西藏高原以風(fēng)光可再生能源驅(qū)動(dòng)植物工廠可行性研究.pdf

農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 綜合版 2020 年第 3 期 38 節(jié) 能 環(huán) 保 易變質(zhì)腐敗 亞硝酸鹽急劇升高 亞硝酸鹽具有致癌作用 進(jìn)入 人體后會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害 嚴(yán)重的可以引起中毒致人死亡 日常 食用較多的蔬菜 強(qiáng)烈建議杜絕食用長(zhǎng)途運(yùn)輸 擱置時(shí)間長(zhǎng) 腐 敗的蔬菜 隔夜菜 剩菜 腌制的咸菜 蔬菜應(yīng)具備新鮮 健康 美味 價(jià)優(yōu)四大特點(diǎn) 全球所需農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值在萬(wàn)億級(jí) 市場(chǎng)區(qū)域跨度大 深化設(shè) 計(jì)和規(guī)?；?yīng)鏈整合的種植方式將成為可能 技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)生 產(chǎn)方式進(jìn)步 隨著蔬菜種植方式改變 世界各地都將迎來(lái)一系列 農(nóng)業(yè)變革 例如城市中種植農(nóng)作物 建造城市農(nóng)場(chǎng) 從而實(shí)現(xiàn)本 土本地生產(chǎn) 本土本地消費(fèi) 人們自主決定吃什么蔬菜 并學(xué)會(huì) 種植這些蔬菜 例如建造房頂溫室 僅在戶外打造露天農(nóng)場(chǎng)是不夠的 要 進(jìn)一步開發(fā)城市空間 讓蔬菜在室內(nèi)生長(zhǎng) 生產(chǎn) 由于避免了傳 統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在的農(nóng)藥殘留 病蟲害 污染 低產(chǎn)等問題 從而使口 感和質(zhì)量100 可控 符合消費(fèi)者需求 同時(shí)提高空間的利用率 提高產(chǎn)值以及達(dá)到節(jié)約土地的目的 新一代工廠化 立體化 智 能化和工業(yè)化種植技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 2 市場(chǎng)展望 城市農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)使命就是讓城市能在食品生產(chǎn)方面自給自 足 我們開始審視立體種植這種模式 希望以辦公室為研究中心 研究大自然 尋求最佳生長(zhǎng)條件 滿足不同植物的需求 然后進(jìn) 行模擬設(shè)計(jì) 研究不同的光譜和營(yíng)養(yǎng)方案 以及白天可能發(fā)生變 化的不同環(huán)境等 通過技術(shù)手段創(chuàng)造許多不同的小氣候環(huán)境 培 育數(shù)千個(gè)不同的植物品種 通過這種模式生產(chǎn)出來(lái)的食物蔬菜具 有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值 并以口感作為植物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)需求訂制蔬菜 如果客戶需要蔬菜更甜一些 我們可 以用數(shù)學(xué)和模型來(lái)改變環(huán)境條件 下一次就能為客戶生產(chǎn)出更甜 的植物 不用任何農(nóng)藥 也不噴任何化學(xué)制劑 選用非轉(zhuǎn)基因種 子 生產(chǎn)出最干凈 最健康的食物 未來(lái)無(wú)土栽培和立體種植系統(tǒng)進(jìn)入超市將節(jié)省99 的能耗 包括但不限于運(yùn)輸 冷藏 物流等產(chǎn)生的能耗 還能解決當(dāng)前食 物體系所面臨的的嚴(yán)重浪費(fèi)問題 進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn) 推廣到所有 超市 酒店 餐館 辦公室甚至可能推廣到的每家每戶 建立城 市營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò) 隨著城市農(nóng)場(chǎng)的快速興起 城市居民和農(nóng)民的界限 將越來(lái)越模糊 未來(lái) 憑借先進(jìn)的通信技術(shù)和智能工具 人們可 以在自己家中種植新鮮 健康的蔬菜 實(shí)現(xiàn)全年供應(yīng)不斷 3 項(xiàng)目現(xiàn)狀 利用上層空間在城市中大力發(fā)展城市農(nóng)場(chǎng) 在種植集裝箱 工廠內(nèi)安裝傳感器 能夠?qū)κ覂?nèi)的亮度 