太阳能技术在我国西北地区智能化温室大棚中的应用.pdf

农家参谋科技研究 152 NONG JIA CAN MOU 太阳能技术在我国西北地区智能化温室大棚中的应用 张世亮 戚桓瑜 颜鲁薪 武威职业学院 甘肃武威 733000 摘 要 本文从我国西北地区智能化温室大棚发展现状出发 结合 太阳能技术应用特点 总结阐述了在智能温室大棚中集成应用太阳能光伏 和光热技术的实现方式 分析了存在的问题和发展趋势 提出促进绿色农 业可持续发展能力的建议与对策 关键词 智能温室 太阳能技术 绿色农业 可持续发展 西北地区 目前 我国西北地区越冬农作物和反季节蔬菜的生产几乎全部依靠 温室大棚 而传统的温室大棚主要依靠人工进行种植 对水 电 煤等资 源需求多 不符合绿色农业可持续发展的要求 也不能满足大规模 高效 率 高标准的农作物生产需求 2017年2月中共中央 国务院发布 关 于深入推进农业供给侧结构性改革 加快培育农业农村发展新动能的若干 意见 要求促进农业农村发展由过度依赖资源消耗 主要满足量的需求 向追求绿色生态可持续 更加注重满足质的需求转变 近年来智能化温室 大棚得到快速发展和应用 通过利用计算机 传感器技术对生产环境进行 监测 从而对生产过程进行控制的同时 大大降低了人工干预的不确定性 提高了农作物种植标准 太阳能作为一种分布广泛的清洁能源 可以广泛 用于对智能温室大棚供热 供电 显著降低非规模化建设的智能化温室能 源消耗 大大推动了绿色农业的发展水平 提高了农业可持续发展能力 1 我国太阳能资源与应用现状 中国的国土总面积达960万平方公里 拥有十分丰富的太阳能资源 根据中国气象局风能太阳能资源中心发布的2019年 中国风能太阳能资 源年景公报 数据显示 2019年全国陆地表面平均年水平面总辐照量为 1470 5kWh m 2 其中西北大部地区年水平面总辐照量远高于全国平均水平 属于国内太阳能资源最丰富的 类地区 表 1 表 1 2019 年我国陆地表面区域水平面辐照总量分布情况 1 区域类型 最丰富 区 丰富区 较丰富区 一般区 年度总辐 照量 1750kWh m 2 1400 1750kWh m 2 1050 1400kWh m 2 1050kWh m 2 区域范围 甘肃西部 内蒙古西部 青海北部 西藏中西部 等地 新疆大部 内 蒙古大部 甘 肃大部 宁夏 青海东部 西 藏东部等地 东北大部 华 北南部 黄淮 江淮 江汉 江南及华南大 部等地 重庆 贵州中 东部 湖南西 北部 湖南西 南部等地 数据来源 2019 年 中国风能太阳能资源年景公报 根据不完全统计 2018年我国温室大中棚面积约为370万公顷 温 室大棚面积约为128 1万公顷 较2017年分别增长了10 45 和6 31 是目前全球该类设施拥有量最多的国家 2 但由于西北地区产业发展水 平和农户经济能力所限 温室设施不全 结构比较简陋 智能化程度不高 对太阳能的应用多数停留在利用太阳辐照实现补暖加温 部分经过智能化 改造或新建的智能温室大棚绝大部分采用太阳能光伏发电并网线路实现 日常控制管理供电 利用率并不高 2 智能化温室大棚综合利用太阳能技术的主要形式 除通过光照的形式直接吸收太阳能外 智能温室大棚利用太阳能的 主要形式有两种 一是通过太阳能光伏发电后对对电能进行储存 实现对 智能温室大棚环境监测 通风 卷帘 浇水 照明等日常工作进行供电 二是利用太阳能集热管等装置作为吸热储能装置直接吸收太阳能作为热 能加以储存 并通过内循环对温室实现温度控制 2 1 智能温室太阳能光伏供电技术 智能化温室大棚用电是其能源消耗的重点 随着目前能源价格攀升 和大力推进节能减排 利用太阳能光伏发电技术在智能控制温室大棚的集 成应用得到很大发展 其中 最常见的做法是利用独立式光伏发电系统为 温室大棚智能控制系统供电 