太陽能技術在我國西北地區(qū)智能化溫室大棚中的應用.pdf

農(nóng)家參謀科技研究 152 NONG JIA CAN MOU 太陽能技術在我國西北地區(qū)智能化溫室大棚中的應用 張世亮 戚桓瑜 顏魯薪 武威職業(yè)學院 甘肅武威 733000 摘 要 本文從我國西北地區(qū)智能化溫室大棚發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā) 結(jié)合 太陽能技術應用特點 總結(jié)闡述了在智能溫室大棚中集成應用太陽能光伏 和光熱技術的實現(xiàn)方式 分析了存在的問題和發(fā)展趨勢 提出促進綠色農(nóng) 業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的建議與對策 關鍵詞 智能溫室 太陽能技術 綠色農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展 西北地區(qū) 目前 我國西北地區(qū)越冬農(nóng)作物和反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)幾乎全部依靠 溫室大棚 而傳統(tǒng)的溫室大棚主要依靠人工進行種植 對水 電 煤等資 源需求多 不符合綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求 也不能滿足大規(guī)模 高效 率 高標準的農(nóng)作物生產(chǎn)需求 2017年2月中共中央 國務院發(fā)布 關 于深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構性改革 加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動能的若干 意見 要求促進農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展由過度依賴資源消耗 主要滿足量的需求 向追求綠色生態(tài)可持續(xù) 更加注重滿足質(zhì)的需求轉(zhuǎn)變 近年來智能化溫室 大棚得到快速發(fā)展和應用 通過利用計算機 傳感器技術對生產(chǎn)環(huán)境進行 監(jiān)測 從而對生產(chǎn)過程進行控制的同時 大大降低了人工干預的不確定性 提高了農(nóng)作物種植標準 太陽能作為一種分布廣泛的清潔能源 可以廣泛 用于對智能溫室大棚供熱 供電 顯著降低非規(guī)?；ㄔO的智能化溫室能 源消耗 大大推動了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平 提高了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力 1 我國太陽能資源與應用現(xiàn)狀 中國的國土總面積達960萬平方公里 擁有十分豐富的太陽能資源 根據(jù)中國氣象局風能太陽能資源中心發(fā)布的2019年 中國風能太陽能資 源年景公報 數(shù)據(jù)顯示 2019年全國陸地表面平均年水平面總輻照量為 1470 5kWh m 2 其中西北大部地區(qū)年水平面總輻照量遠高于全國平均水平 屬于國內(nèi)太陽能資源最豐富的 類地區(qū) 表 1 表 1 2019 年我國陸地表面區(qū)域水平面輻照總量分布情況 1 區(qū)域類型 最豐富 區(qū) 豐富區(qū) 較豐富區(qū) 一般區(qū) 年度總輻 照量 1750kWh m 2 1400 1750kWh m 2 1050 1400kWh m 2 1050kWh m 2 區(qū)域范圍 甘肅西部 內(nèi)蒙古西部 青海北部 西藏中西部 等地 新疆大部 內(nèi) 蒙古大部 甘 肅大部 寧夏 青海東部 西 藏東部等地 東北大部 華 北南部 黃淮 江淮 江漢 江南及華南大 部等地 重慶 貴州中 東部 湖南西 北部 湖南西 南部等地 數(shù)據(jù)來源 2019 年 中國風能太陽能資源年景公報 根據(jù)不完全統(tǒng)計 2018年我國溫室大中棚面積約為370萬公頃 溫 室大棚面積約為128 1萬公頃 較2017年分別增長了10 45 和6 31 是目前全球該類設施擁有量最多的國家 2 但由于西北地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水 平和農(nóng)戶經(jīng)濟能力所限 溫室設施不全 結(jié)構比較簡陋 智能化程度不高 對太陽能的應用多數(shù)停留在利用太陽輻照實現(xiàn)補暖加溫 部分經(jīng)過智能化 改造或新建的智能溫室大棚絕大部分采用太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)線路實現(xiàn) 日?？刂乒芾砉╇?