濕度和空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè) 農(nóng)場(chǎng)就像真正的無(wú)菌實(shí)驗(yàn)室 里面的所有因素都會(huì)得到 精確的控制 所有的作物生長(zhǎng)不必?fù)?dān)心自然環(huán)境狀況 生長(zhǎng)周期 短于傳統(tǒng)露天生長(zhǎng)的農(nóng)作物 植物工廠里 蔬菜瓜果生長(zhǎng)在 集裝箱 里 只需一鍵啟動(dòng) 西藏高原以風(fēng)光可再生能源驅(qū)動(dòng)植物工廠可行性研究 吳怡然 西安交通大學(xué) 西安 710000 摘要 截至 2019 年 地球上有 77 億人口 需要在節(jié)約土地的 情況下規(guī)?；N植出更多的食物 與之匹配的綠色能源正引起全 人類的廣泛關(guān)注 該文以高原作為突破點(diǎn) 根據(jù)高原概況和社會(huì) 性食品衛(wèi)生 闡述無(wú)土栽培和立體種植的亮點(diǎn) 模式 帶動(dòng)光伏 發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電在立體種植中的實(shí)際運(yùn)用 希望打造可以循環(huán)持 續(xù)產(chǎn)出潔凈果蔬的植物工廠 以工業(yè)化技術(shù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展 關(guān)鍵詞 植物工廠 立體種植 無(wú)土栽培 太陽(yáng)能 光伏發(fā)電 CO 2 減排 垂直軸風(fēng)力發(fā)電 吳怡然 西藏高原以風(fēng)光可再生能源驅(qū)動(dòng)植物工廠可行性研究 J 農(nóng) 業(yè)工程技術(shù) 2019 40 08 38 41 西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部 北緯26 50 36 53 東經(jīng)78 25 99 06 之間 是中國(guó)西南邊陲重 要門戶和國(guó)防屏障 全區(qū)面積120 223萬(wàn)平方公里 平均海拔 4000 m以上 素有 世界屋脊 之稱 自治區(qū)設(shè)有拉薩 昌都 日喀則 林芝 山南 那曲6個(gè)地級(jí)市 1個(gè)阿里地區(qū) 常住人 口308萬(wàn)人 人口分布 日喀則70萬(wàn) 昌都65萬(wàn) 拉薩55萬(wàn) 那曲46萬(wàn) 山南32萬(wàn) 林芝19萬(wàn) 阿里9萬(wàn) 2019年12月23日 西藏已基本消除絕對(duì)貧困 全域?qū)崿F(xiàn)整體脫貧 西藏自治區(qū)空氣稀薄 氣壓低 含氧量少 平均空氣密度 為海平面空氣密度的60 70 含氧量比海平面少35 40 NASA 水平峰值日照時(shí)數(shù) h 拉薩5 450 昌都4 847 山 南5 408 日喀則5 733 那曲5 299 阿里5 559 林芝4 717 拉薩氣象站 春季全區(qū)平均風(fēng)速最大 為3 0 m s 夏 秋 冬 季依次為2 3 m s 2 1 m s 2 5 m s 氣溫低 積溫少 晝 夜溫差大 年均氣溫為 2 4 12 1 自東南向西北遞減 每年6月 7月最高 1月最低 日溫差15 以上 季節(jié)性降水 明顯 年降水量66 3 894 5 mm 東南向西北遞減 降水集中 在5 9月 占年降水量的80 95 大部分地區(qū)年大風(fēng)日數(shù)在 30天以上 西部和北部高達(dá)100 160天 干旱 洪澇 雪災(zāi) 霜凍 冰雹 雷電 大風(fēng) 沙塵暴等災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生 其中 冰雹居全國(guó)之首 氣候垂直變化大 自東南向西北依次為 熱帶 亞熱帶 高原溫帶 高原亞寒帶 高原寒帶 區(qū)域氣候變暖明顯 尤其是1991 2010年西藏增溫強(qiáng)烈 升溫率達(dá)0 79 10年 明顯高于全國(guó)其他區(qū)域 耕地面積343 14萬(wàn)畝 人均耕地1 41畝 分布零散 休耕時(shí)間長(zhǎng) 土質(zhì)較差 土壤肥力與水分流失嚴(yán)重 屬低產(chǎn)田 受自然條件和技術(shù)條件限制 全區(qū)均墾系數(shù)僅為0 2 一 高原立體化種植 1 項(xiàng)目背景 至2018年底 西藏全區(qū)累計(jì)公路通車?yán)锍?7785 km 大 部分生產(chǎn)生活物資需從其他地區(qū)進(jìn)入 特別是時(shí)鮮蔬菜 肉類 禽蛋等主要通過G214 G318 青藏鐵路 航空等運(yùn)入 中轉(zhuǎn)環(huán) 節(jié)較多 物價(jià)上浮較大 且途中時(shí)間較長(zhǎng) 特別是時(shí)鮮類蔬菜較 