封閉式雞舍風(fēng)能回收系統(tǒng)的搭建及成效分析

胡陳明 ，楊禮，余春林，杜龍環(huán)，鄭煒超，賴守勛，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；5.四川圣迪樂村生態(tài)食品股份有限公司，四川綿陽 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，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 材料與方法

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“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，并通過調(diào)整聚風(fēng)墻的橫截面積來控制氣流流速，進(jìn)而滿足安裝在聚風(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 試驗(yàn)結(jié)果

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)電功率見表2。從表2可以看出，出風(fēng)口開啟越大，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)效益見圖4。從圖4可以看出，該試驗(yàn)平臺(tái)理論上從第9年開始盈利。

3 分析與討論

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，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5萬只或10萬只養(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

4 結(jié)論

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。