二、光伏+農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要研究方向
溫室環(huán)境是非線性、分布參數(shù)、時變、大時延、多變量耦合的復(fù)雜控制系統(tǒng),溫室中栽培不同作物則需要不同的生長環(huán)境。因此,控制特定作物達(dá)到需要的生長環(huán)境是一個復(fù)雜課題。不但需要作物栽培專家的經(jīng)驗,同時需要控制技術(shù)方面專家的經(jīng)驗。特別是
光伏發(fā)電的引入,電站設(shè)計、建設(shè)、運維的專家的經(jīng)驗。
因光伏組件在溫室南向坡的覆蓋,將引起溫室環(huán)境的變化。引起溫室內(nèi)輻照、溫濕度、作物蒸騰作用的變化。針對因此引起的上述的問題,建議系統(tǒng)研究的問題如下。
2.1 光伏溫室室內(nèi)輻照建模及分析
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)理論認(rèn)為太陽直接輻射中的光合有效輻射系數(shù)為影響作物成長的主要因數(shù)。
太陽直接輻射中的光合有效輻射系數(shù),即直接輻射中的光合有效輻射與太陽直接輻射之比,隨太陽高度角的增大和大氣混濁度的減小而增高。其比值隨時間的變化在晴天快,一般早晚低,正午前后高而穩(wěn)定,夏季高,冬季低。例如某地:晴朗的冬季,當(dāng)太陽高度從10°增加到45°時,光合有效輻射系數(shù)由0.35增加到0.45;夏季則由0.47增加到0.48。散射輻射中的光合有效輻射系數(shù)基本上不隨太陽高度角改變,但在晴陰不同的天氣類型下,卻存在一定變化,并比直接輻射中的光合有效輻射系數(shù)偏大,介于0.50~0.60之間。
光合有效輻射可用儀器直接測定。為取得太陽直接輻射和散射輻射與光合有效輻射之間的比例系數(shù),可將日射儀或天空輻射表和光合有效輻射儀進(jìn)行同步觀測,計算出日、月、季和年的系數(shù)值及其相互關(guān)系。
對綠色植物生長發(fā)育有作用的輻射波長范圍較光合有效輻射波長范圍為寬,大致在300~800納米范圍內(nèi),為生理輻射。
因光伏組件的覆蓋后,溫室內(nèi)從南向至北向的光合有效輻射系數(shù)將逐漸減小,針對上述系數(shù)的確認(rèn),目前可通過軟件進(jìn)行模擬,再根據(jù)經(jīng)典太陽輻射理論完成上述參數(shù)的計算。如追求數(shù)據(jù)的精確性,也可在試驗光伏溫室內(nèi)由南向北布置多組輻射儀完成上述參數(shù)的現(xiàn)場測定。最終形成溫室內(nèi)光合有效輻射系數(shù)梯度分布圖。
2.2 農(nóng)作物適應(yīng)性分析
光合作用是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ),而沒有光便沒有光合作用。光強(qiáng)與光合作用關(guān)系呈雙曲線型。光強(qiáng)與光合作用關(guān)系會因植物群體的繁茂程度而有明顯差異。不同的植物光—光合作用曲線不盡相同。
在自然條件下,植物葉片所接受的光強(qiáng),會因為云層的有無以及風(fēng)速等因素的變化而產(chǎn)生差異。而在光伏溫室中,因光伏組件的遮擋,溫室內(nèi)每天的輻射強(qiáng)度均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。同時,有理論認(rèn)為:“強(qiáng)光—弱光”緩慢交替會在一定程度上提高植物的光能利用率。
在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi),光合作用強(qiáng)度隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而增強(qiáng)。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定的強(qiáng)度后,光合作用強(qiáng)度不再相應(yīng)地增強(qiáng),而是趨近于一條漸近線,這種現(xiàn)象稱為光飽和現(xiàn)象。這個光的臨界點稱為光飽和點。
若光強(qiáng)高于光飽和點,不僅不會使植物光合作用強(qiáng)度增強(qiáng),反而會導(dǎo)致葉溫升高、氣孔關(guān)閉,葉綠素鈍化、分解、破壞及植物組織灼傷,使光合作用強(qiáng)度下降。
所以在實際測量時光強(qiáng)過高時光—光合作用曲線會呈拋物線狀。植物的光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度達(dá)到相等時的光強(qiáng)值稱為光補(bǔ)償點。
不同植物(喜陰、喜陽、C3、C4),同一作物的不同品種,同一品種不同發(fā)育期及不同部位的葉片光飽和點和光補(bǔ)償點不同。同時,光飽和點和光補(bǔ)償點還因溫度、水分、CO2濃度等因子的不同而變化。
結(jié)合2.1節(jié)的分析結(jié)論,不同的光合有效輻射系數(shù)對植物的生長的不同時期、不同植物的生長均會產(chǎn)生不同影響。應(yīng)設(shè)置對照溫室(無光伏組件覆蓋),完成不同植物、不同植物的各生長階段的生長特性的分析。為滿足植物健康生長的前提下,提出光伏溫室內(nèi)人工鈉燈補(bǔ)光、光伏組件優(yōu)化布置、光伏組件制造工藝優(yōu)化的措施。
目前國內(nèi)針對上述問題,尚未形成系統(tǒng)性研究成果,鮮見相關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo)。
2.3光伏溫室溫濕度系統(tǒng)建模與分析
根據(jù)2.2節(jié)的分析:光飽和點和光補(bǔ)償點還因溫度、水分、CO2濃度等因子的不同而變化,因此需對光伏溫室溫濕度系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析。