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 08 030 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 綜合版 2020 年第 3 期 39 節(jié) 能 環(huán) 保 系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)栽培 針對(duì)植物本身的最佳生長(zhǎng)需求進(jìn)行環(huán) 境模擬 大大提高蔬菜瓜果的生長(zhǎng)質(zhì)量和效率 通過發(fā)光二極管 以下簡(jiǎn)稱LED 控制光照時(shí)間 只用7 8 h就可以滿足植物 對(duì)光照的需求 在培養(yǎng)方面很有優(yōu)勢(shì) 而且還能縮短整個(gè)生長(zhǎng)周 期 發(fā)芽階段基本上只要白光就可以 發(fā)芽期過后 主要需要藍(lán) 光和紅光進(jìn)行光合作用 在自然光照條件下 光合作用能效通常 較低 而利用LED為每株作物提供所需紅光和藍(lán)光 能有效提 高光合作用效率 促進(jìn)作物生長(zhǎng) 確保每個(gè)月收獲兩次 傳統(tǒng)農(nóng) 場(chǎng)采收率為60 70 室內(nèi)收獲得益于先進(jìn)的技術(shù)手段 采收 率可達(dá)95 左右 每年總產(chǎn)量約81噸 二 太陽(yáng)能光伏 1 太陽(yáng)能概述 中國(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富 全國(guó)有2 3以上的地區(qū) 年 日照時(shí)數(shù)在2000 h以上 太陽(yáng)能既是一次性能源 又是可再生 能源 資源豐富 可免費(fèi)使用 無(wú)需運(yùn)輸 而且對(duì)環(huán)境沒有任何 污染 隨著工廠化 立體化模式發(fā)展 智能化和工業(yè)化種植所需 能源 如風(fēng)能 水能 海洋溫差能 波浪能 生物質(zhì)能 潮汐能 化石能等 廣義上都來(lái)源于太陽(yáng)能 狹義的太陽(yáng)能則僅限于太陽(yáng) 輻射能的光熱 光電和光化學(xué)能的直接轉(zhuǎn)換 2 太陽(yáng)能的三大優(yōu)點(diǎn) 太陽(yáng)能是人類可以利用的最豐富的能源 可以說 取之不盡 用之不絕 無(wú)論何處都有太陽(yáng)能 可以就地開發(fā)利用 不存在運(yùn)輸問題 尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村 海島及邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用價(jià)值 太陽(yáng)能是一種清潔能源 在開發(fā)和利用時(shí)不產(chǎn)生 三廢 即廢氣 廢水 廢渣 沒有噪聲 更不會(huì)影響生態(tài) 3 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的三個(gè)步驟 太陽(yáng)能電池吸收一定能量的光子后 半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子 空穴對(duì) 稱之為 光生載流子 兩者的電極性相反 電子帶負(fù) 電 空穴帶正電 電極性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分 離開 光生載流電子和空穴分別被太陽(yáng)能電池的正極 負(fù)極收集 并在外電路上產(chǎn)生電流 從而獲得電能 4 光伏計(jì)算 1 發(fā)電量 光伏系統(tǒng)單位功率每年輸出的能量通常按照下面的公式來(lái) 計(jì)算 Eout Ht P0 PR Eout 單位功率光伏系統(tǒng)每年輸出的能量 kWh Ht 全年峰值日照時(shí)數(shù) P0 光伏系統(tǒng)額定功率 kW PR 系統(tǒng)綜合效率 每生產(chǎn)1千瓦多晶硅光伏系統(tǒng)消耗的電能是2525 kWh 1 以拉薩為例 緯度20 94 最佳傾角30 最佳傾角安裝時(shí) 每平方米每天的發(fā)電量約為5 8634 kWh m 2 d 能量?jī)斶€時(shí)間 1 57年 垂直安裝發(fā)電量為3 6935 kWh m 2 d 能量?jī)斶€時(shí)間 2 5年 2 CO 2 減排量 中國(guó)CO 2 排放指數(shù)EI為0 814 kg kWh 光伏減排CO 2 潛力按照下面的公式來(lái)計(jì)算 PM Ht P0 PR N EI N 壽命周期年數(shù) EI CO 2 排放指數(shù) 光伏減排CO 2 潛力修正為PM Ht P0 PR 2525 EI 1 拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)的減排CO 2 