封閉式雞舍風能回收系統(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，楊朝武*

（1.四川大恒家禽育種有限公司，四川成都 610066；2.四川省畜牧科學研究院，動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川成都 610066；3.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都 610065；4.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，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)機械有限公司，四川成都 611230）

自2010年以來，國家大力提倡畜禽標準化養(yǎng)殖，啟動實施畜禽養(yǎng)殖標準化示范創(chuàng)建活動，使我國家禽生產(chǎn)的設施化、規(guī)?；皹藴驶a(chǎn)水平大幅度提高［1］。但另一方面，當前標準化雞場的能源浪費較大，節(jié)能減排建設缺乏可循經(jīng)驗。有關(guān)家禽生產(chǎn)的國際前沿研究正朝著有效利用可再生能源方向發(fā)展［2-3］，而在我國相關(guān)研究較少，尤其是在養(yǎng)殖舍尾端風能的再回收方面鮮有報道。為回收雞舍尾端風能，將其轉(zhuǎn)化為可再利用的新能源，本試驗結(jié)合養(yǎng)雞舍結(jié)構(gòu)，利用風力發(fā)電機平臺來回收雞舍末端風能，并對平臺做成本與效益分析，以期為標準化雞舍養(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 試驗地點與時間 試驗地點在四川大恒家禽育種有限公司。試驗時間為2019年6月。試驗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 試驗設備 養(yǎng)殖軸流風機（也稱“負壓風機”）4臺，型號為1400型，額定通風量為43 000 m3/h，額定功率為1.1 kW/臺，生產(chǎn)廠家為成都晟興牧業(yè)機械有限公司，安裝于雞舍后端山墻上，用于封閉舍負壓通風。水平軸風力發(fā)電機（HAWT）4臺，總型號為M型，分型號為200 W、300 W、400 W和600 W型，生產(chǎn)廠家為江蘇乃爾風電技術(shù)開發(fā)有限公司。垂直軸風力發(fā)電機（VAWT）1臺（300 W），型號：300型，生產(chǎn)廠家為拓又達科技集團。其他：逆變器、電纜、電池等。

1.3 試驗設備參數(shù) 各風力發(fā)電機規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 試驗用風力發(fā)電機參數(shù)

1.4 試驗原理及方法 根據(jù)試驗舍風機安裝位置及尺寸大小，在雞舍尾端設計1座全不銹鋼+PC材料的聚風結(jié)構(gòu)。聚風結(jié)構(gòu)的出風口大小可變，使通風氣流被聚風結(jié)構(gòu)限制，并通過調(diào)整聚風墻的橫截面積來控制氣流流速，進而滿足安裝在聚風墻末端外風力發(fā)電機的發(fā)電風速。然后通過風力發(fā)電機葉片接受雞舍軸流風機排放的風能推動，驅(qū)動發(fā)電機運行，進而將養(yǎng)殖舍原廢氣的通風風能轉(zhuǎn)化為電能，儲存至蓄電設備，最后由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電給雞舍供電。

在聚風結(jié)構(gòu)后端逐個安置各型號風力發(fā)電機進行5次風力回收試驗，記錄不同發(fā)電機的發(fā)電量，計算成本和收益。試驗期間，雞舍內(nèi)4臺風機同時開啟。

累計盈利（元）＝累計發(fā)電收益（元）-當年平臺殘值（元）-累計維護費（元）

平臺殘值（元）＝平臺投入（元）÷平臺設計年限（年）×剩余可使用年限（年）

1.5 試驗結(jié)構(gòu)設計圖 試驗舍布局、聚風設計、風機布置設計及風能回收設計見圖1～圖3。

圖1 試驗雞舍布局示意圖

圖2 雞舍末端聚風系統(tǒng)風能回收示意圖

圖3 風能回收供電示意圖

1.6 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)由Excel進行綜合處理，數(shù)據(jù)不涉及差異性比較內(nèi)容。

2 試驗結(jié)果

2.1 發(fā)電功率比較 試驗期間各風力發(fā)電機的發(fā)電功率見表2。從表2可以看出，出風口開啟越大，出風風速越低，與風力發(fā)電機發(fā)電額定風速差別越大。HAWT-300型風力發(fā)電機的發(fā)電功率最高，HAWT-200型次之。垂直軸風力發(fā)電機VAWT-300型的發(fā)電功率最低。