目前國內(nèi)針對此問題研究較多,并取得了豐碩成果。本文引用對此問題深入研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李晉2007年碩士畢業(yè)論文《試驗溫室溫濕度系統(tǒng)建模研究》(研究依托課題:863計劃課題“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動控制系統(tǒng)研究”(2004AA247020,2004.3.1-2005.10.10))的幾個主要結(jié)論:
1)機(jī)理建模是溫室小氣候系統(tǒng)建模最基本的方法,國內(nèi)外研究人員多年來一直在進(jìn)行這方面的研究,取得了豐碩的成果。機(jī)理模型能夠清晰地解釋溫室小氣候的物理本質(zhì),可以模擬一定條件下的溫室小氣候系統(tǒng),從而為溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)與管理提供有效指導(dǎo),但也存在很多明顯的局限性。機(jī)理模型未知參數(shù)多,測量這些參數(shù)需要昂貴的儀器,試驗成本高;有些參數(shù)的測量費時費力,測量方法不易被廣大農(nóng)民掌握;由于不同類型溫室結(jié)構(gòu)和材料不同、溫室材料老化或損壞、作物生長變化、種植作物種類或種植方式改變等原因,溫室小氣候系統(tǒng)是時變的,而機(jī)理模型可移植性差、自適應(yīng)性差。因此,利用機(jī)理模型實現(xiàn)溫室小氣候在線建模和計算機(jī)實時監(jiān)控難度很大。
2)溫室小氣候具有強(qiáng)非線性、大時滯、強(qiáng)耦合、強(qiáng)干擾、時變等特點,當(dāng)分別采用ARMAX和ARIMAX兩種線性自回歸滑動平均模型描述多輸入單輸出的溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng)時;選擇溫室外溫度、相對濕度、太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)速作為模型擾動輸入變量,選擇溫室內(nèi)溫度和相對濕度作為模型輸出變量;采用統(tǒng)計假設(shè)檢驗和模型擬合度分析相結(jié)合的方法確定模型結(jié)構(gòu);采用漸消記憶遞推增廣最小二乘法(RELS)在線辨識模型參數(shù),并構(gòu)造智能監(jiān)督級監(jiān)控在線參數(shù)辨識過程;最后對4輸入或3輸入(忽略風(fēng)速)的ARMAX或ARIMAX相互組合共4種模型的在線建模及仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
試驗溫室溫濕度系統(tǒng)漸消記憶遞推增廣最小二乘(RELS)在線建模方法,在局域范圍內(nèi)用帶有擾動輸入的線性自回歸滑動平均模型近似描述非線性時變的溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng),在線辨識模型參數(shù),能夠?qū)崟r跟蹤系統(tǒng)動力學(xué)特性的變化,具有較好的通用性和自適應(yīng)性。在線建模的優(yōu)點,使得能夠以此為基礎(chǔ)更好地設(shè)計溫室小氣候計算機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng),在線建模方法以及基于在線建模的溫室控制策略有可能在溫室生產(chǎn)中應(yīng)用。
3)為進(jìn)一步改進(jìn)對溫室溫濕度系統(tǒng)動力學(xué)特性(特別是非線性和時變特性)的實時跟蹤效果,其進(jìn)一步采用了一種非線性函數(shù)擬合方法—加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)回歸(WLS-SVMR)進(jìn)行在線建模。這種方法采用非線性模型——SVMR 決策函數(shù)描述溫室溫度系統(tǒng)和濕度系統(tǒng);選擇溫室外相對濕度、溫室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度和溫室外風(fēng)速(可忽略)作為模型擾動輸入變量(4輸入或3輸入),選擇溫室內(nèi)溫度和相對濕度作為模型輸出變量;采用WLS-SVMR方法在線辨識非線性模型參數(shù);最后將加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)回歸(WLSSVMR)方法和基于智能監(jiān)督級的漸消記憶遞推增廣最小二乘(RELS)方法的在線建模及仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。
仿真試驗結(jié)果表明,上述兩種(WLSSVMR、RELS)在線建模方法都能夠較好地實時跟蹤溫室小氣候系統(tǒng)動力學(xué)特性的變化,具有較好的通用性和自適應(yīng)性,但前者的效果優(yōu)于后者。這些優(yōu)點使我們能夠以此為基礎(chǔ)更好地設(shè)計溫室小氣候計算機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)。
針對上述問題的研究可為將來光伏溫室內(nèi)農(nóng)作物種植的多樣性提供一定的理論基礎(chǔ)。避免目前光伏溫室主要種植菌類等喜陰作物。值得慶幸的事,目前國內(nèi)各農(nóng)業(yè)相關(guān)行業(yè)企業(yè)對此進(jìn)行了積極的探索。如通威集團(tuán)基于自身產(chǎn)品資源優(yōu)勢基礎(chǔ)上,不斷嘗試各類光伏農(nóng)業(yè)項目,取得了一定了積極效果。