利用率并不高 2 智能化溫室大棚綜合利用太陽能技術的主要形式 除通過光照的形式直接吸收太陽能外 智能溫室大棚利用太陽能的 主要形式有兩種 一是通過太陽能光伏發(fā)電后對對電能進行儲存 實現(xiàn)對 智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測 通風 卷簾 澆水 照明等日常工作進行供電 二是利用太陽能集熱管等裝置作為吸熱儲能裝置直接吸收太陽能作為熱 能加以儲存 并通過內(nèi)循環(huán)對溫室實現(xiàn)溫度控制 2 1 智能溫室太陽能光伏供電技術 智能化溫室大棚用電是其能源消耗的重點 隨著目前能源價格攀升 和大力推進節(jié)能減排 利用太陽能光伏發(fā)電技術在智能控制溫室大棚的集 成應用得到很大發(fā)展 其中 最常見的做法是利用獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)為 溫室大棚智能控制系統(tǒng)供電 其組成結(jié)構通常包括太陽能光伏電池組件 控制器 逆變器 蓄電池 直流和交流負載以及配電柜等 圖 1 利用 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以不受時間和空間的限制 為一個或多個獨立的溫 室大棚供電 同時在陰雨天氣利用蓄電池供電 逆變器的作用是將太陽能 電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給負載使用 控制器可以防止對蓄電池過充 電和對負載過放電 3 圖 1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構示意圖 2 1 1 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝設計 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是將光伏板安裝在溫室大棚屋面或側(cè)立面 上 采用相對獨立的構件支撐 以保證合理的太陽入射角度 對一些日照 要求高的農(nóng)作物 為了避免光伏板遮擋導致部分光照損失 也可以將光伏 板安裝在溫室北側(cè)的空地上 4 以保障棚內(nèi)農(nóng)作物有充足的日照 圖 2 通常 在安裝時要對種植作物的光照需求和室內(nèi)環(huán)境進行評估 以確定合 適的安裝布置方式 圖 2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板常見的安裝布置形式 2 1 2 溫室大棚集成光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)電能供給 為了更好地滿足作物的生長條件 提高溫室內(nèi)蔬菜的產(chǎn)量 及時掌 握棚內(nèi)溫度 濕度 CO2濃度 光照強度等環(huán)境參數(shù) 并進行實時測控 從而實現(xiàn)溫室大棚科學 智能化 高效率管理 通常采用 PLC 裝置對種植 環(huán)境進行監(jiān)測和調(diào)節(jié) 利用傳感器對棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行實時測量 使用計 算機采集數(shù)據(jù)后通過運算控制卷簾機 滴灌系統(tǒng) 補光燈 風機等機構動 作以實現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)的目的 5 并使用獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)對系統(tǒng)電能進 行供給 2 2 智能溫室太陽能供熱技術 科技研究農(nóng)家參謀 153 NONG JIA CAN MOU 溫室大棚通常通過日間太陽輻射使棚內(nèi)溫度上升 夜間覆蓋保溫材 料或放下卷簾來保持溫度 但西北地區(qū)晝夜溫差大 冬季氣候寒冷 有時 還會出現(xiàn)極端天氣狀況 而智能化溫室大棚種植對溫度敏感性高 溫差變 化要求嚴格 僅僅依靠保溫方式維持棚內(nèi)溫度并不可靠 由于我國西北地 區(qū)太陽能資源豐富 利用太陽能集熱裝置對夜間和冬季溫室內(nèi)部環(huán)境溫度 進行調(diào)控 具有很強的應用前景 6 2 2 1 太陽能集熱器的選型 考慮到西北地區(qū)氣候條件 太陽能集熱器較適合用于溫室大棚集放 熱 太陽能集熱器有多種類型 如平板式太陽能集熱板 真空管式太陽能 集熱器等 其中熱管型真空管太陽能集熱器由于其保溫性能較好 抗寒性 能強 保溫性能好 熱效率較高 安全可靠等優(yōu)點被廣泛采用 尤其在北 方冬季寒冷環(huán)境下長時間適用也不易損壞 但缺點是價格較太陽能集熱板 要高 熱管型真空管太陽能集熱器通常選擇水作為集熱介質(zhì) 水的比熱容 高 獲取方便 可以大大節(jié)省成本 便于中小規(guī)模種植的農(nóng)戶使用 2 2 2 溫室大棚集成 太陽能集熱器實現(xiàn)環(huán)境溫控 由于北方地區(qū)溫室大棚的北側(cè)墻面為主要受冷風面 同時北墻面不 影響溫室采光性能 所以通常為了保溫會在北墻面設置為磚墻 或加裝保 溫層 利用熱管型真空管太陽能集熱器時 可以將其安裝在北墻面上 或 者北墻側(cè)面的空地上 其主要組成包括集熱器 熱水箱 水泵及管道部件 白天隨著太陽 輻照強度和環(huán)境溫度升高 集熱器開始蓄熱 水泵使水通過循環(huán)系統(tǒng)加溫 并存儲在熱水箱內(nèi) 夜間或冬季需對棚內(nèi)進行加溫時 通過管道循環(huán)流動 將熱水中的熱量釋放出來 圖 3 以實現(xiàn)大棚加溫的目的 7 圖 3 溫室大棚集成太陽能集熱器結(jié)構示意圖 3 存在的問題 近些年來 太陽光伏發(fā)電和太陽能集熱技術經(jīng)過幾次更新?lián)Q代已不 