微波硫灯补光技术在农业节电中的应用

2018-06-06陈孟颖郭建鹏林伟彬

电力需求侧管理 2018年3期

林芬，岑旭，陈孟颖，郭建鹏，林伟彬

（1.国网福建省电力有限公司，福州 350001；2.国网福州供电公司，福州 350001；3.国网福建节能公司，福州 350001；4.福建省亿力集团公司，福州 350001）

在经济发展新常态下，电力需求量增长速度放缓。一方面能效标准不断提高，客户迫切希望减少用电量，降低用能成本；另一方面，供电服务作为电网企业的主营业务，如何增供促销是电力市场开拓的重点。我国正处在传统农业向现代农业转变的关键期，农业用电需求量逐年增加。本项目通过挖掘农作物生长补光灯市场，创新采用微波硫灯进行农业大棚补光，降低传统大棚补光用能成本，提高农业产值，从而有效拓展农业用电需求，实现供电企业与用电客户利益共盈。

目前常见的农作物补光光源有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、汞蒸汽灯、金卤灯、LED灯等，以金卤灯使用最广泛，LED灯技术发展最快。然而这些补光灯在应用中不同程度上存在局限性，金卤灯受到光谱结构的限制，红色系光多、蓝色系光少，且能耗大、运行费用高，能耗费用约占全部运行成本的50%～60%；LED灯的穿透性差，光强达不到大范围补光的要求，不能适应大面积植物、花卉等大棚农业的需要。［1］

1 农作物补光用电潜力巨大

为提高经济作物的产量，在现代农业生产中，花卉、瓜果、蔬菜等农作物大量使用大棚种植，并使用人工补光等技术弥补冬春两季日照时间不足导致的农作物生长速度慢、产量低、品质差等问题，从而缩短农作物生长周期，实现多季栽培，提高农作物产量。根据市场调研机构报告的数据，全球植物生长灯市场将以12%的年复合增长率持续增长，预计到2020年市场价值将超过30亿美元，这必将成为电力市场拓展的新增长点。

2 微波硫灯简介

2.1 工作原理及设备结构

微波硫灯是利用微波激发硫分子的无极放电光源，微波发生器磁控管产生的2 450 MHz频率的微波通过波导耦合到置于谐振腔内的旋转石英球泡中，球泡中含有氩气和硫元素，被微波能激励而发光，微波硫灯属于分子发光，光谱接近太阳光谱，穿透力极强。无灯丝、无电极的灯泡不仅光效强、低能耗，使用寿命能持续60 000 h以上，光通量可几近持之以恒，整个寿命期限基本无衰减，始终放射出大于自己输入功率几倍的超强光亮度，结构如图1所示。［2］图2为常见光源光通量维持率对比图。

图1 微波硫灯结构图

图2 常见光源光通量维持率对比图

2.2 微波硫灯在农业生产中的应用优势

微波硫灯发光效率很高，可以达到120 lm/W以上，优于金卤灯、大功率LED灯等在用补光灯，在相同照明效果的情况下，消耗功率大幅降低，节能效果明显。，根据农业大棚硫灯应用的实验数据，产生100 lm同等亮度，其消耗功率为0.67 W，低于大棚农业广泛应用的金属卤灯（1.5 W）和市场认可能耗较低的LED灯（1.25 W），节能效果显著［3］。表1为常见光源能耗对比。

表1 常见光源能耗对比

与市场上在用光源相比，微波硫灯是全光谱结构的光源，是最接近阳光的人造光源。将微波硫灯应用于农业生产，照度远超金卤灯和LED灯，对促进植物光合作用明显优于其他光源。该灯普照度高，光源照射面积较其他光源大，填补了大范围农作物补光的市场空白。以高5～7 m的大棚为例，若使用金卤灯，每盏灯照射到地面的面积约5 m2，每亩（667 m2）大棚补光需要120盏金卤灯；若使用LED灯珠，由于LED灯光方向性强，需要LED灯珠3 000个；若使用硫灯，每盏硫灯照射面积约8 m2，仅需要72盏硫灯。图3为硫灯与金卤灯的光谱对比图。

