淺析綠色能源在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用_杜家樂(lè).pdf

第 56 卷 第 2 期Vol. 56 No. 2 2018 年 2 月February 2018農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程AGRICULTURAL EQUIPMENT 2. Shandong Academy Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China )Abstract This paper introduces the characteristics and application of various green energy in agricultural facilities and equipment, and provides several suggestions according to the problems during the application.Key words green energy; agricultural facilities and equipment; pollution; greenhouse gas emissions0 引言農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備采用化石能源作為動(dòng)力源，不但資源消耗巨大，而且排放廢氣、鉛、粉塵等有害物質(zhì)，極易污染作物及環(huán)境。采用綠色能源作為農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備的新動(dòng)力已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，利用形式主要集中在太陽(yáng)能、電能、生物質(zhì)能等方面。農(nóng)業(yè)裝備新能源的利用可以有效緩解全球的能源危機(jī)，減少環(huán)境污染和溫室氣體的排放。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開始研究綠色新能源在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用。太陽(yáng)能溫室設(shè)施、電動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換利用裝置是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的能源和環(huán)保問(wèn)題的有效途徑之一，是未來(lái)農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備的重要發(fā)展方向。1 太陽(yáng)能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用1.1 太陽(yáng)能的特點(diǎn)太陽(yáng)能是一種把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電（熱）能的綠色可再生能源，與其它常規(guī)能源相比，太陽(yáng)能有著諸多優(yōu)點(diǎn) :（1）儲(chǔ)量大：太陽(yáng)一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約12 046 596千億t，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的 10 000 倍。（2）存在普遍：太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)普遍存在，可就地取用，為常規(guī)能源缺乏的國(guó)家和地區(qū)提供了能源問(wèn)題解決方案。（3）利用清潔：太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。（4）經(jīng)濟(jì)性：太陽(yáng)能取之不盡，憑借目前的技術(shù)發(fā)展水平，太陽(yáng)能利用可能而且可行。1.2 太陽(yáng)能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的具體應(yīng)用（1）太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝備太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種方式。其中獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，主要用于無(wú)電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)生活供電。例如光伏和種植大棚結(jié)合，采用透光的薄膜太陽(yáng)能電池，農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的主要光源可以直接穿透，儲(chǔ)存熱量提高大棚溫度，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)起到積極的影響。另一方面，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以直接進(jìn)行低成本的發(fā)電，白天完成對(duì)蓄電池的充電，同時(shí)給水泵、換風(fēng)機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械供電，進(jìn)行抽（蓄）水和換風(fēng)作業(yè)，晚收稿日期 : 2018-01-05 修回日期 : 2018-01-1292 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2018 年間完成對(duì)蓄電池的逆變放電控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載供電，可以取得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互利共贏的局面。（2）太陽(yáng)能溫室設(shè)施太陽(yáng)能溫室是根據(jù)溫室效應(yīng)的原理加以建造的，就是利用太陽(yáng)的能量來(lái)提高塑料大棚內(nèi)或玻璃房?jī)?nèi)的室內(nèi)溫度，溫度升高后所發(fā)射的長(zhǎng)波輻射能阻擋熱量或很少有熱量透過(guò)玻璃或塑料薄膜散失到外界，然后采取密封、保溫等措施，這部分多余的熱量就可以儲(chǔ)存起來(lái)了。太陽(yáng)能溫室滿足了作物生長(zhǎng)對(duì)溫度的要求，所以人們往往把它稱之為人工暖房。太陽(yáng)能溫室對(duì)養(yǎng)殖業(yè)（包括家禽、家畜、水產(chǎn)等）同樣具有很重要的意義，它不僅能縮短生長(zhǎng)期，對(duì)提高繁殖率、降低死亡率都有明顯的效果。因此，太陽(yáng)能溫室已成為我國(guó)農(nóng)、牧、漁業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展不可缺少的技術(shù)裝備。 （3）太陽(yáng)能農(nóng)產(chǎn)品干燥設(shè)備干燥作業(yè)是農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中一個(gè)必要環(huán)節(jié)，且耗能巨大。利用太陽(yáng)能干燥農(nóng)產(chǎn)品，具有節(jié)省能源、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短干燥周期、保護(hù)環(huán)境、使用方便等優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能干燥主要可分為 3 種類型：溫室型太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)、集熱器型干燥系統(tǒng)、集熱器 + 溫室型太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)。