其组成结构通常包括太阳能光伏电池组件 控制器 逆变器 蓄电池 直流和交流负载以及配电柜等 图 1 利用 独立式光伏发电系统可以不受时间和空间的限制 为一个或多个独立的温 室大棚供电 同时在阴雨天气利用蓄电池供电 逆变器的作用是将太阳能 电池的直流电转换为交流电供给负载使用 控制器可以防止对蓄电池过充 电和对负载过放电 3 图 1 独立光伏发电系统组成结构示意图 2 1 1 独立式光伏发电系统安装设计 独立式光伏发电系统通常是将光伏板安装在温室大棚屋面或侧立面 上 采用相对独立的构件支撑 以保证合理的太阳入射角度 对一些日照 要求高的农作物 为了避免光伏板遮挡导致部分光照损失 也可以将光伏 板安装在温室北侧的空地上 4 以保障棚内农作物有充足的日照 图 2 通常 在安装时要对种植作物的光照需求和室内环境进行评估 以确定合 适的安装布置方式 图 2 独立光伏发电系统光伏板常见的安装布置形式 2 1 2 温室大棚集成光伏发电系统实现电能供给 为了更好地满足作物的生长条件 提高温室内蔬菜的产量 及时掌 握棚内温度 湿度 CO2浓度 光照强度等环境参数 并进行实时测控 从而实现温室大棚科学 智能化 高效率管理 通常采用 PLC 装置对种植 环境进行监测和调节 利用传感器对棚内环境参数进行实时测量 使用计 算机采集数据后通过运算控制卷帘机 滴灌系统 补光灯 风机等机构动 作以实现环境调节的目的 5 并使用独立式光伏发电系统对系统电能进 行供给 2 2 智能温室太阳能供热技术 科技研究农家参谋 153 NONG JIA CAN MOU 温室大棚通常通过日间太阳辐射使棚内温度上升 夜间覆盖保温材 料或放下卷帘来保持温度 但西北地区昼夜温差大 冬季气候寒冷 有时 还会出现极端天气状况 而智能化温室大棚种植对温度敏感性高 温差变 化要求严格 仅仅依靠保温方式维持棚内温度并不可靠 由于我国西北地 区太阳能资源丰富 利用太阳能集热装置对夜间和冬季温室内部环境温度 进行调控 具有很强的应用前景 6 2 2 1 太阳能集热器的选型 考虑到西北地区气候条件 太阳能集热器较适合用于温室大棚集放 热 太阳能集热器有多种类型 如平板式太阳能集热板 真空管式太阳能 集热器等 其中热管型真空管太阳能集热器由于其保温性能较好 抗寒性 能强 保温性能好 热效率较高 安全可靠等优点被广泛采用 尤其在北 方冬季寒冷环境下长时间适用也不易损坏 但缺点是价格较太阳能集热板 要高 热管型真空管太阳能集热器通常选择水作为集热介质 水的比热容 高 获取方便 可以大大节省成本 便于中小规模种植的农户使用 2 2 2 温室大棚集成 太阳能集热器实现环境温控 由于北方地区温室大棚的北侧墙面为主要受冷风面 同时北墙面不 影响温室采光性能 所以通常为了保温会在北墙面设置为砖墙 或加装保 温层 利用热管型真空管太阳能集热器时 可以将其安装在北墙面上 或 者北墙侧面的空地上 其主要组成包括集热器 热水箱 水泵及管道部件 白天随着太阳 辐照强度和环境温度升高 集热器开始蓄热 水泵使水通过循环系统加温 并存储在热水箱内 夜间或冬季需对棚内进行加温时 通过管道循环流动 将热水中的热量释放出来 图 3 以实现大棚加温的目的 7 图 3 温室大棚集成太阳能集热器结构示意图 3 存在的问题 近些年来 太阳光伏发电和太阳能集热技术经过几次更新换代已不 断发展成熟 各类设备及其配套系统非常完善 在工农业生产中的也得到 了十分广泛的应用 但整体集成化成熟度高 智能化程度好的太阳能智能 大棚还处于小规模试验阶段 尚未得到大规模推广使用 究其原因 还存 在两个方面的问题 一是太阳能光伏发电技术与温室大棚在光资源利用方 面存在矛盾 且大规模温室种植对独立太阳能光伏系统供电效率提出了较 高的要求 对如何实现光伏系统与温室大棚合理集成方面是一个挑战 