零能耗光電光熱耦合立體生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)研究

艾雅茹 魯珊 周麗 李成杰 陳夢娟 李安英 曹燕

[摘 要]為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚面臨的諸多問題，本團(tuán)隊(duì)將光電產(chǎn)業(yè)、光熱產(chǎn)業(yè)、立體農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚相結(jié)合，提出“光電，光熱產(chǎn)生能量供給大棚使用，使產(chǎn)生的能源大于作物生產(chǎn)中所消耗的能源，從而實(shí)現(xiàn)‘零能耗”的觀點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]太陽能;光伏發(fā)電;溫室大棚;設(shè)計(jì)研究

[中圖分類號(hào)]S625 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 設(shè)計(jì)背景

2013年12月23日至24日，在北京舉行的中央農(nóng)村工作會(huì)議中提出要堅(jiān)守18億畝耕地紅線，也明確指出農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著糧食需求迅速增長、生產(chǎn)成本居高不下、產(chǎn)量提升空間日益收窄、耕地利用粗放的問題。

本設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)響應(yīng)武漢市團(tuán)委號(hào)召，積極參與到“新青年下鄉(xiāng)”活動(dòng)，在本團(tuán)隊(duì)武漢市蔡甸區(qū)練武村進(jìn)行下鄉(xiāng)活動(dòng)的過程中，發(fā)現(xiàn)許多貧困地區(qū)依舊使用傳統(tǒng)農(nóng)耕進(jìn)行果蔬的種植，而這樣傳統(tǒng)的農(nóng)耕方式存在低效、土地資源不能有效利用等諸多缺點(diǎn)。如何改善傳統(tǒng)農(nóng)耕方式成為了本團(tuán)隊(duì)考慮的問題。

2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚存在的問題

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚種類頗多，如塑料溫室、玻璃溫室、日光溫室、塑料大棚等，經(jīng)本團(tuán)隊(duì)的走訪調(diào)研，武漢市蔡甸區(qū)練武村的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的使用主要以塑料大棚為主，其存在的缺點(diǎn)主要如下：

（1）使用壽命較短。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚表面覆蓋的塑料薄膜往往面積大，抗壓能力弱，在大風(fēng)、積雪天氣極易撕裂和坍塌，一般一至兩年后就老化破裂，使用周期短，其回收率又不足20%，增加了維護(hù)成本，并因?yàn)楦鼡Q廢棄塑料薄膜，產(chǎn)生了大量的“白色污染”。

（2）大棚內(nèi)作物生長環(huán)境不理想。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚土地占用面積大，有效利用率卻不高。夏天棚內(nèi)溫度過高，冬季又存在保溫性能差的問題，無法滿足作物適宜的溫度環(huán)境，另外，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚還存在光照不足的情況，為了提供足夠的光照環(huán)境，需要在大棚內(nèi)使用LED照明燈，而這些設(shè)備大量消耗能源，不符合節(jié)能環(huán)保要求。

（3）有機(jī)廢物不能有效利用。通常牲畜圈養(yǎng)區(qū)與農(nóng)業(yè)大棚距離較遠(yuǎn)，牲畜產(chǎn)生的糞便無法高效、及時(shí)地轉(zhuǎn)換為肥料供給給農(nóng)作物，并且，農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的廢棄作物不能及時(shí)處理，存在有機(jī)廢物不能有效利用的問題。

針對傳統(tǒng)溫室大棚存在的各種缺陷，本團(tuán)隊(duì)將光電產(chǎn)業(yè)、光熱產(chǎn)業(yè)、立體農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚相結(jié)合，光電、光熱產(chǎn)生能量供給大棚使用，解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)設(shè)備耗能的問題，并實(shí)現(xiàn)“零能耗”設(shè)想，創(chuàng)造“零能耗光電光熱耦合立體生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚”的環(huán)保新概念。