图3 硫灯与金卤灯的光谱对比图

微波硫灯寿命长，能耗低，提高产量效果显著，对广大农民和农业公司具有强大的吸引力，将有效促进现有大棚补光灯进行更新换代，吸引未使用补光灯田地使用该技术，明显增加电网企业售电量。

3 项目分析

3.1 项目概况

选择福建省福州市罗源县起步镇护国村3块位置相邻、土壤条件基本一样、面积均为1 334 m2的土地，1号地作为参考地，为非大棚普通种植土地，2号地为采用金卤灯补光的大棚种植土地，3号地为采用微波等离子灯补光的大棚种植土地。通过种植西红柿与小白菜进行3种情况的对比。

3.2 记录与分析说明

2016年9月-2017年3月，在不同的光源下，对3块试验田上种植的西红柿的生长情况进行记录，记录内容如表2所示。实验结果表明：采用农作物补光灯能够缩短西红柿的育苗期、开花坐果期、结果期，使用微波硫灯补光后，西红柿的生长速度比普通田地提高一倍，比金卤灯补光提高30%；亩产比普通田地增加21%，比金卤灯补光增加7%。硫灯补光田地的西红柿产量比普通田地增加2倍，比金卤灯补光增加60%。实验数据说明，采用微波硫灯补光大棚种植能够大幅增加西红柿产量。图4为西红柿在不同光源下的生长情况。

图4 西红柿在不同光源下的生长情况

表2 西红柿在不同光源下的生长情况

2016年10—12月，在不同的光源下对3块试验田上种植的小白菜的生长情况进行记录，记录内容如表3所示。实验结果表明：采用农作物补光灯能够缩短小白菜的生长周期，使用微波硫灯补光后，小白菜的生长速度比普通田地提高1倍，比金卤灯补光提高35%；亩产比普通田地增加6%，比金卤灯补光增加4%，硫灯补光田地的小白菜产量比普通田地增加1.13倍，比金卤灯补光增加57%。实验数据说明，采用微波硫灯补光大棚种植能够大幅增加小白菜产量。

表3 小白菜在不同光源下的参数记录

图5为小白菜在不同光源下的产量及生长周期情况。

图5 小白菜在不同光源下的产量及生长周期情况

4 微波硫灯的推广效益分析

4.1 社会效益

保持相同的光照强度，每亩（667 m2）大棚可用72个50 W硫灯替换原有120个100 W金卤灯，以每天用电10 h计算，每亩（667 m2）大棚年可节约电量3.07万kWh。在福建省全面推广使用硫灯，年可节约电量4.59亿kWh；在华东地区推广年可节约电量45.99亿kWh；在全国推广年可节约电量153.30亿kWh，减少燃煤513.56万t，分别减少排放 CO2、SO2、NOX、粉尘1 528.20万t、45.96万t、22.98万t、404.40万t，相当于少启动354.12万kW装机容量的燃煤发电机组。

其次，微波硫灯灯泡采用单质硫和惰性气体，不含重金属汞，从根本上克服了液体汞和汞蒸气的严重环境污染，废弃后不会对环境造成污染，从根本上解决了白炽灯、节能灯、荧光灯等光源废弃后的汞污染问题。

4.2 企业效益

在全国大范围推广使用硫灯可有效地开拓电力市场，增加电网企业售电量。根据市场调研报告“十三五”期间的数据预计，若新建农业大棚全部采用硫灯进行农作物补光，“十三五”期间福建省每年新增售电量2 900万kWh，全国电网企业每年新增售电量10.8亿kWh。

4.3 用户效益

硫灯具有促进农作物生长、能耗低等特点，经济效益显著。截至2016年年底，福建省规模以上大棚农业基地平均拥有大棚624 919 m2，改造后平均年节约电费2 012.71万元。以种植小白菜为例进行经济效益分析，对新建大棚基地，在29个月收回投资成本后，年收益增加52.78元/m2，平均每个基地增收3 298.24万元；对将金卤灯改造为硫灯的大棚用户，在17个月收回投资成本后，年收益增加77.21元/m2，平均每个基地增收4 829.45万元。