阳光转化为电力，然后经由管理模块向消耗端提供电源，并且对储存电池进行充电。而联网型的设备则去除了存储和释放的过程，取而代之的是使用逆变技术[10]。通过将电力输送至公共电网，降低了整个过程的能源消耗。考虑到光伏温室大棚的需求，选择了离网型光伏发电系统。图3.2离网型光伏发电系统示意图3.2光伏系统的设计以400㎡的西北地区光伏大棚为设计基础，采用太阳能发电来满足温室大棚的能源需求。考虑到升温、灌溉、补光、通风和卷帘机等设备的使用，根据预估的工作时间，每日的电力消耗量为9.9kwh。实际工作时间较估算值少，加上其他小用电量，最终确定日耗电量为10千瓦时。因此，设计光伏大棚时的光伏组件安装容量应为10千瓦时，能满足日耗电量[11]。3.2.1选择光伏组件在温室中，植物对光的需求是必不可少的。因此，在选择光伏组件时，可以考虑使用透光性良好的太阳能组件。这样一方面可以利用太阳能组件发电，另一方面也能满足植物对光照的需求。太阳能组件能够过滤掉一些有害的光线，使阳光能够直接照射到温室内，给予植物充足的光照。经过仔细挑选，最终选择了薄膜太阳能电池。这种电池可以与温室屋顶相结合，既可以发电，又可以进行植物种植。因为薄膜太阳能电池具有透光性，它不会影响到温室内植物的生长，并且可以为温室内的电器设备提供电力。使用薄膜太阳能电池取代传统的无法透光的晶硅太阳能电池，可以让阳光透过薄膜太阳能电池照射到温室内的植物上，太阳能电池会吸收掉不需要的波段，而植物需要的波段则会被植物吸收。另外，薄膜太阳能电池本身产生的热能还可以用于温室的保温。图3.3光伏组件基本分类3.2.2控制器的选择作为一种用于管理太阳能电站中的蓄电池并确保其稳定运行的关键部件，光伏控制器同时具备了监控多个太阳能电池模块向蓄电池充电的能力，并且能够实现从蓄电池到太阳能逆变器的电力供应自动化调控。它利用高速CPU微处理器及高准确度的AD-DA转换技术构建了一个集数据收集与监测于一体的计算机化信息获取与控制体系。它的主要职责包括：调整功率、通讯、基本显示、安全防护(如电路故障、短路、超流量、高压等)。依据光伏部件的电流和电压水平，最终选择了96v25a型号的控制器，这款控制器适用于光伏温室大棚。3.2.3逆变器的选择作为一种能够把直流电转变成交流电的光伏逆变器，它具有诸如高度效能、迅速启动、出色的安全性能、对短路与过载有保护作用且适应力强的特性。按照其波形、并联连接方式及相位数量来划分的话，需要挑选适合于温室内部电气设备使用的正弦波型、离网式、三相逆变器。依据市场的研究结果，可以选择一款96V5000W的逆变器，它的输出的电压是220V，并且呈现的是正弦波形式，这使得该产品的高效性和稳定的负荷承受能力得到了保证。此外，这款逆变器还拥有多重的智能化安全保障措施，例如对于过度充电、过度放电、超过流量、超出压力等问题都有相应的预防机制。同时，这个产品的最大工作功率可以达到其标称功率的三分之一。通过设置四个不同的智能模式，比如电源优先、蓄电池优先、节能优先和储存能量优先等方式，用户可以在实际应用过程中灵活地调整使用策略。为了实现良好的安装效果，应选取宽敞、无潮湿且防静电的环境，并将逆变器放置在一个专门设计的逆变器箱里，而不是将其直接放在地上。另外，需要注意到热源部件不能紧挨着逆变器的下部，尤其是在处理终端线路接口的时候要留有一定的空间以便维持系统的正常运转。3.2.4蓄电池的选择离网型光伏发电系统关键在蓄电池，它存储白天过剩太阳能以备阴雨天和夜晚使用。在光伏温室大棚中，夜晚和冬季无光照时，蓄电池发挥关键作用，提供电能以提高大棚温度和夜晚照明，促进植物生长。储能环节对系统稳定运行至关重要。市场上光伏系统主要采用铅酸蓄电池和锂电池，其中磷酸铁锂蓄电池在锂电池中性能最佳。对于锂离子储能设备而言，主要由碳材料构成的阳极与金属组成阴极；同时以有机物作为介导剂并配有无机盐的水基体系构成了该种类型的电子导体(即：固态)。此外，为了满足不同的需求及应用场景，可以选用具有良好透气性的聚合物的膜片或者其他可塑型材质来制作隔离层或是外包装部分等部件。