潛力最大 按照方陣最佳傾 角安裝和垂直安裝的光伏系統(tǒng) 在其壽命周期內(nèi) 每安裝1 kW 光伏系統(tǒng) 可以分別減少CO 2 排放量37 15噸和22 64噸 垂 直與最佳傾角安裝的光伏系統(tǒng)發(fā)電量之比為63 三 垂直軸風(fēng)力發(fā)電 1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成 垂直軸風(fēng)力發(fā)電采用空氣動(dòng)力學(xué)原理 葉片選用了飛機(jī)翼 形形狀 在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí) 不會(huì)受到因變形而改變效率 有4 5個(gè) 垂直槳葉 由4角形或5角形形狀的輪轂固定 連接葉片的連桿 組成風(fēng)輪 由風(fēng)輪帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電 送往控制器進(jìn)行控 制 輸配負(fù)載所用的電能 垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī) 控制器 逆變器 垂 直漿葉組成 其特點(diǎn)顯著表現(xiàn)為 占地少 噪音低 使用壽命長(zhǎng) 啟動(dòng)風(fēng)速小 渦輪型僅2 5 m s 成本低 安裝方便 適用于 高速公路 農(nóng)村 家庭住宅 公寓大廈 工廠 度假村 賓館 偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電人口改造 新農(nóng)村建設(shè) 小區(qū)新能源 游船 漁船 城市中心區(qū)域公共照明 通信機(jī)站 2 垂直軸風(fēng)機(jī)與水平軸風(fēng)機(jī) 垂直軸風(fēng)機(jī)與水平軸風(fēng)機(jī)對(duì)比參數(shù)情況如表1所示 3 垂直軸主流規(guī)格技術(shù)參數(shù) 垂直軸風(fēng)機(jī)主流規(guī)格技術(shù)參數(shù)如表2所示 表 1 垂直與水平軸風(fēng)機(jī)對(duì)照表 項(xiàng)目 垂直軸 水平軸 風(fēng)洞實(shí)測(cè)最大利用率 40 29 起動(dòng)風(fēng)速 m s 2 5 結(jié)構(gòu) 發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪的下部或地面 安裝運(yùn)維方便 發(fā)電機(jī)置于幾十米的高空 安裝運(yùn)維不便 環(huán)保 尖速比1 5 2 靜音效果 環(huán)保 污染對(duì)氣動(dòng)性 無(wú)影響 尖速比5 7 噪音大 影響生態(tài) 污染對(duì)氣動(dòng) 性影響大 成本 結(jié)構(gòu)使得運(yùn)營(yíng)期 無(wú)須登高 吊裝維護(hù) 運(yùn)營(yíng) 成本低 系統(tǒng)效率降低發(fā)電成本和上網(wǎng)電價(jià)縮 短投資回收期 電能質(zhì)量較好 結(jié)構(gòu)使得運(yùn)營(yíng)期 需登高 吊裝維護(hù) 安全風(fēng) 險(xiǎn)高 運(yùn)營(yíng)成本較高 系統(tǒng)效率延長(zhǎng)投資回收 期 電能質(zhì)量一般 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 綜合版 2020 年第 3 期 40 節(jié) 能 環(huán) 保 四 植物工廠與新能源的使用 1 植物工廠模塊化 典型的集裝箱式綠色立體種植規(guī)?？纱罂尚?可利用廢棄 的廠房 地下空間 人防設(shè)施 可以放置在高原 沙漠 海島 城市 農(nóng)田 公園 地鐵的任何地方 植物工廠能極大地提高 單位土地的利用率 通過立體式排布可在1 m 2 的土地上實(shí)現(xiàn)與 120 m 2 農(nóng)田相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量 用水量卻僅為普通農(nóng)業(yè)的1 并且完 全無(wú)污染排放 高原新能源集裝箱式綠色立體種植系統(tǒng)配置有多 個(gè)子系統(tǒng) 1 環(huán)境控制系統(tǒng) 以空調(diào)系統(tǒng)為主體 并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)新風(fēng) CO 2 溫濕度 2 栽培系統(tǒng) 包括栽培架和栽培槽 栽培架可采用鋁型材 不銹鋼等材料 栽培槽可為塑料或PVC材料 3 營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng) 營(yíng)養(yǎng)液配比系統(tǒng) 