同 时可能导致用地增加 光损失增大 生产成本升高等问题 二是太阳能集 热器的面积是影响温室大棚供热能力的关键因素 也影响着温室大棚的造 价 但由于不同区域 面积的温室大棚对环境温控要求不同 控制策略存 在显著差别 自动化控制要求较高 需要专门通过计算进行合理设计 初 期投资较大 并不适合所有温室大棚种植农户使用 4 建议与对策 太阳能作为清洁能源 在智能化温室大棚中的应用前景十分广阔 目前 西北地区智能温室大棚绝大多数采用电网供电 热炉供热 对能源 消耗大 且会产生较大污染 随着技术手段的不断进步 未来应进一步考 虑采用利于温室大棚采光的太阳能薄膜发电以解决光资源争夺和系统集 成的矛盾 同时进一步进行全系统配套设备的开发与集成 不断优化太阳 能集热技术系统控制策略和成套设备开发 将自动控制技术全面应用于温 室大棚中 提高地域适应性 有效降低种植生产过程中对不可再生资源的 依赖 对全面发展绿色农业 不断提升绿色农业可持续发展水平有着重要 意义 作者简介 张世亮 1983年生 男 硕士 机械工程专业 讲师 研 究方向 先进制造与自动控制 戚桓瑜 男 本科 助教 研究方向 材料科学与工程 颜鲁薪 男 藏族 硕士 研究方向 新能源科学与工程 基金项目 本文系2019年甘肃省高等学校创新能力提升研究项目 太 阳能农业温室大棚物联感知远程云计算控制平台 项目编号 2019A 256 阶段性成果 参考文献 1 中国气象局风能太阳能资源中心 中国风能太阳能资源年景公报 R 中国气象局风能太阳能资源中心 2019 2 智研咨询集团 2020 2026年中国互联网 温室大棚行业市场前 景规划及投资前景研究报告 R 智研咨询集团 2020 3 董微 周增产 卜云龙 卓杰强 李迎忠 陈立振 太阳能光伏 发电技术在温室中的应用 J 农业工程 2014 4 5 47 49 4 张跃峰 张日新 太阳能技术在温室中的应用 J 农业工程技 术 温室园艺 2011 4 46 47 5 冯秀萍 李明辉 田立强 太阳能光伏技术在温室大棚控制系统 中的应用 J 科技致富向导 2013 4 42 43 6 伍纲 杨其长 张义 方慧 太阳能热利用技术在我国温室中的 应用现状 J 太阳能 2018 12 5 8 7 佟雪姣 孙周平 李天来 刘义玲 马健 温室太阳能水循环集 热装置的蓄热性能研究 J 沈阳农业大学学报 2016 47 1 92 96 上接第 117 页 农药的使用方面一定要严格控制 多使用生物制剂的药品 尽量不去破坏 生态平衡 同时要在林区内多进行观察工作 尽可能创建一个生物平衡系统 用病虫的天敌来克制病虫害的发展 在这方面的研究还有很大的发展前景 5 3 抓紧检疫工作的进行 检疫工作不是具有政策性与技术性相结合的特点 因此在实行的过 程中要同时完善相应的法律法规 提高全民的林木防治意识 得到当地群 众的广泛支持才能更好的完成工作 在幼苗的检测和进口植被的时候要严 格把关 不可将有病虫害威胁的林木引进 6 结语 林业资源是一个国家宝贵的自然财富 它对建筑一个平衡的生态系 统起到了至关重要的作用 近些年我国在绿化方面做出了很多努力 但是 病虫害问题却是如影随形 究其原因还是我们的工作没有完成好 还有许 多值得改进的地方 如果能够经常总结经验 及时做出应对措施 在日常 的养护工作中切实按照要求完成 相信病虫害问题是可以战胜的 参考文献 1 杨莉萍 林业病虫害防治问题及对策探讨 J 现代园 艺 2016 24 51 52 2 张克宝 探析林业病虫害防治中存在的问题及对策 J 文摘版 工程技术 2016 4 287 3 方传锦 林业病虫害防治问题及解决措施探析 J 绿色科 技 2015 9 200 201 4 王建国 孟玲 林业病虫害防治问题及防控对策 J 农业与技 术 14 196