2.2 回收成本與效益 試驗平臺成本主要由聚風結(jié)構(gòu)、地基、風力發(fā)電機、逆變器和維護成本組成。其中，聚風結(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），風力發(fā)電機成本為850元/臺，逆變器成本為400元/臺，維護成本預估為300元/年，平臺搭建合計總成本約12 550元。

表2 風力發(fā)電機峰值比較

實測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型風力發(fā)電機為例。試驗平臺效益按照全年雞舍風機平均使用時長（約7 680 h/年，雞舍風機啟動時長即為發(fā)電時長）計算，則全年總發(fā)電量為2 074 kW·h，由于試驗場地為農(nóng)業(yè)用電，電價為0.54元/kW·h，那么該平臺全年電費收益折合約1 120元。

試驗平臺使用年限設計為20年，風力發(fā)電機設計年限為10～15年，其中風力發(fā)電機及電池損耗更換在維護費用中已體現(xiàn)。風力回收逐年經(jīng)濟效益見圖4。從圖4可以看出，該試驗平臺理論上從第9年開始盈利。

3 分析與討論

3.1 發(fā)電運行 水平軸風力發(fā)電機在我國使用范圍最廣，大型風力發(fā)電廠均以水平軸發(fā)電機為主。雞舍出風風速大小也決定著發(fā)電機發(fā)電功率的高低。本試驗平臺實測HAWT-200型和HAWT-300型水平軸發(fā)電機的發(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)），因此試驗選用HAWT-300型進行后續(xù)效益分析。而垂直軸發(fā)電機（VAWT-300）對風速要求較高，本次試驗數(shù)據(jù)不作采用，將會在后續(xù)試驗中跟進測試。

3.2 成本與效益 本次試驗平臺的建設主要以采集數(shù)據(jù)和做可行性論證為主，為初級試驗平臺，后續(xù)試驗中的平臺設計和成本效益核算還需不斷改進完善。聚風平臺在搭建時以任意局部點能同時站3～4人操作為標準建設，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板作風道密封。由于全不銹鋼方管架與PC板屬于價格較貴的材料，且為零星采購所得，因此單個試驗平臺搭建的成本較高。在后期實際生產(chǎn)中，平臺設計將會更趨成熟，再進行批量搭建，且一旦搭建完成，幾乎不用人維護，加上4個風機產(chǎn)生的風壓對風道密封結(jié)構(gòu)的壓力值較低，平臺完全可以用鍍鋅矩管或角鋼等作為支撐主材搭建，并適當減少底部支持梁個數(shù)，再用PVC或多層板等價格較低的硬質(zhì)板作聚風密封。這樣一來，單個聚風平臺成本至少可降低至原平臺的一半以下，其預期風力回收逐年經(jīng)濟效益參見圖5。從圖5可以看出，在現(xiàn)有試驗平臺的基礎(chǔ)上，第9年才可收回的所有投資成本，在批量平臺上理論上最晚第5年即可實現(xiàn)盈利。

在初級試驗平臺下，單日回收電力已可供試驗雞舍當日全部照明用電（5 W×60個LED燈×16 h，約耗5 kW/h）。若將此平臺繼續(xù)改進升級，使其推廣至單棟容量5萬只或10萬只養(yǎng)殖舍（單舍軸流負壓通風風機數(shù)可達20個以上［4］）中，甚至是推廣至具有軸流風機的標準化養(yǎng)豬場使用，其回收效益將會更加可觀。

圖4 試驗平臺風力回收逐年經(jīng)濟效益

4 結(jié)論

本試驗表明，在養(yǎng)雞舍尾端進行風能回收是可行的，后期再將風能回收與養(yǎng)殖舍尾端除塵技術(shù)、有害氣體消除技術(shù)相結(jié)合，不但可使標準化養(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。本次試驗雖然僅為初級試驗平臺，但通過此次初級風力回收試驗測定，尋找到了一種較為可行的封閉舍廢棄能源回收方法，本項目組將跟隨國際新能源發(fā)展的前沿步伐進一步開展后續(xù)研究，為實現(xiàn)我國畜禽業(yè)高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展提供一些參考。