电能与太阳能互补的温室大棚智能供暖系统设计

万 娅，张立辉

(吉林建筑大学，吉林 长春 130118)

0 引言

近年来，我国东北地区越冬农作物和反季节蔬菜的生产几乎全部依靠温室大棚，而冬季温室大棚的供暖对电、煤等资源需求较多。随着自动化技术领域发展迅猛以及国家倡导蓝天保卫战和近期“煤改电”取暖的政策要求，温室大棚对节能经济、清洁智慧供暖方式的需求大大增加。因而，电能与太阳能互补的温室大棚智能供暖系统设计应运而生。

1 电能与太阳能结合的优势

我国北方冬季温室大棚传统供暖方式多为集中供暖，虽然电供暖有着灵活、方便等传统供暖无法替代的优势，但是电供暖因其能耗大、成本高等缺点，阻碍了电供暖的发展和普及；同时丰富的清洁能源太阳能供暖[1-2]因天气等各种因素导致太阳能光伏发电不足，无法保证正常供暖。而太阳能光伏发电供暖与传统电供暖相结合，具有无污染、低成本以及可再生等优势，极大地提高了温室大棚供暖的可靠性、经济性和便利性，是一种相当可观的节能措施。因此，电能与太阳能的结合成为温室大棚中智能供暖的发展趋势。

2 温室大棚并网光伏发电系统设计

温室大棚并网光伏发电系统由光伏电池组件、控制器、并网逆变器和负载组成[3]。考虑到本系统发电量不大、经济成本等方面的原因[4]，经综合分析，在设置上采用不含蓄电池组，无储能系统(也就是说即发即用，就地使用)，并网而不上网。因该系统可以并行使用市电和太阳能光伏发电作为温室大棚供暖负荷的供电电源，负载缺电率大大降低。

2.1 供暖系统的总体方案

2.1.1 供暖系统的结构方案

电能与太阳能温室大棚供暖系统示意图如图1所示[5]。该系统供暖供电电源是由太阳能电池板产出的电能和市电相结合的混合能源。因二极管具有单向导电性[6]，市电经整流输出直流电，与太阳能电池板产生的直流电在2个二极管输出端汇合后，竞争输入逆变器直流母线。电压谁高谁准入，经逆变后再通过配电箱为空气压缩机和泵供电[7]。空气压缩机使吸热介质冷媒循环流动，冷媒在蒸发器时吸收空气中的低品位热能，而在冷凝器时释放热能将水加热。热水存在蓄热水箱并通过供水泵强制循环到供暖热水管道。

图1 温室大棚供暖系统示意图

系统将太阳能电池板发电能力最弱时经直流升压得到的电压作为基准值，且市电通过变压器、整流滤波电路后输出的直流电与基准值相等。当太阳能电池发出的直流电经升压输出的电压高于基准值时，就优先通过逆变器变换为交流电给系统负荷供电；反之，光伏电池停止输出，由市电经整流逆变后为负荷提供电源。

因为冬季的时候温室大棚失热量较大，所以为了大棚里的空气与土壤的温度均能满足作物生长的最佳条件，其供暖采用并联按需加热方式。供暖系统包括混合电源部分、供热锅炉房、冷热水管道和N栋温室大棚等。温室大棚内部主要由各种仪表、控制阀、散热装置等设备构成。空气供暖是风扇将超导暖气片中热水的热气吹到棚内空气中，从而使棚内空气受热均匀，避免局部空间过热或过冷的问题。较空气的供暖方式，土壤加热有所不同，其取暖来源于安装在地底的散热细管中热水传递出来的热量[8]。由此可见，2种供暖方式的结合大大提高了温室大棚的供暖可靠性。

