张苏南，相凡，曹纪钧，王斌斌

（江苏海洋大学理学院，江苏 连云港 222005）

现代工业发展的同时，常规一次性能源匮乏和全球环境恶化等问题也日益严重，因此太阳能得到了高度重视。太阳能具有分布广泛、可再生、不污染环境等优点，是国际公认的理想替代能源。随着光伏发电技术的大力发展，太阳能电池已经被运用到各领域之中。2012年5月14日，我国首座示范性光伏温室在甘肃省嘉峪关建成，该光伏温室的建成对于我国现代设施农业具有显著的示范意义。利用光伏发电发展农业蔬菜大棚[1]的技术已经相当成熟，光伏温室正在逐步取代传统锅炉温室大棚。在如今的太阳能光伏温室大趋势下，为了节能减排和节省成本，光伏温室不应该仅仅运用在培育蔬菜植物之中，也可以将其运用到水产育苗中来。

本文拟在连云港地区设计一个温室水产育苗大棚，利用光伏发电为热泵提供电量，带动热泵控制水塘的温度。以南美对虾为例，自然条件下南美对虾育苗时间大致为6月－9月。我们设计在温室大棚上面铺设太阳能电池板，在气温较低的月份启动热泵控制鱼塘水温，以达到南美对虾育苗的适宜温度，可将育苗时间延长，提高养殖者的收益。在夜间或阴雨天气，光伏板不起作用的时候，也可使用电网的电能为热泵供电。在非育苗季，光伏发电并入电网也可产生收益。

1 光伏温室大棚系统设计

1.1 光伏阵列的最佳倾角

在并网光伏系统中，电网可以随时补充电力，而且相较于离网发电而言，并网发电可以有效地应对各种突发情况，可以很好的适应各种条件下的发电。电池组件选用平铺的方式可以减少阴影带来的热损失，为了接收更多的太阳辐射，利用PVsyst软件计算最佳倾角，将光伏阵列运用合理化。通过连续改变倾斜角来比较不同倾斜角的太阳能电池板的太阳辐射，结果表明连云港地区太阳能电池组件的最佳倾角为26°。

1.2 大棚的设计

太阳能温室大棚的设计初衷是控制鱼塘温度达到南美对虾适宜温度，从而扩大南美对虾的养殖时间。利用大棚的好处是防止热泵产生的热量流失，降低能量损耗，提高大棚内空气的温度。鉴于连云港地区常年风大，盛行东南风，我们设计大棚棚顶方向朝南，方便吸收阳光的同时能减少自然因素给大棚带来的损坏，方位角为0°。采用一面铺设太阳能板接收太阳光，另一面使用砖砌的后墙壁来承载大棚的质量防止坍塌，既达到最佳的阳光辐照量，也节省了材料，节约了成本。

设计大棚顶单面朝南平铺太阳能板，棚顶角度26°。拟设定大棚为矩形，设定一亩大棚长66.7 m，宽10 m。利用余弦角公式，我们求出棚顶的宽度约为11 m才可以达到覆盖鱼塘的效果（如图1所示）。本次设计拟采用250D-20型号的多晶硅光伏板，组件长度1.642 m，宽度0.994 m，组件功率250 W。本次设计采用的是在棚顶平铺的方式，横向排列37块，纵向排列10块，总计370块光伏板。使得横向每两块板间距为0.16 m，纵向每两块板间距为0.1 m。板间的空隙不排列电池板，用于必要的阳光透入。在大棚内的一角设立一个小房间，将控制器、汇流箱、热泵等都放置其中，一方面可以保护器件防止器件损坏，另一方面方便集中控制系统，方便技术工人操作。

图1 大棚框架及尺寸参数

1.3 月发电量计算

首先计算方阵功率P。由方阵功率＝电池组件数×峰值功率，可得P＝370×250 W＝92.5 kW。计算每月发电量的公式如下：

其中Qg表示发电量；N表示当月天数；P表示方阵的输出功率；Ht表示每月辐射量；η1是从方阵到逆变控制器的直流输入回路效率，包括方阵面上的灰尘遮蔽损失、性能失配、组件老化损失以及线路损耗等；η2为交流回路效率，是由逆变器控制器到交流放电回路到负载的效率，包括逆变控制器效率以及线路损耗等。根据经验取η1=0.85，η2=0.9，可得到各个月份的系统发电量（见表1）。全年的发电量为105727.7 kW·h。

表1 各月份系统发电量

2 计算鱼塘的热损失量

南美对虾具有较强的适应性，对养殖环境要求比较低，能在6℃～40℃的水中生存，在18℃～35℃内均可生长，最佳生长温度是22℃～30℃[2]。但是南美对虾水产养殖具有一定的时间限制性。以连云港地区为例，参照连云港地区温度情况，正常养殖时间为6月－9月。借助温室大棚和热泵，可将养殖时间提升为5月－10月乃至整年，这样就可以创造更大的利润。

本文设计采用半地下式鱼塘，池底铺碎石，用水泥浇灌，池壁为砖砌后用砂浆抹面，起到保温效果，水与土地的热传导会大大减小。

设计一亩养殖大棚中鱼塘的占地面积为400 m2，池塘水深1.36 m[3],通过计算鱼塘的热损失量来选取合适的水源热泵。计算鱼塘热量需求可以分成三种热量形式，分别是水表面蒸发损失热量、池底泥土热量损失和池塘补充水加热所需的热量。