斷發(fā)展成熟 各類設備及其配套系統(tǒng)非常完善 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的也得到 了十分廣泛的應用 但整體集成化成熟度高 智能化程度好的太陽能智能 大棚還處于小規(guī)模試驗階段 尚未得到大規(guī)模推廣使用 究其原因 還存 在兩個方面的問題 一是太陽能光伏發(fā)電技術與溫室大棚在光資源利用方 面存在矛盾 且大規(guī)模溫室種植對獨立太陽能光伏系統(tǒng)供電效率提出了較 高的要求 對如何實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與溫室大棚合理集成方面是一個挑戰(zhàn) 同 時可能導致用地增加 光損失增大 生產(chǎn)成本升高等問題 二是太陽能集 熱器的面積是影響溫室大棚供熱能力的關鍵因素 也影響著溫室大棚的造 價 但由于不同區(qū)域 面積的溫室大棚對環(huán)境溫控要求不同 控制策略存 在顯著差別 自動化控制要求較高 需要專門通過計算進行合理設計 初 期投資較大 并不適合所有溫室大棚種植農(nóng)戶使用 4 建議與對策 太陽能作為清潔能源 在智能化溫室大棚中的應用前景十分廣闊 目前 西北地區(qū)智能溫室大棚絕大多數(shù)采用電網(wǎng)供電 熱爐供熱 對能源 消耗大 且會產(chǎn)生較大污染 隨著技術手段的不斷進步 未來應進一步考 慮采用利于溫室大棚采光的太陽能薄膜發(fā)電以解決光資源爭奪和系統(tǒng)集 成的矛盾 同時進一步進行全系統(tǒng)配套設備的開發(fā)與集成 不斷優(yōu)化太陽 能集熱技術系統(tǒng)控制策略和成套設備開發(fā) 將自動控制技術全面應用于溫 室大棚中 提高地域適應性 有效降低種植生產(chǎn)過程中對不可再生資源的 依賴 對全面發(fā)展綠色農(nóng)業(yè) 不斷提升綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平有著重要 意義 作者簡介 張世亮 1983年生 男 碩士 機械工程專業(yè) 講師 研 究方向 先進制造與自動控制 戚桓瑜 男 本科 助教 研究方向 材料科學與工程 顏魯薪 男 藏族 碩士 研究方向 新能源科學與工程 基金項目 本文系2019年甘肅省高等學校創(chuàng)新能力提升研究項目 太 陽能農(nóng)業(yè)溫室大棚物聯(lián)感知遠程云計算控制平臺 項目編號 2019A 256 階段性成果 參考文獻 1 中國氣象局風能太陽能資源中心 中國風能太陽能資源年景公報 R 中國氣象局風能太陽能資源中心 2019 2 智研咨詢集團 2020 2026年中國互聯(lián)網(wǎng) 溫室大棚行業(yè)市場前 景規(guī)劃及投資前景研究報告 R 智研咨詢集團 2020 3 董微 周增產(chǎn) 卜云龍 卓杰強 李迎忠 陳立振 太陽能光伏 發(fā)電技術在溫室中的應用 J 農(nóng)業(yè)工程 2014 4 5 47 49 4 張躍峰 張日新 太陽能技術在溫室中的應用 J 農(nóng)業(yè)工程技 術 溫室園藝 2011 4 46 47 5 馮秀萍 李明輝 田立強 太陽能光伏技術在溫室大棚控制系統(tǒng) 中的應用 J 科技致富向?qū)?2013 4 42 43 6 伍綱 楊其長 張義 方慧 太陽能熱利用技術在我國溫室中的 應用現(xiàn)狀 J 太陽能 2018 12 5 8 7 佟雪姣 孫周平 李天來 劉義玲 馬健 溫室太陽能水循環(huán)集 熱裝置的蓄熱性能研究 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報 2016 47 1 92 96 上接第 117 頁 農(nóng)藥的使用方面一定要嚴格控制 多使用生物制劑的藥品 盡量不去破壞 生態(tài)平衡 同時要在林區(qū)內(nèi)多進行觀察工作 盡可能創(chuàng)建一個生物平衡系統(tǒng) 用病蟲的天敵來克制病蟲害的發(fā)展 在這方面的研究還有很大的發(fā)展前景 5 3 抓緊檢疫工作的進行 檢疫工作不是具有政策性與技術性相結(jié)合的特點 因此在實行的過 程中要同時完善相應的法律法規(guī) 提高全民的林木防治意識 得到當?shù)厝?眾的廣泛支持才能更好的完成工作 在幼苗的檢測和進口植被的時候要嚴 格把關 不可將有病蟲害威脅的林木引進 6 結(jié)語 林業(yè)資源是一個國家寶貴的自然財富 它對建筑一個平衡的生態(tài)系 統(tǒng)起到了至關重要的作用 近些年我國在綠化方面做出了很多努力 但是 病蟲害問題卻是如影隨形 究其原因還是我們的工作沒有完成好 還有許 多值得改進的地方 如果能夠經(jīng)常總結(jié)經(jīng)驗 及時做出應對措施 在日常 的養(yǎng)護工作中切實按照要求完成 相信病蟲害問題是可以戰(zhàn)勝的 參考文獻 1 楊莉萍 林業(yè)病蟲害防治問題及對策探討 J 現(xiàn)代園 藝 2016 24 51 52 2 張克寶 探析林業(yè)病蟲害防治中存在的問題及對策 J 文摘版 工程技術 2016 4 287 3 方傳錦 林業(yè)病蟲害防治問題及解決措施探析 J 綠色科 技 2015 9 200 201 4 王建國 孟玲 林業(yè)病蟲害防治問題及防控對策 J 農(nóng)業(yè)與技 術 14 196