何佳勳*、蕭巧玲*、楊純明*、厲文誠**、黃郁智**、李進興**、郭仲益***
*農業試驗所作物組
**國家中山科學研究院
***冠霆電通科技有限公司
一、摘要
在極端天氣變遷環境下，設施栽培係農業(作)栽培因應調適措施之一，可提供質 優且穩產的農產品。設施農業/栽培需要搭配作物栽培系統及必要電力供給，而從節 能減碳及降低生產成本考量上，風、光等再生綠能之開發與利用恰可滿足此需求。面 臨全球性氣候變遷及能源短缺問題，本計畫研究重點在於有效利用現地再生資源並穩 定電力支援與管理，以供應設施農業運轉及提高電力使用效能。此外，建立影像監測 及遠端數位傳輸作業平台，可監測土壤(介質)水分/溫度、設施內部太陽輻射量與氣 溫/相對濕度等微氣象環境，乃至於現地風力及太陽能供電量與設備耗電量，以維持 設施栽培正常運作。
關鍵字：簡易溫室、再生能源、電力系統、節能減碳。
二、前言
臺灣地處亞熱帶季風氣候區，夏季常有高溫多雨及颱風，而秋冬季則有東北季風 及短期低溫等現象發生，利用設施栽培可減緩氣象環境所帶來的不利因素衝擊，進而 穩定作物生產質量。惟設施內部微環境亦會影響作物栽培，如夏季設施內部高溫與光 照分布不均、冬季內部低溫與光照不足等問題，均會影響作物生產。如何改善設施內 部環境以達到週年穩定生產，並以從事設施作(植)物特殊功能性生產等，值得加以研 究探討。設施農業亦有相當電力需求，其可概分為電力供應端、作物生產端與環境監 控端三大項，乃主要生產成本之一。從節能減碳及降低生產成本考量，開發風力、光 能等綠能/再生能源並應用於設施農業栽培上，有其需要與必要。本研究之先期階段 已將風光互補綠能電力支援與管理之基本系統應用於簡易設施栽培體系，其中電力支 援端包含風、光綠能及市電兩大供應來源，電力管理端則綜合蓄電、放電、用電等三 大管理。此外，本研究也建立簡易型立體層架進行設施矮莖葉菜類作物之立體化栽培，
並利用DC直流電LED (light-emitting diode)燈泡及LED光條提供葉菜類栽植之補光需 求。如何進一步開發利用綠能來提供設施使用以提升設施作物生產質量，甚至於從事
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作物特定(殊)功能性需求之加值化應用，並調節介質溫度與灌溉水量，非常值得深入 探究與開發，可據以擴大簡易設施栽培之產值與應用層面。如此，不僅將助益於設施 農業發展，更達成其節能、節水、減碳、降低生產成本及提高產值之多重目的。本計 畫研究重點在於有效利用現地再生資源並穩定電力支援與管理，以供應設施農業運轉 及提高電力使用效能。
三、材料與方法
本項計畫由行政院農業委員會農業試驗所(簡稱「農試所」)與行政法人中山科學 院(簡稱「中科院」)及其育成廠商(冠霆電通科技有限公司)進行合作研究，引進外部 研發能量參與設施農作生產栽培系統研發，又導入風光再生綠能於設施電力供應及發 展高電力儲能與供給效率關鍵技術，將可大幅提升設施農業生產效能。換言之，本計 畫擬使用現地的再生能源(風力及太陽能)，並利用儲能系統將不連續的再生能源儲存 且進一步應用在設施內部之基本電力系統模組(包括光照、介質降溫、滴灌及監測系 統等)。分為下列三項單元:
1. 「風光互補綠能電力支源及管理系統」，其中電力支援端將包含風、光綠能及市 電兩大供應來源，電力管理端將綜合蓄電、放電、用電等三大管理。
2. 利用簡易型立體層架之DC直流電LED光照系統，可提供葉菜類作物栽培之額外人 工光源，建立高生產力與低硝酸鹽之設施葉菜類最佳化栽培系統模組。
3. 建立影像監測及遠端數位傳輸作業平台，可監看設施內部微氣象資料及現地再生 能源(風力及太陽能等)供電量與環境監測等設備耗電量，以維持設施栽培正常運作。
四、結果與討論
運用微型風光互補發電與高效電池組蓄能供電，開發「拖曳式風光互補蓄能供電 車」及「貨櫃式風光互補儲能與供電系統」，可提高再生能源滲透率及發電儲能效果，
並整合風力、太陽能及市電等多供電模式。而電力輸出包含交流電 110V、220V 與直 流電 12V、24V 等多組電力輸出模式，能源轉換效率逾 90%(圖 1 及圖 2)。本項設備 設置於農業試驗所之試驗田區，「拖曳式風光互補蓄能供電車」之風力發電系統為每 小時 1,440W、太陽能為每小時 780W，合計每月發電量約 27 kWh，系統蓄電池容量 24 kWh；「貨櫃式風光互補儲能與供電系統」之風力與太陽能系統各為每小時 1,440W、
1,200W，每月發電量約 68.5 kWh，蓄電池容量 65 kWh。該再生能源供儲電力系統現 階段試驗乃應用在蔬菜立體化栽培，包括 LED 光照、滴灌及介質降溫等小型化直流 電設備，以降低能源轉換之電力損耗。此外，「拖曳式風光互補蓄能供電車」可拖曳 至不同場所，並將太陽光能及風力轉換為電能，以提高再生能源效率並達到節能減碳 目的，且可多元應用於大型活動或農、漁業甚至災難及救援需求等電力短缺現場，以 及其他電力不足或不易供應之偏遠農地使用。
圖
本計畫 葉菜類栽培 式(圖3)。
初步試驗結 光照強度增
圖2、拖曳式
畫開發適用 培之補光需 本計畫擬於 結果顯示，
增加而有明
圖1
式風光互補蓄
用於通用型葉 需求，並建立
於簡易設施 光照處理可 明顯的遞減趨
1、風光互補
蓄能供電車
葉菜類栽培 立高生產力與 施環境下利用
可降低青梗 趨勢(圖4)。
補儲能系統
車及貨櫃式風
培立體層架 與低硝酸鹽 用光照系統 梗白菜植體之
。
統架構
風光互補儲
架補光用DC直 鹽之設施葉菜 統降低如青梗
之硝酸鹽含
儲能與供電系
直流電LED 菜類最佳化 梗白菜之硝 含量，且硝酸
系統
D光條，提 化栽培系統 硝酸鹽含量 酸鹽含量會
提供 統模 量，
會隨
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圖3、通用型葉菜類栽培立體層架及光照系統