我國(guó)的太陽(yáng)能干燥多數(shù)是采光面在 200 m2以下的中小型，尤其以小型居多，廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥作業(yè)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用在我國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域應(yīng)是偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū)，但能效小仍是阻礙太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵性問(wèn)題，今后應(yīng)是著力突破的研究重點(diǎn)。2 電能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用2.1 電能的特點(diǎn)電能輸送安全經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)使用方便清潔，應(yīng)用廣泛，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。電能還可以方便地轉(zhuǎn)換成各種能源，如熱能、風(fēng)能、勢(shì)能和動(dòng)能等。2.2 電能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的具體應(yīng)用（1）電動(dòng)拖拉機(jī)的研究及應(yīng)用從1912年德國(guó)西門子公司研制生產(chǎn)的世界上第一臺(tái)電動(dòng)拖拉機(jī)，距今已經(jīng)100多年的時(shí)間，受技術(shù)水平、國(guó)家能源政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多方面因素的制約，電動(dòng)拖拉機(jī)在各國(guó)均未得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì) 70 年代開始，電動(dòng)拖拉機(jī)主要依靠移動(dòng)式電源電動(dòng)力即電池供電，例如美國(guó) GE 公司研發(fā)成功了Elec-Trak系列電動(dòng)拖拉機(jī)，采用6 組鉛酸電池和永磁無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力，功率在5.9 11 kW 范圍內(nèi)。主要用于修剪草坪作業(yè)，還可以選配其他屬具，比如旋耕機(jī)、播種機(jī)等，此外還配有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，能產(chǎn)生 115 V 交流電用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他電動(dòng)工具。20世紀(jì)90年代以來(lái)，電動(dòng)拖拉機(jī)隨著電子電力技術(shù)、電池技術(shù)的飛速發(fā)展，開始向易操作、高可靠性和多功能方向發(fā)展。加拿大的ET公司研發(fā)生產(chǎn)的 Eletric Ox 電動(dòng)拖拉機(jī)，由 6 組深放電鉛酸電池供電，采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙電機(jī) / 齒輪箱機(jī)構(gòu)、電子差速器等先進(jìn)設(shè)備，具有制動(dòng)能量再生功能。該車質(zhì)量約345 kg，最高速度11.2 km/h，根據(jù)實(shí)際情況，一次充電可以割草半天，還可以用于清掃、耕地等作業(yè)。我國(guó)對(duì)于電動(dòng)拖拉機(jī)的研究起步較晚，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，特殊業(yè)態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)零排放、無(wú)污染、低噪音的綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)具的需求越來(lái)越迫切。2016 年 7 月國(guó)家科技部 “十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”立項(xiàng)支持山東時(shí)風(fēng)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院等單位聯(lián)合開發(fā)智能電動(dòng)拖拉機(jī)，重點(diǎn)解決滿足電動(dòng)拖拉機(jī)不同作業(yè)工況需求的電機(jī)外特性與作業(yè)負(fù)載的匹配規(guī)律、各耗能部件的能量消耗規(guī)律與耗散特性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開發(fā)電動(dòng)拖拉機(jī)能量管理系統(tǒng)和整機(jī)中央集成控制系統(tǒng)，研制拓展電機(jī)外特性的功率分匯流變速箱，集成創(chuàng)制18 kW 和 28 kW 智能電動(dòng)拖拉機(jī)，以不斷滿足綠色清潔農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。信息化和智能化技術(shù)、特別是電池技術(shù)的突破性進(jìn)展，使電動(dòng)拖拉機(jī)將來(lái)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用成為可能。（2）電動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備的研究與應(yīng)用國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)起步早，作業(yè)裝備齊全，生產(chǎn)比較規(guī)范。荷蘭、日本、韓國(guó)、美國(guó)和以色列等國(guó)家重視設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)具的開發(fā)和應(yīng)用，其產(chǎn)品涵蓋旋耕、犁耕、開溝、作畦、起壟、中耕、培土、鋪膜、打孔、播種、灌概和施肥等作業(yè)功能，大量采用機(jī)電一體化技術(shù)，并且向智能化、93第 56 卷第 2 期完全自動(dòng)化、節(jié)能及能源多元化方向發(fā)展。如美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家的小型耕耘機(jī)多以 2.28 kW 的汽油機(jī)為動(dòng)力，為減少對(duì)室內(nèi)的空氣污染，便研發(fā)了用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的小型自走式旋耕機(jī)。20 世紀(jì)90年代美國(guó)Gorilla Vehicles公司生產(chǎn)的e-ATV系列電動(dòng)拖拉機(jī)，由直接安裝在后橋上的直流牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要離合器，控制由智能控制器完成，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)動(dòng)力作業(yè)。我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，配套農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝備發(fā)展較慢，落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。