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零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚的设计研究

作者:未知

  [摘 要]为了解决传统农业大棚面临的诸多问题,本团队将光电产业、光热产业、立体农业和生态农业与传统农业大棚相结合,提出“光电,光热产生能量供给大棚使用,使产生的能源大于作物生产中所消耗的能源,从而实现‘零能耗’”的观点。
  [关键词]太阳能;光伏发电;温室大棚;设计研究
  [中图分类号]S625 [文献标识码]A
  1 设计背景
  2013年12月23日至24日,在北京举行的中央农村工作会议中提出要坚守18亿亩耕地红线,也明确指出农业发展面临着粮食需求迅速增长、生产成本居高不下、产量提升空间日益收窄、耕地利用粗放的问题。
  本设计团队响应武汉市团委号召,积极参与到“新青年下乡”活动,在本团队武汉市蔡甸区练武村进行下乡活动的过程中,发现许多贫困地区依旧使用传统农耕进行果蔬的种植,而这样传统的农耕方式存在低效、土地资源不能有效利用等诸多缺点。如何改善传统农耕方式成为了本团队考虑的问题。
  2 传统农业大棚存在的问题
  传统农业大棚种类颇多,如塑料温室、玻璃温室、日光温室、塑料大棚等,经本团队的走访调研,武汉市蔡甸区练武村的传统农业大棚的使用主要以塑料大棚为主,其存在的缺点主要如下:
  (1)使用寿命较短。传统农业大棚表面覆盖的塑料薄膜往往面积大,抗压能力弱,在大风、积雪天气极易撕裂和坍塌,一般一至两年后就老化破裂,使用周期短,其回收率又不足20%,增加了维护成本,并因为更换废弃塑料薄膜,产生了大量的“白色污染”。
  (2)大棚内作物生长环境不理想。传统农业大棚土地占用面积大,有效利用率却不高。夏天棚内温度过高,冬季又存在保温性能差的问题,无法满足作物适宜的温度环境,另外,传统的农业大棚还存在光照不足的情况,为了提供足够的光照环境,需要在大棚内使用LED照明灯,而这些设备大量消耗能源,不符合节能环保要求。
  (3)有机废物不能有效利用。通常牲畜圈养区与农业大棚距离较远,牲畜产生的粪便无法高效、及时地转换为肥料供给给农作物,并且,农业大棚内的废弃作物不能及时处理,存在有机废物不能有效利用的问题。
  针对传统温室大棚存在的各种缺陷,本团队将光电产业、光热产业、立体农业和生态农业与传统农业大棚相结合,光电、光热产生能量供给大棚使用,解决了传统农业大棚内设备耗能的问题,并实现“零能耗”设想,创造“零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚”的环保新概念。
  3 设计研究与分析
  3.1 基本设计思路
  开发“零能耗光电光热耦合立体农业大棚”,以一定比例进行蔬菜种植与牲畜养殖。次等的蔬菜喂鸡,鸡的粪便在沼气池中发酵产生电供建筑使用,同时剩下的沼渣可用于农作物的肥料,使废料得到了循环利用,实现生态农业。
  通过太阳能、光伏板和风力发电装置将太阳光转换为直流电能,并使用控制器对蓄电池进行充放电控制。转换的直流电直接用于大棚内各设备的用电。夏季白天光照充足时,可将多余的能量转化储存,而夜晚及阴天等光线不足时,将能量释放出来。对于冬季大棚内存在保温性能差的问题,本团队通过集热管产生热水,用于冬季大棚室内温度的控制。
  并且关于光伏、风力发电应用于农业大棚,在解决棚内设备用电的同时,还可将多余的能源输送至国家电网,从而获取国家相关政策发放的光伏发电量补贴。
  3.2 大棚结构形式
  大棚主要框架结构由钢管焊接而成,用钢筋材料将大棚分为上下两个空间,面积均为15(m)×40(m),上层层高3m主要用于牲畜的养殖,下层层高2.5m主要用于农作物的种植。大棚顶部屋面形式采用人字形,除设置的4个天窗井外的位置,光伏组件连续排布于屋面,光伏组件取代原有的塑料薄膜,在发电的同时,减少了“白色污染”。光伏系统除了为常规设备给予基本的提电外,与此同时还可以为LED提供补光电力、驱虫杀虫设施提供能量。
  大棚上下两层各面除4个天窗井、大棚四周的侧窗,均采用双玻组件进行铺设以增强透光性外,也均采用光伏板进行连续排布,以增强发电效率。双玻组件具有很好的分光性,可透过 400~800nm 可见光,对紫外线和红外线能起到有效的阻止作用,白天能阻止紫外线对植物伤害避免过多热量进入温室,晚上同样能阻止室内红外热量向外辐射,起到很好的保温隔热作用。
  3.3 电脑绘图与实物模型
  4 总结
  该零能耗光电光热耦合立体农业大棚的设计相较于传统大棚来说,具有更节能,土地利用效率更高,更加安全可靠,利用率较高等优点。设计中将每个环节产生的废物进行再利用,充分利用其中的能量,在大棚内构成一个生态循环,为农户节省许多成本,对环境的伤害也较小。另外在合适的设计比例下,不仅可以实现零能耗,而且在光照充足的条件下可以并网发电。如果发电效益可观,还可以引入现有光伏补贴厂家进行初始投资,共同收益。对于农户而言,不仅可以得到农产品收入,还能得到发电收益,并且获得初投资,能顺利实现脱贫致富的目标。
  [参考文献]
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