根據(jù)光配方影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素選 擇性吸收的研究結(jié)果 提出一套營(yíng)養(yǎng)液精良自動(dòng)配比方案 開發(fā) 了可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)液元素如氮 磷 鉀 鎂 鈣 鐵 硼 錳 鋅 銅 鉬 硒等實(shí)現(xiàn)精量控制的營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng) 該系統(tǒng)可控制無(wú)土 栽培作物品質(zhì) 為功能性作物的生產(chǎn)提供可能 營(yíng)養(yǎng)液配比系統(tǒng) 由微量進(jìn)入蠕動(dòng)泵 PLC控制器 水泵等組成 實(shí)現(xiàn)精量控制植 物工廠營(yíng)養(yǎng)液各元素組分的量及其比例 營(yíng)養(yǎng)液供給系統(tǒng) 由循環(huán)水泵 電磁閥 管道等組成 按 要求實(shí)現(xiàn)植物淺液流栽培的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)設(shè)定 4 升降式營(yíng)養(yǎng)液栽培槽 水培槽采用活動(dòng)框式的栽培層升降設(shè)計(jì) 既保證了栽培介 質(zhì)中均勻 充足的水分或營(yíng)養(yǎng)液 也保證了根部對(duì)氧氣的需求及 根伸長(zhǎng)所需的空間 此裝置可應(yīng)用于育苗 避免了育苗期頻繁的 人工噴灑 提高了育苗效率及質(zhì)量 也可應(yīng)用于成苗定植 種植 層高度可根據(jù)植株長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié) 但成本相對(duì)較高 5 光源系統(tǒng) 光源系統(tǒng)的組成有以下幾種 平板式光質(zhì) 光強(qiáng) 光周期不可調(diào)式LED燈 光質(zhì) 光強(qiáng) 交替周期可手動(dòng) 智能控制的LED燈板 根 據(jù)需求制定 表 2 垂直軸風(fēng)機(jī)主流規(guī)格技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 類型 風(fēng)力發(fā)電機(jī) kW h 10 15 20 輪機(jī)容量范圍 kW h 0 12 0 17 0 22 標(biāo)稱容量風(fēng)速 m s 9 10 11 7 13 轉(zhuǎn)子表面 m 40 40 40 機(jī)翼寬度 mm 400 400 400 塔的高度 m小于 10 10 3 10 3 發(fā)電機(jī) kW 1 10 1 15 1 20 逆變器 kW 3 3 3 5 3 7 啟動(dòng)風(fēng)速 m s 2 5 發(fā)電機(jī)效率 98 最大風(fēng)能利用率 45 使用壽命 年 20 傳統(tǒng)阻力型最大風(fēng)能利用率僅25 實(shí)驗(yàn)中的智能可變LED光源系統(tǒng) 該LED光源以DMX512 協(xié)議為基礎(chǔ) 應(yīng)用PLC控制不同植物各生育階段的需光特性 通 過PC終端設(shè)定LED燈板 實(shí)現(xiàn)光源光質(zhì)在可見光 紅外光 紫 外光的變換 以及發(fā)光強(qiáng)度在0 300 mol m 2 s 由燈板電功 率決定 范圍的自動(dòng)調(diào)節(jié) 該LED燈可運(yùn)用于規(guī)?；纳a(chǎn)型植 物工廠中 充分發(fā)揮各種光質(zhì)在植物不同生育階段的作用 智能LED燈板 新型智能LED燈板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 操作方便 運(yùn)用單色光調(diào)光器和微電腦時(shí)控開關(guān)結(jié)合進(jìn)行光配方設(shè)置 可設(shè) 定單色光質(zhì)在一個(gè)光配方中的光強(qiáng)度以及開閉頻率 實(shí)現(xiàn)單色光 質(zhì)PPF值 光合有效輻射單位 的連續(xù)變化 及最大頻率為0 5 次 min的混合光質(zhì)交替設(shè)置 同時(shí) 內(nèi)置電力監(jiān)測(cè)儀 為電能 利用率的核算提供了更好的便捷性和準(zhǔn)確度 6 總控系統(tǒng) 總控系統(tǒng)使用人機(jī)交互觸摸屏作為上位機(jī) 采用用戶自設(shè) 定方式 根據(jù)人工設(shè)定的參數(shù) 既定策略 達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液的分層循 環(huán) 定時(shí)更新 自動(dòng)控制作物光照時(shí)長(zhǎng) 