設(shè)施栽培大多采用小型耕作機(jī)械，多配套 3.65.2 kW 柴油機(jī)或汽油機(jī)，生產(chǎn)效率低，作業(yè)質(zhì)量差。新能源農(nóng)業(yè)動(dòng)力和智能作業(yè)技術(shù)裝備研究非常匱乏，滯后于溫室的環(huán)境控制智能化的發(fā)展。特別是近幾年，我國(guó)蔬菜產(chǎn)量逐年增加，產(chǎn)量和產(chǎn)值均超過(guò)糧食，成為我國(guó)第一大農(nóng)產(chǎn)品。葉菜類蔬菜種植單體面積較小，大棚種植普遍，所以需要與之相匹配的小型蔬菜收獲機(jī)。目前我國(guó)葉菜類蔬菜收獲機(jī)械主要依靠進(jìn)口，進(jìn)口機(jī)械多數(shù)是大型機(jī)械，不能滿足我國(guó)蔬菜收獲要求。國(guó)內(nèi)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)在這方面做了諸多探索，所設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)葉菜類蔬菜收獲機(jī)是純電動(dòng)，可以根據(jù)工況調(diào)節(jié)相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，工作過(guò)程無(wú)污染，提高了工作效率。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無(wú)公害和綠色國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)的推廣和實(shí)施，為避免化學(xué)燃料排放的廢氣、鉛、粉塵等有害物質(zhì)污染作物及環(huán)境，采用新能源作為機(jī)械化作業(yè)的新動(dòng)力將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。3 生物質(zhì)能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用3.1 生物質(zhì)能的特點(diǎn)生物質(zhì)能就是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用，是唯一一種可再生的碳源，具有清潔低碳、替代優(yōu)勢(shì)、原料豐富等特點(diǎn)。3.2 生物質(zhì)能在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用一般意義上的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源利用是指對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物與廢棄物進(jìn)行無(wú)害化處理以及綜合利用，如農(nóng)作物秸稈、稻殼、尾菜、畜禽糞便等通過(guò)特定的農(nóng)業(yè)設(shè)施和裝備進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理和有效利用。（1）農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機(jī)化研究所生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用團(tuán)隊(duì)研發(fā)的柔性膜覆蓋車庫(kù)式厭氧干發(fā)酵成套裝備能夠滿足包括打捆秸稈在內(nèi)的多種有機(jī)原料厭氧發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了原料預(yù)處理與厭氧發(fā)酵一體化作業(yè)模式，加快了厭氧發(fā)酵啟動(dòng)速度，簡(jiǎn)化了原料預(yù)處理程序，產(chǎn)沼氣率高，大大提升了處理農(nóng)村有機(jī)廢棄物的能力。（2）山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院等單位以設(shè)施蔬菜秸稈工廠化集中處理利用關(guān)鍵技術(shù)為研究目標(biāo)，開展預(yù)處理粉碎及清塑除雜、工廠化槽式高效快速好氧發(fā)酵等關(guān)鍵技術(shù)裝備研究，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)設(shè)施蔬菜秸稈及畜禽糞便無(wú)害化處理肥料化利用成套技術(shù)裝備的空白，并在山東沃泰生物科技有限公司建立了年產(chǎn) 7.5 萬(wàn) t 設(shè)施蔬菜秸稈廢棄物工廠化處理有機(jī)肥制備成果轉(zhuǎn)化示范基地。當(dāng)前我國(guó)在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換利用方面還存在裝備技術(shù)含量低、研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入少、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)展不大等問(wèn)題，但隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策環(huán)境完善和技術(shù)水平提高以及更多有實(shí)力企業(yè)參與，生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和利用必將得到長(zhǎng)足發(fā)展。4 結(jié)束語(yǔ)“綠水青山就是金山銀山”，綠色能源技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化走向新時(shí)代，綠色能源在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備中的應(yīng)用將大有可為。參考文獻(xiàn)1 顧曉燕 . 太陽(yáng)能制冷及供暖綜合系統(tǒng)研究 D. 南京理工大學(xué) ,2005.2 高輝松 , 朱恩紅 , 呂寶占 . 電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù) J. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)械 ,2007(6):4-7.3 高輝松 . 電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 D. 南京 : 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) ,2008.4 袁明杰 . 電動(dòng)拖拉機(jī) J . 科學(xué)大眾 ,1955(9):348-350.5 東北農(nóng)學(xué)院農(nóng)機(jī)系汽車與拖拉機(jī)教研組 .“ 電牛 -33”“ 電牛 -55”電動(dòng)拖拉機(jī) J . 東北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào) ,1960(3):1-10.6 張瑞華 , 施俊俠 , 張日紅 . 小型綠葉類蔬菜收獲機(jī)的收獲方案及切割裝置設(shè)計(jì) J. 農(nóng)業(yè)科技與裝備 ,2015(10):11-14.作者簡(jiǎn)介 杜家樂(lè)（2000 ），男，濟(jì)南市歷城第一中學(xué)學(xué)生，主要從事綠色能源研究。E-mail：wxlcotton126.com通訊作者 焦偉（1970 ），男，工程技術(shù)應(yīng)用研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail：jw1907126.com杜家樂(lè) 等：淺析綠色能源在農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備上的應(yīng)用