2.1 水表面蒸发损失热量计算[4]

QZ＝a×r×(0.0174vi＋0.0229)×(Pb－Pc)×A×(760/B)

式中：QZ为每小时鱼塘水表面蒸发损失的热量(KJ)；a是热量换算系数，取a＝4.18 KJ/Kcal；r是与鱼塘水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热(Kcal/kg)；vi是鱼塘水面上的风速，取vi＝0.2 m/s；Pb是与鱼塘水温相等的饱和空气的水蒸汽压力(mmHg)；Pc为鱼塘的环境空气的水蒸汽压力(mmHg)；A为鱼塘的水表面面积(m2)，A＝400 m2；B是当地的大气压力(mmHg)。我们假设鱼塘水温控制在22℃恒温，则取r＝584.84 Kcal/kg，Pb＝19.83 mmHg，B取标准大气压760 mmHg。水表面蒸发损失功率记为P1。

根据资料显示，安装大棚可以将室内空气温度提升2℃～3℃[5]。因此，我们在计算过程中，大棚内的温度按照当地当月平均气温加上2℃～3℃（如表2所示），从而查表得到对应的Pc取值。

2.2 池底热损失量计算

由于本次设计养殖池池底铺碎石，用水泥浇灌，池壁为砖砌后用砂浆抹面，起到保温效果，池底热损失量可以按鱼塘表面蒸发量的10%计算。池底热损失量计为Qt，功率为P2。

2.3 鱼塘补充水时加热所需的热量，按下式计算

式中：Qb是鱼塘补充水加热所需的热量(KJ)；Cp是 热量换算系数，Cp＝4.18 KJ/(kg·K)；qb是鱼塘每日的补充水量(L)；ρ是水的密度(kg/L)，ρ=1 kg/L；tr是鱼塘水的温度(℃)，tr＝22℃；tb是鱼塘补充水水温(可参照土壤温度)(℃)。鱼塘补充水加热功率记为P3。

针对苏州地区430.46 hm2的南美白对虾养殖池塘调查结果显示，一个养殖周期（110天）总换水次数平均8次，每次平均换水量为15%[3]，相当于每日换水量为1.1%。考虑到养殖过程中的各种水损失，且为了方便计算，我们这里取qb＝20 m3（即每日换水量按照鱼塘总水量的3.68%计算）。

2.4 鱼塘日用总功率计算

将以上各项耗热量功率相加，即为每天需补充的热量功率：

计算结果如表2所示。

表2 鱼塘的热损失量

连云港地区南美对虾正常养殖时间为6月－9月，此时无需使用热泵即可满足养殖条件。根据我们的计算结果，5月鱼塘的热损失为10.9 kW；10月的热损失为29.2 kW。5月和10月的热损失较小，若想将养殖时间延长至5月－10月，需要较少的热量输入即可。传统的锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热量，而我们设计采用水源热泵，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，效率更高[6]。选用制热量约30 kW的水源热泵，即可将养殖时间拓展到5月－10月。按照制热系数为4来估算，制热量30 kW的水源热泵的制热输入功率7.5 kW，5月、10月共计耗电11,160 kW·h。从热损失的计算结果来看，12月、1月、2月的热损失很高，会导致高的耗电量。若想将养殖时间拓展到全年，则需要选择制热量超过128.7 kW的水源热泵。例如，可以选用制热输入功率36.4 kW，制热量186 kW的YWHSR-170型海水源热泵。若选用此型号热泵，最高可实现维持鱼塘水温全年27℃恒温（南美对虾养殖最适合温度是22℃～30℃，计算时假设鱼塘水温在22℃恒温是为了节能省电）。

3 总结

本套光伏温室水产育苗系统，利用光伏发电系统产生电能，为热泵供电来调节鱼塘的水温，从而延长南美对虾的养殖期限，同时多余的电还可转售国家电网。前期投入包括建造大棚、搭建光伏发电系统、购买水源热泵，其他成本还包括水产养殖投入及后期维护费用。光伏发电系统并不能全天24小时工作，在夜间或者阴雨天气，光照强度不足，光伏板无法提供足够的电量。为了维持热泵工作，还需要另外购电，这也就带来了热泵和其他电器的电费成本。获利部分则包括售电收入和养殖收入。本套光伏系统全年的发电量为105727.7 kW·h，5月、10月共计耗电约11160 kW·h，为全年发电量的10.6%。本套系统中光伏方阵的输出功率为92.5 kW，高于所需热泵的制热输入功率。在运行中，可以选择自发自用余电上网模式，也可以选择全额上网模式。若系统发电全部上网，按照上网电价0.5元/kW·h估算（上网电价因时因地差异较大）[7]，每亩地每年的电费收入为5万元左右。江苏省属于Ⅲ类电价区，光伏标杆电价为0.75元/kW·h，若按照此电价估算，每亩地每年的电费收入可达7.9万元。面对能源日益枯竭的窘境，光伏发电成为未来的发展趋势，我们运用科学的手段将光伏发电设计投入到生活生产之中，这也符合了金山银山不如绿水青山的时代背景，利用所学知识服务生活是科学最大的魅力。