另外值得一提的是，这种储存装置的外部结构通常是由一种名为“硅树脂”的高分子合成品制成或者是用一些高强度且耐磨损性能优良的人造纤维如尼龙等等制造而成的一种复合型的容器构造方式——这些都能够有效地提高产品的安全性和可靠度！这样，蓄电池能够可靠地存储和释放电能，确保光伏系统的持续运行图3.4铅酸蓄电池工作原理图使用橄榄石结构的LiFePO4为正极的磷酸铁锂蓄电池是由铝箔串联而成。其负极则以碳(即石墨)为主导元素，并用铜箔将其与电池负端接连起来。隔膜负责把正负极区分开来，使得锂离子可以自由穿越但电子无法通行。电解质被置于电池内侧，外部则有金属外壳封闭保护。充电或放电过程发生在LiFePO4和FePO4两种物质间。当充电状态下，LiFePO4会逐步转变为FePO4；而在放电阶段，锂离子会被吸附进FePO4里生成LiFePO4。在这个过程中，锂离子会在磷酸铁锂晶体内移动至电解液，接着经过隔膜到达石墨表层，最终插入石墨晶格之中。此外，当电池充电或断开电源后，电力会经由导体流动至阳极的金属片并再次返回阴极的另一端(即为另一个金属)。在这个过程中，由于化学反应的作用下，碳素材料中的锂元素被释放出来并在隔离层上移动直至到达其最终位置——也就是与之相邻的一块物质内部；与此同时，带走这些能量的是一组携带信息的粒子-它们沿着相反的路径前往相应的终点：首先是朝反方向行进以抵达对立面上的那个终端然后又折返回来回到起点继续循环往复直到完成整个流程为止。这种电池结构确保高效的电能储存和释放，适用于光伏系统的可靠运行。通过对比铅酸电池和磷酸铁锂电池的差异。铅酸电池优点：稳定的电压、实惠的价格、便利的维护方式、优质的品质，以及高度的可靠性。缺点：性能较差，寿命有限，日常保养需要频繁。优势：磷酸铁锂蓄电池锂电池非常适应各种环境，可以在温度介于-20℃到60℃之间的范围内正常工作。长寿命，循环周期超过2000次，可以使用7到8年。磷酸铁锂电池具有环保性，无毒性和污染。不足之处在于价钱相对铅酸蓄电池要高；导电能力较差，锂离子扩散速率较慢；密度较大，体积较大。考虑到经济效益和维护方便性以及质量稳定性，决定采用磷酸铁锂电池。表3.1磷酸铁锂电池参数表名称参数标称电压48V标称容量250Ah最大放大电流200A最大充电电流100A存储温度-20--+65℃其充放电化学方程式：充电：LiFePO放电：FePO蓄电池容量可以通过以下公式计算得出：负载日平均用电量乘以连续阴雨天数再乘以放电率修正系数，然后除以最大放电深度乘以低温修正系数。平均每个负载需要10kw的电力，而连续的阴雨天数则设定为一天。电池的容量=ah，其中675ah代表蓄电池。选用单体为48V250Ah的磷酸铁锂蓄电池并联电池的数量等于总电池容量除以标称电池容量。由于总电量为675ah，因此，电池的并联数=3。即蓄电池需要3块蓄电池。3.2.5防雷接置光伏发电系统通常采取防雷措施，防范感应雷和直击雷的影响。当雷电产生时，会产生瞬间的强电压和电流，有可能造成建筑物受损、火灾和人员伤亡的风险。为了避免这些风险，可以采用一些措施，比如安装避雷针、避雷网、避雷线和避雷器。另外，在进行防雷接地时，要确保电气设备的外壳与大地连接好，以防止高电压带来的危险。光伏发电板支撑结构也需接地，避免直接接触电压。雷击保护装置应直接与地面连接，路线尽可能短。线路交叉时要保持垂直距离，分散安装避雷元件。接线盒内应配置避雷设施，配电线路可在分电盘中安装避雷元件以抵御雷电浪涌。选取不同的避雷方法根据保护对象的不同。