總控系統(tǒng)由營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng) 循環(huán)子系統(tǒng)和LED燈光控制子系統(tǒng)構(gòu)成 各子系統(tǒng)之間彼此獨(dú) 立 并共享同一上位機(jī) 通過畫面調(diào)用接口實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)子系統(tǒng) 的工況 控制參數(shù)可設(shè)置營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)參數(shù)和LED燈板控制參數(shù) 手 動(dòng)模式下可以通過屏幕按鈕自由操作各個(gè)開關(guān) 包括電磁閥 水 泵和LED燈 自動(dòng)模式下 利用用戶自設(shè)定方式 將控制參數(shù) 嵌入到既定的控制決策中 當(dāng)上位機(jī)發(fā)出控制指令時(shí) 控制器開 關(guān)量輸出端口閉合 中間繼電器常開觸點(diǎn)得電吸合 驅(qū)動(dòng)電磁閥 控制執(zhí)行器的開關(guān) 同時(shí)按需求完成營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)循環(huán)和作物光照 時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)控制 7 監(jiān)控系統(tǒng) 實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況 系統(tǒng)時(shí)間和畫面調(diào)用接口 視頻監(jiān)控植物生長(zhǎng)狀況 通過智能AI算法實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的精細(xì)化 生長(zhǎng)控制 提供調(diào)用接口可擴(kuò)展視頻溯源 流媒體直播推廣 8 光伏植物工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng) 電能是常見植物工廠系統(tǒng)中唯一的動(dòng)力能源 耗電量大是 限制植物工廠發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的主要因素之一 研究表明 光 源是人工光型植物工廠的主要耗能設(shè)備 占整個(gè)植物工廠耗能的 60 以上 因此 從降低植物工廠運(yùn)行成本的角度出發(fā) 將太陽(yáng) 能光伏發(fā)電系統(tǒng)與植物工廠相結(jié)合 可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能后為 植物工廠的運(yùn)行提供能源 2 新能源與植物工廠的組合方式 1 離網(wǎng)型 用電負(fù)載遠(yuǎn)離電網(wǎng)時(shí) 使用太陽(yáng)板的電能 通過控逆一體機(jī) 在儲(chǔ)存電能到蓄電池內(nèi)的同時(shí) 將直流電逆變成負(fù)載所需的交流 電能 該模式由太陽(yáng)能電池組件 控逆一體機(jī) 蓄電池組等組成 種植的集裝箱整體負(fù)荷約為10 kW 8 h為滿負(fù)荷 其他時(shí)間為 滿負(fù)荷的1 3 1 4耗能 最大為133 kWh 太陽(yáng)能電池板一天至少需要發(fā)的電量為133 0 8 166 kWh 才能達(dá)到平衡 根據(jù)能量守恒定律 鉛酸蓄電池放電深度為電池 滿容量時(shí)的80 另外由于在蓄電池充電的后期對(duì)電池的充電處 于浮充狀態(tài) 所以應(yīng)留有10 的電池余量以更好的利用太陽(yáng)能 電池發(fā)出來(lái)的電 所以 C Q2 d U 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 綜合版 2020 年第 3 期 41 節(jié) 能 環(huán) 保 中 小城市 商業(yè)區(qū)附近建設(shè) 解決當(dāng)?shù)赜秒娦枨?