当管道中的水温降低到设定值时，要打开管道上进水和出水的控制阀，使供热锅炉房的热水流到管道，并能排出管道中的冷水，从而让冷水回流到供热锅炉房继续加热循环利用。

2.1.2 智能供暖系统的控制方案

传统温室供暖存在许多缺陷与不足，为了改善和提高温室供暖技术，将先进技术利用到现代农业领域。针对以上系统所需，该系统的整体方案设计[9]主要由4大部分组成，分别是电能与太阳能供电系统设计、供暖控制系统的主控制系统、供暖控制子控制系统、远程控制平台设计。

针对温室所需求的供暖面积，本设计将温室分为N个温室大棚，分别设定通信标号为1#温室大棚、2#温室大棚等N#温室大棚，毎个温室大棚相当于一个子控制系统，都有温、湿度环境信息采集和供暖控制系统，并且每个供暖温室大棚都可通过ZigBee通信协议建立的无线局域网络与主控系统互相通信，主控系统微处理器通过串口与GPRS模块实行通信，然后GPRS模块以Internet网络与电脑或者手机通信。温室大棚供暖自动控制整体设计方案如图2所示。

图2 温室供暖控制系统方案

2.2 智能供暖控制系统的设计

2.2.1 硬件设计

系统硬件部分主要由市电与太阳能混合能源供电[10]电路及电源稳压电路、主控制系统模块接口电路和子控制系统模块接口电路及外围传感设备接口电路组成。主控系统主要有GPRS模块、单片机模块、水泵及继电器，并且其消耗的功率较大。该设计将N个温室大棚作为子控制系统，主要有单片机模块以及温、湿度传感器和脉冲电磁阀控制设备。温室大棚供暖系统硬件结构框图如图3所示，各部分控制硬件电路及实现的功能具体介绍如下。

1)电源电路功能。采取市电与太阳能相结合的供电方式，其核心硬件电路是光伏电池板MPPT(最大功率点跟踪)调节的电路。MPPT的控制电路主要包括光伏电池、电流传感器、变压器、单片机以及控制器。通过单片机釆取一定的控制算法凭借自动控制使光伏电池输出最大功率，而不被环境因素(温度和光照强度)的变化所影响。

2)主控制电路板功能。通过ZigBee无线通信技术，接收从电路板采集的实时温、湿度数据，对数据分析作出判断，输出执行命令，将压缩和组包的所有温、湿度值，通过主控系统的GPRS模块通过Internet连接服务器，上传采集数据结果。

(3)子控制电路板功能。通过温、湿度传感器采集到的实时数据，对数据值进行超限比较，执行相应的指令，控制脉冲电磁阀开关，同时还将温、湿度值处理组包，通过ZigBee路由节点无线通信上传给主控系统模块。

2.2.2 软件设计

此系统软件部分的设计过程如图4所示。当系统上电，先是各个泵、阀的初始化，设定温度值的读取，然后采样子程序、显示子程序的调用，判断是否需要供热，最后子程序中断，设定值子程序的保存，如此循环。而供热与否是通过环境温度传感器采集的棚内温度和设定的供热温度比较判断的(棚内环境温度大于设定值)[11]，若需要供热，判断是否控制压缩机的启停；反之，判断是否储热。最终通过对系统泵、阀、仪表等设备的控制从而实现温室大棚的智能供暖。同时，系统控制单元存储的运行数据可以利用上位机通过USB接口导入数据库[12]，方便统计分析与日后维护。

图4 智能供暖主程序流程图

3 结语

为了降低温室大棚供暖能源成本并实行清洁智慧供热，满足棚内作物在最佳的空气温度和土壤温度中生长，提出了供暖系统的结构和控制方案以及市电与光伏发电混合能源供电系统，并在此基础上以单片机为核心，通过软硬件设计了智能供暖系统。该系统的建设不仅可以解决传统温室大棚供暖面临的种种问题和不足，还促进了温室大棚供暖走向生态环保、低碳节能、智能精准的发展道路，带来了良好的经济效益和社会效益。因此，温室大棚电能与太阳能智能供暖控制系统的设计具有实际的价值和意义。