第4章控制系统采用了自动化的方法来构建光伏温室大棚的设计方案，利用了传感器与单片机的集成技术。这种方式能够大幅度的减少人力成本，同时也能提升温室内的农作物生长的效果，进而增加经济收入。的设计选用了AT89S51为核心的单片机做主控单元，该系统包括时钟、复位功能、液晶屏显示组件、警报设备(如蜂鸣器)、温度检测元件、土壤湿度监测仪器、灌溉管理和空气流通调节等各个子模块组成。电源接通之后，单片机会采集温度模块和土壤湿度传感器的输入信息，然后计算出当前环境条件是否符合设定的标准，以此决定是否开启喷洒水的机器或者打开风扇以降低室内温度。如果发现温度超过预定范围，那么它会激活风扇开关，使其开始工作；若温度保持不变或下降到预期水平，就会切断风扇；同样地，假如土壤湿度不足于满足规定要求，那幺单片机将会触发水泵进入灌溉模式；一旦土壤湿度达到了目标数值，就立即停掉水泵，结束灌溉过程。图4-1AT89S51单片机特征图温室大棚系统结构原理如图所示：图4.2温湿度整体控制系统示意图设计中的这个大型暖房包含了五个关键组件——加热装置、补充灯光设施、空气流通机制、浇水体系和可调节遮阳网系统的自动化提升与下降功能。它依赖于各种探测器的反馈信息来驱动微型计算机执行相应的操作任务。详细的工作流程包括以下步骤：如果监测到大棚内部的环境超过适合农作物生长的标准范围(即过热或低温和高湿)，那么电脑就会启动风扇并调整至适当的风速大小直到环境恢复正常为止；相反地，一旦发现室内气温降低且达到合适的条件之后就立即关闭该项服务；接着是利用水分测量仪对种植区域的水分含量做出评估判断是否需要加注更多的液体直至满足所需的标准值才停下来；最后就是用日夜感知能力强的摄影头去监控太阳的位置变化情况以便决定何时开启或是关掉可以保护植被免受强紫外线伤害的大面积布料幕墙罩子从而确保它们能获得足够的温暖而不会受到冷气侵袭的影响等等一系列复杂的过程都是靠着这种方式实现自控化的运行模式。图4-3液晶显示程序示意图4.1升温系统加热装置的主要任务是在寒冷季节或者夜间室内气温偏低的时候提升农业设施内的温暖程度来确保作物能够维持正常的成长条件并增强产出效率。经过对比研究后选择使用了DS18B20数位式温度传感器作为的设备选型原因在于它的小巧尺寸和较低的硬体开销能够有效抵抗外部干扰并且拥有高准确度的性能特性。此款数位式温度传感器可以测量从-55°C到+125°C的范围内任何一个点位的温度并具备每隔半度进行一次读取的能力，这些特征都符合对农业设施内部气温控制的要求。该产品的工作电压为DC3.0V至5.5V，而且它的三条连线包括了一根与地面相连的地线，另外两根则是供应电源及输入资料用的总线端子。如图中显示的那样就是如此。图4.4DS18B20单片机接口示意图ds18b20数据线通过单片机p1.1接口进行连接，无需额外的外部设备即可开始运行。测量结果以9~12位的数字形式进行串行传输，操作简洁便捷，是本智能控制系统最佳的温度检测元件。在夜间或阴天环境下，如果室内气温低于20°C，那么温度探测器将会接收到外部信息并将其发送至微处理器。一旦微处理器接收了这个信息，它就会启动暖气设备以提高室内温度。然而，若室内温度超过20°C，则温度探测器又会重新向微处理器发出信号，从而由微处理器决定是否关闭暖气设备。4.2通风系统在夏天的中午或者温室大棚灌溉后湿度过高，通风系统被主要用于调节大棚内的气流，以减少温度或湿度，从而创造一个最适合植物生长的环境。对于温度的调控过程和加热系统的设定是相似的，一旦温度超过了30°C，温度探测器就会把信息发送至微型计算机，然后由它启动风扇；而如果温度探测器发现温度下降到了30°C以下，那么它又会重新向微型计算机发送信息，从而使风扇关闭。4.3灌溉系统灌溉体系的主要功能是在温室大棚中植物水份缺乏的时候，利用灌溉体系采用滴灌的方法来给温室中的植物提供水源。根据市场的研究结果，决定使用HS1101型电容量湿度检测仪。这种类型的湿度传感器通常是用高分子薄膜电容制作而成，它具备高度灵敏度、良好的产品替换性能、快速反应时间、低湿度延迟值、易于生产、能够实现微型化与集成的特点。尽管它的准确率略逊色于湿敏电阻，但是由于电阻对于温度过于敏感，这使得设备无法在大范围内广泛运用，因此最后选择了电容量湿度检测仪HS1101。这个型号的湿度传感器拥有如下优势：工作范围宽；测量精度高；电路简单；可靠性好，使用寿命长；抗干扰能力强工作温度范围宽（-40—80℃）温湿度控制系统流程图如下：图4.5温湿度检测控制示意图4.4补光系统在寒冷且漫长的西北冬天里，因为阴雨和积雪的原因，温室里的蔬菜长时间暴露在微弱的光线下，这会影响到它们的光合作用进而降低其成长速度。