減小環(huán)保壓力 拉薩年平均風(fēng)力為 3 0 2 3 2 1 2 5 4 2 475 m s 年 日照時(shí)數(shù)2140 h 適宜采用分布式風(fēng)光互補(bǔ)模式為種植集裝箱 提供能量 選擇風(fēng)機(jī)容量應(yīng)是負(fù)載需求量的2 3倍 不同地點(diǎn)和不同高度的風(fēng)速計(jì)算 風(fēng)速隨高度變化 受 地面平坦度以及風(fēng)通道上的氣溫變化 風(fēng)速計(jì)算通常采用指數(shù) 公式 式中v 距離地面高度h處的風(fēng)速 m s v1 高度為h1處的風(fēng)速 m s 風(fēng)切變指數(shù) 取值1 2 1 8 風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算采取以下公式 風(fēng)力日發(fā)電量E E1 E2 Vm Vi v E1 PNhi vi VH Vi vm vh E2 PN hi vi vH v E 當(dāng)月發(fā)電量 kWh E1 E2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速段的發(fā)電量 kWh v 當(dāng)時(shí)風(fēng)速 m s Vm 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速 m s vi 風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速 m s PN 風(fēng)機(jī)額定功率 hi 該月中與vi相對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù) 集裝箱日耗電能最大為133 kWh 如按前述光伏滿足 10 kW負(fù)荷8 h 天工作所需電能為80 kWh 那么組件數(shù) 量n 10 10 2 Wp 370 Wp 0 81 33 36片 取34片 日 發(fā)電 34 370 8 0 81 1000 81 52 kWh 余133 81 52 51 48 kWh 即負(fù)荷為51 48 kWh 16 h 3 2175 kW 風(fēng) 力容量 3 2175 kW 2 5 0 98 8 21 kW 風(fēng)機(jī)降容處理 1 29 8 21 10 59 取整需5 KW風(fēng)機(jī)2臺(tái) 五 結(jié)論 未來(lái)將以獨(dú)立微網(wǎng)的風(fēng)光可再生清潔能源 驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化植 物工廠生產(chǎn)清潔農(nóng)作物 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久循環(huán)的綠色生態(tài)種植 密閉工 廠化農(nóng)場(chǎng)無(wú)需擔(dān)心環(huán)境氣候變化 在栽培艙里可以避免外界干擾 輕松實(shí)現(xiàn) 風(fēng)調(diào)雨順 未來(lái)幾乎可以在任何地方種植蔬菜水果 包括沙漠 酷熱的東南亞地區(qū) 海島 施工工地 極地等環(huán)境惡 劣的地區(qū) 立體種植可以避免農(nóng)產(chǎn)品的長(zhǎng)途運(yùn)輸問題 而且產(chǎn)量 高 是常規(guī)理想環(huán)境田間種植的6 14倍 而且具備標(biāo)準(zhǔn)模塊化 新能源供電 規(guī)?；瘮U(kuò)展 自動(dòng)化運(yùn)行的特點(diǎn) 植物工廠可栽培 的作物目前有180多種 基本滿足日常果蔬所需 因?yàn)槌浞掷?立體空間降低土地成本 亦可將其稱為低碳足跡系統(tǒng) 對(duì)于種植 系統(tǒng)的能源需求可通過對(duì)應(yīng)光譜的耐用LED 智能控制 光伏 風(fēng)能系統(tǒng)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn) 我們追尋的方向是在自然家園中打造可以循 環(huán)持續(xù)產(chǎn)出的潔凈果蔬 以工業(yè)化技術(shù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展 參考文獻(xiàn) 1 楊金煥 于化叢 葛 亮 太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù) M 北京 電子工業(yè)出版社 2009 2 周志敏 紀(jì)愛華 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例 M 北京 電子工業(yè)出版社 2010 式中C為電池容量 單位為A H U為系統(tǒng)電壓 單位為V 電池可放電量 一般可取70 80 d為后備天數(shù) 電池的 可放電系數(shù)取0 8 單體電壓取12 V C 166000 12 0 76 18201A H 取總?cè)萘繛?8000 A H 單體200 A H 12 V 90個(gè) 10串9并組成120V電池組 以拉薩地區(qū)為例 峰值日照時(shí)數(shù)5 53 h 要求電池用完后 在晴天情況下10天內(nèi)電池容量處于90 以上的狀態(tài) 則每天電 池板用于充電池的余量為Q3 133000 10 13300 W H 電池 板每天要發(fā)的電為Q3 Q2 13300 166000 179300 W H 所 以電池板使用JKM370M 72 功率P3 179300 5 53 32423 15 W 