3 設(shè)計(jì)研究與分析

3.1 基本設(shè)計(jì)思路

開發(fā)“零能耗光電光熱耦合立體農(nóng)業(yè)大棚”，以一定比例進(jìn)行蔬菜種植與牲畜養(yǎng)殖。次等的蔬菜喂雞，雞的糞便在沼氣池中發(fā)酵產(chǎn)生電供建筑使用，同時(shí)剩下的沼渣可用于農(nóng)作物的肥料，使廢料得到了循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)。

通過太陽能、光伏板和風(fēng)力發(fā)電裝置將太陽光轉(zhuǎn)換為直流電能，并使用控制器對蓄電池進(jìn)行充放電控制。轉(zhuǎn)換的直流電直接用于大棚內(nèi)各設(shè)備的用電。夏季白天光照充足時(shí)，可將多余的能量轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存，而夜晚及陰天等光線不足時(shí)，將能量釋放出來。對于冬季大棚內(nèi)存在保溫性能差的問題，本團(tuán)隊(duì)通過集熱管產(chǎn)生熱水，用于冬季大棚室內(nèi)溫度的控制。

并且關(guān)于光伏、風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚，在解決棚內(nèi)設(shè)備用電的同時(shí)，還可將多余的能源輸送至國家電網(wǎng)，從而獲取國家相關(guān)政策發(fā)放的光伏發(fā)電量補(bǔ)貼。

3.2 大棚結(jié)構(gòu)形式

大棚主要框架結(jié)構(gòu)由鋼管焊接而成，用鋼筋材料將大棚分為上下兩個(gè)空間，面積均為15（m）×40（m），上層層高3m主要用于牲畜的養(yǎng)殖，下層層高2.5m主要用于農(nóng)作物的種植。大棚頂部屋面形式采用人字形，除設(shè)置的4個(gè)天窗井外的位置，光伏組件連續(xù)排布于屋面，光伏組件取代原有的塑料薄膜，在發(fā)電的同時(shí)，減少了“白色污染”。光伏系統(tǒng)除了為常規(guī)設(shè)備給予基本的提電外，與此同時(shí)還可以為LED提供補(bǔ)光電力、驅(qū)蟲殺蟲設(shè)施提供能量。

大棚上下兩層各面除4個(gè)天窗井、大棚四周的側(cè)窗，均采用雙玻組件進(jìn)行鋪設(shè)以增強(qiáng)透光性外，也均采用光伏板進(jìn)行連續(xù)排布，以增強(qiáng)發(fā)電效率。雙玻組件具有很好的分光性，可透過 400～800nm 可見光，對紫外線和紅外線能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外線對植物傷害避免過多熱量進(jìn)入溫室，晚上同樣能阻止室內(nèi)紅外熱量向外輻射，起到很好的保溫隔熱作用。

3.3 電腦繪圖與實(shí)物模型

4 總結(jié)

該零能耗光電光熱耦合立體農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)大棚來說，具有更節(jié)能，土地利用效率更高，更加安全可靠，利用率較高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中將每個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢物進(jìn)行再利用，充分利用其中的能量，在大棚內(nèi)構(gòu)成一個(gè)生態(tài)循環(huán)，為農(nóng)戶節(jié)省許多成本，對環(huán)境的傷害也較小。另外在合適的設(shè)計(jì)比例下，不僅可以實(shí)現(xiàn)零能耗，而且在光照充足的條件下可以并網(wǎng)發(fā)電。如果發(fā)電效益可觀，還可以引入現(xiàn)有光伏補(bǔ)貼廠家進(jìn)行初始投資，共同收益。對于農(nóng)戶而言，不僅可以得到農(nóng)產(chǎn)品收入，還能得到發(fā)電收益，并且獲得初投資，能順利實(shí)現(xiàn)脫貧致富的目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周志敏，紀(jì)愛華.太陽能光伏發(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.

[2] 楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 黃勇.光伏發(fā)電系統(tǒng)在溫室大棚上的應(yīng)用[J].科技廣場，2012.

[4] 韓建會(huì)，薛金祥.改良型塑料大棚的設(shè)計(jì)及溫度初探[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010（01）.

[5] 高新昊，張英鵬，劉兆輝.種植年限對壽光設(shè)施大棚土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015（03）.