为提升温室中蔬菜的生长速率，将采取人为补充光线的措施，选择使用LED灯光作为辅助工具。这个系统的运行是基于光敏传感器所接收的信息来调整的，通常情况下，白天的太阳辐射足够强，即使是在多云或阴暗的日子也能达到至少一百lux，因此在夜间或是阴雨天等低光条件下给温室内提供适当的光源以促进植物的光合反应。LED智能照明系统的核心构件包括四大部分：探测、分析、调节与监控。该系统采用了模块化的架构，包含有光强度监测单元、微处理器管理单元、LED补充灯具单元及主控计算机单元等组件。所选择的光敏感元件为ISL29020光数码传感器，其具备高度准确性、极高的敏感性和较低的能耗特性，且其集成的程度较高，这有助于减少模拟调试线路的时间并扩大测量范畴。图4-6补光系统示意图为了突出led智能补光系统的关键性，执行了以下实验。为了保证实验的精确度，将番茄作为研究对象，并采用控制变量的策略，在一个温室内选择了三片具有相同大小的地块，每片地的番茄植物数目和密集程度都一致，每个地方种有2.5株/平方米，总共是20平方米。共有50棵番茄树，它们被分成三种不同的环境：无照明条件下的对照组；使用普通白炽灯光源的环境；以及利用智能化LED灯光的光照环境。表5.1不同补光条件下番茄每株生产情况补光方式单株数量（个）果实直径（mm）单果质量（g）单株产量（g）产量（kg/㎡）未补光白炽灯LED灯212325121.7122.9128.4268.4279.1312.25636.46419.37805.014.09116.04819.513根据表格所示，智能LED补光系统的效果明显，主要体现在补光时间的延长和农作物的光合作用时间延长方面，进而显著提升了温室大棚内农作物的生产率。4.5自动卷帘机卷帘机主要用于晚上或阴雨天保温温室大棚。由于其安全隐患高，安装时需仔细阅读说明书，确保认证。专业人员应进行安装，确保材料强度和作业要求满足标准，螺栓和电焊部分符合质量要求。电源总控制需具备防潮和防触电保护功能。操作时需按照规程和说明书，操作人员需接受专业培训。每次作业前需检查机械和螺栓连接，清理影响工作的障碍物。检查完成后方可接通电源。为确保安全，卷帘机通常采用手动控制，由专业人员操作。

第5章结论在本项目的设计过程中，成功地把太阳能发电设备和温室大棚结合起来创建了一个光伏智能温室大棚，这替代了传统的大棚模式并降低了非可再生资源的使用量，积极回应了环境保护的需求。这个设计的特点在于其采用了自动化管理方式，能够实时的监测温室内部的环境条件，一旦发现这些数据不符合作物生长的最优标准，就会立即激活相关的工作机制来解决问题，从而有效提升了作物在大棚中的成长速度。尽管在这个过程里也遇到了一些挑战，比如主要专注于光伏技术的学习使得在其他领域如选取光伏模块、逆变器和蓄电池上出现了一点困难，但是通过老师的指导和同伴的支持，都顺利解决了这些难题。至于温室大棚的智能化自控部分，因为的知识储备有限，确实出现了一定程度上的困扰，不过幸好有之前学习的关于微处理器、传感器的课程作为基础，再加上教师及伙伴们的协助和我个人的深入探索，最终还是克服了这个问题。当前设计的太阳能温室大棚虽然在智能自动化管理上有待完善，仍有不足之处，同时在光电能源系统的应用上也因客观因素而仅停留在理论阶段，并未获得实践数据和真实建设温室大棚的相关信息。主要依赖于一些参照值来实施施工，可能导致一定程度上的偏差，然而这并不能对总体效果产生实质性的影响。科学技术的进步使得对可持续发展的关注度不断提升，同时对于非再生资源的使用也在逐渐降低。因此，太阳能发电系统的使用价值日益凸显，并将在各行各业发挥重要作用。尤其是在农耕这一国家经济命脉的关键环节上，有效地结合太阳能和农业可以极大地增加社会的整体收益。预计未来数年里，光伏温室的大规模运用及智能化的趋势将继续扩大，其发展潜力相当乐观。

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