5片1串18并 取90片 控制器選擇 由于太陽(yáng)能系統(tǒng)已選定為120 V系統(tǒng) 考慮雪域高原平均海拔4000 m以上 則最大發(fā)電電流 I max 90 370 120 1 29 358 A 所以選用額定功率為200 A 120 V的太陽(yáng)能控制器2臺(tái) 逆變器選擇 總負(fù)載的功率為10 kW 逆變器出 力系數(shù)取0 75 計(jì)算功率為13 kW 高原降容后功率為 13 33 1 29 17 2 kW 所以選用20 kW 120 V純正弦波輸 出逆變器 該模式構(gòu)成中因蓄電池和電池組件成本較高 無(wú)相應(yīng)政策 支持時(shí)一般不采用 2 掛網(wǎng)型 綠色種植工廠可接入電網(wǎng) 但當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電能質(zhì)量較差 可 光伏0 4 kV掛網(wǎng) 不帶儲(chǔ)能 不能脫網(wǎng) 自發(fā)自用 用電維持 負(fù)荷大小足以消納光伏發(fā)出的電力 其組成僅為 光伏組串 并 網(wǎng)逆變器 配電雙向計(jì)量裝置 遠(yuǎn)程監(jiān)控 可選 無(wú)蓄電池相 關(guān)費(fèi)用 系統(tǒng)效率0 81 單個(gè)集裝箱光伏為2個(gè)組串 采用32塊 16 串2并 370 W組件 其出力為32 370 0 81 9 59 kW 配置10 kW并網(wǎng)逆變器 水平安裝峰值日照時(shí)數(shù)5 53 h 日 發(fā)電53 kWh 最佳傾角30 安裝時(shí)日照時(shí)數(shù)5 8634 h 日 發(fā)電56 kWh 10 kW負(fù)荷 8 h所需電能為80 kWh 掛網(wǎng)型 配置的日發(fā)電量為滿負(fù)荷時(shí)間內(nèi)的70 56 80 即集裝箱滿 負(fù)荷工作時(shí)可以全部消納 在陰雨天或夜晚 太陽(yáng)電池組件沒有 產(chǎn)生電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)自動(dòng)切換至電網(wǎng)供 電 下網(wǎng)電能需與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)算 因此需辦理當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)手續(xù) 2 結(jié)合拉薩地區(qū)光伏系統(tǒng)從CO 2 減排結(jié)論 安裝11 84 kW 的光伏系統(tǒng) 在其壽命期 25年 內(nèi)將減少CO 2 排放量 37 15 11 84 440噸 3 分布式太陽(yáng)能 風(fēng)能互補(bǔ) 分布式太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)由垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏 發(fā)電系統(tǒng)組成 主設(shè)備包括垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 太陽(yáng)能電池組件 太陽(yáng)能方陣支架 直流匯流箱 直流配電柜 并網(wǎng)逆變器 交流 配電柜等設(shè)備 配套供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置 在夜間 和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí) 由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換輸出電能 有太 陽(yáng)輻射時(shí)由光伏系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換輸出電能 既有風(fēng)又有太陽(yáng)的 情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用轉(zhuǎn)換輸出電能 經(jīng)匯流箱集中送入直流 配電柜 由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給負(fù)載 多余上網(wǎng) 不足 下網(wǎng) 自動(dòng)無(wú)縫 無(wú)斷點(diǎn)調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)全天候的發(fā)電 供電功能 比單用風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能更經(jīng)濟(jì) 實(shí)用 可在農(nóng)村 牧區(qū) 山區(qū)及大