胡陳明 ,楊禮,余春林,杜龍環(huán),鄭煒超,賴(lài)守勛,朱洪強(qiáng),楊朝武*
(1.四川大恒家禽育種有限公司,四川成都 610066;2.四川省畜牧科學(xué)研究院,動(dòng)物遺傳育種四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610066;3.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川成都 610065;4.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;5.四川圣迪樂(lè)村生態(tài)食品股份有限公司,四川綿陽(yáng) 622150;6.成都市晟興牧業(yè)機(jī)械有限公司,四川成都 611230)
自2010年以來(lái),國(guó)家大力提倡畜禽標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖,啟動(dòng)實(shí)施畜禽養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)化示范創(chuàng)建活動(dòng),使我國(guó)家禽生產(chǎn)的設(shè)施化、規(guī)?;皹?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)水平大幅度提高[1]。但另一方面,當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化雞場(chǎng)的能源浪費(fèi)較大,節(jié)能減排建設(shè)缺乏可循經(jīng)驗(yàn)。有關(guān)家禽生產(chǎn)的國(guó)際前沿研究正朝著有效利用可再生能源方向發(fā)展[2-3],而在我國(guó)相關(guān)研究較少,尤其是在養(yǎng)殖舍尾端風(fēng)能的再回收方面鮮有報(bào)道。為回收雞舍尾端風(fēng)能,將其轉(zhuǎn)化為可再利用的新能源,本試驗(yàn)結(jié)合養(yǎng)雞舍結(jié)構(gòu),利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)平臺(tái)來(lái)回收雞舍末端風(fēng)能,并對(duì)平臺(tái)做成本與效益分析,以期為標(biāo)準(zhǔn)化雞舍養(yǎng)殖業(yè)主探索一種節(jié)能減排、能源循環(huán)的新方式。
1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與時(shí)間 試驗(yàn)地點(diǎn)在四川大恒家禽育種有限公司。試驗(yàn)時(shí)間為2019年6月。試驗(yàn)舍為一棟全封閉式智能化祖代雞舍,尺寸:40 m×9.2 m×2.5 m。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備 養(yǎng)殖軸流風(fēng)機(jī)(也稱(chēng)“負(fù)壓風(fēng)機(jī)”)4臺(tái),型號(hào)為1400型,額定通風(fēng)量為43 000 m3/h,額定功率為1.1 kW/臺(tái),生產(chǎn)廠家為成都晟興牧業(yè)機(jī)械有限公司,安裝于雞舍后端山墻上,用于封閉舍負(fù)壓通風(fēng)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(HAWT)4臺(tái),總型號(hào)為M型,分型號(hào)為200 W、300 W、400 W和600 W型,生產(chǎn)廠家為江蘇乃爾風(fēng)電技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(VAWT)1臺(tái)(300 W),型號(hào):300型,生產(chǎn)廠家為拓又達(dá)科技集團(tuán)。其他:逆變器、電纜、電池等。
1.3 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù) 各風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)
1.4 試驗(yàn)原理及方法 根據(jù)試驗(yàn)舍風(fēng)機(jī)安裝位置及尺寸大小,在雞舍尾端設(shè)計(jì)1座全不銹鋼+PC材料的聚風(fēng)結(jié)構(gòu)。聚風(fēng)結(jié)構(gòu)的出風(fēng)口大小可變,使通風(fēng)氣流被聚風(fēng)結(jié)構(gòu)限制,并通過(guò)調(diào)整聚風(fēng)墻的橫截面積來(lái)控制氣流流速,進(jìn)而滿(mǎn)足安裝在聚風(fēng)墻末端外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電風(fēng)速。然后通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片接受雞舍軸流風(fēng)機(jī)排放的風(fēng)能推動(dòng),驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行,進(jìn)而將養(yǎng)殖舍原廢氣的通風(fēng)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,儲(chǔ)存至蓄電設(shè)備,最后由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電給雞舍供電。
在聚風(fēng)結(jié)構(gòu)后端逐個(gè)安置各型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行5次風(fēng)力回收試驗(yàn),記錄不同發(fā)電機(jī)的發(fā)電量,計(jì)算成本和收益。試驗(yàn)期間,雞舍內(nèi)4臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟。
累計(jì)盈利(元)=累計(jì)發(fā)電收益(元)-當(dāng)年平臺(tái)殘值(元)-累計(jì)維護(hù)費(fèi)(元)
平臺(tái)殘值(元)=平臺(tái)投入(元)÷平臺(tái)設(shè)計(jì)年限(年)×剩余可使用年限(年)
1.5 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 試驗(yàn)舍布局、聚風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)布置設(shè)計(jì)及風(fēng)能回收設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1~圖3。
圖1 試驗(yàn)雞舍布局示意圖
圖2 雞舍末端聚風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)能回收示意圖
圖3 風(fēng)能回收供電示意圖
1.6 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Excel進(jìn)行綜合處理,數(shù)據(jù)不涉及差異性比較內(nèi)容。
2.1 發(fā)電功率比較 試驗(yàn)期間各風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率見(jiàn)表2。從表2可以看出,出風(fēng)口開(kāi)啟越大,出風(fēng)風(fēng)速越低,與風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電額定風(fēng)速差別越大。HAWT-300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率最高,HAWT-200型次之。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)VAWT-300型的發(fā)電功率最低。
2.2 回收成本與效益 試驗(yàn)平臺(tái)成本主要由聚風(fēng)結(jié)構(gòu)、地基、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、逆變器和維護(hù)成本組成。其中,聚風(fēng)結(jié)構(gòu)成本為7 500元(一次性投入),地基成本為3 500元(一次性投入),風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本為850元/臺(tái),逆變器成本為400元/臺(tái),維護(hù)成本預(yù)估為300元/年,平臺(tái)搭建合計(jì)總成本約12 550元。
表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)峰值比較
實(shí)測(cè)HAWT-200型和HAWT-300型水平軸發(fā)電效率最高,其中HAWT-300型發(fā)電量最大,因此以HAWT-300型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例。試驗(yàn)平臺(tái)效益按照全年雞舍風(fēng)機(jī)平均使用時(shí)長(zhǎng)(約7 680 h/年,雞舍風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)即為發(fā)電時(shí)長(zhǎng))計(jì)算,則全年總發(fā)電量為2 074 kW·h,由于試驗(yàn)場(chǎng)地為農(nóng)業(yè)用電,電價(jià)為0.54元/kW·h,那么該平臺(tái)全年電費(fèi)收益折合約1 120元。
試驗(yàn)平臺(tái)使用年限設(shè)計(jì)為20年,風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)年限為10~15年,其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及電池?fù)p耗更換在維護(hù)費(fèi)用中已體現(xiàn)。風(fēng)力回收逐年經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)圖4。從圖4可以看出,該試驗(yàn)平臺(tái)理論上從第9年開(kāi)始盈利。
3.1 發(fā)電運(yùn)行 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在我國(guó)使用范圍最廣,大型風(fēng)力發(fā)電廠均以水平軸發(fā)電機(jī)為主。雞舍出風(fēng)風(fēng)速大小也決定著發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的高低。本試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)HAWT-200型和HAWT-300型水平軸發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率最高,其中HAWT-300型的發(fā)電量最大。由于水平軸發(fā)電機(jī)在200 W和300 W水平上成本差異不大(100元人民幣內(nèi)),因此試驗(yàn)選用HAWT-300型進(jìn)行后續(xù)效益分析。而垂直軸發(fā)電機(jī)(VAWT-300)對(duì)風(fēng)速要求較高,本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)不作采用,將會(huì)在后續(xù)試驗(yàn)中跟進(jìn)測(cè)試。
3.2 成本與效益 本次試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)主要以采集數(shù)據(jù)和做可行性論證為主,為初級(jí)試驗(yàn)平臺(tái),后續(xù)試驗(yàn)中的平臺(tái)設(shè)計(jì)和成本效益核算還需不斷改進(jìn)完善。聚風(fēng)平臺(tái)在搭建時(shí)以任意局部點(diǎn)能同時(shí)站3~4人操作為標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),因此材料上選擇了厚度為2.2 mm的不銹鋼方管作全部支撐,用5 mm的PC板作風(fēng)道密封。由于全不銹鋼方管架與PC板屬于價(jià)格較貴的材料,且為零星采購(gòu)所得,因此單個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)搭建的成本較高。在后期實(shí)際生產(chǎn)中,平臺(tái)設(shè)計(jì)將會(huì)更趨成熟,再進(jìn)行批量搭建,且一旦搭建完成,幾乎不用人維護(hù),加上4個(gè)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓對(duì)風(fēng)道密封結(jié)構(gòu)的壓力值較低,平臺(tái)完全可以用鍍鋅矩管或角鋼等作為支撐主材搭建,并適當(dāng)減少底部支持梁個(gè)數(shù),再用PVC或多層板等價(jià)格較低的硬質(zhì)板作聚風(fēng)密封。這樣一來(lái),單個(gè)聚風(fēng)平臺(tái)成本至少可降低至原平臺(tái)的一半以下,其預(yù)期風(fēng)力回收逐年經(jīng)濟(jì)效益參見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,在現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,第9年才可收回的所有投資成本,在批量平臺(tái)上理論上最晚第5年即可實(shí)現(xiàn)盈利。
在初級(jí)試驗(yàn)平臺(tái)下,單日回收電力已可供試驗(yàn)雞舍當(dāng)日全部照明用電(5 W×60個(gè)LED燈×16 h,約耗5 kW/h)。若將此平臺(tái)繼續(xù)改進(jìn)升級(jí),使其推廣至單棟容量5萬(wàn)只或10萬(wàn)只養(yǎng)殖舍(單舍軸流負(fù)壓通風(fēng)風(fēng)機(jī)數(shù)可達(dá)20個(gè)以上[4])中,甚至是推廣至具有軸流風(fēng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)豬場(chǎng)使用,其回收效益將會(huì)更加可觀。
圖4 試驗(yàn)平臺(tái)風(fēng)力回收逐年經(jīng)濟(jì)效益
本試驗(yàn)表明,在養(yǎng)雞舍尾端進(jìn)行風(fēng)能回收是可行的,后期再將風(fēng)能回收與養(yǎng)殖舍尾端除塵技術(shù)、有害氣體消除技術(shù)相結(jié)合,不但可使標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)雞舍做到零排放,而且還能為養(yǎng)殖業(yè)主減少部分成本投入。本次試驗(yàn)雖然僅為初級(jí)試驗(yàn)平臺(tái),但通過(guò)此次初級(jí)風(fēng)力回收試驗(yàn)測(cè)定,尋找到了一種較為可行的封閉舍廢棄能源回收方法,本項(xiàng)目組將跟隨國(guó)際新能源發(fā)展的前沿步伐進(jìn)一步開(kāi)展后續(xù)研究,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)畜禽業(yè)高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展提供一些參考。