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地熱農業(yè)
可再生能源在我國設施農業(yè)中的應用
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2021-10-29 09:58:55瀏覽次數(shù):3519
所謂設施農業(yè)就是通過采用一定的設施和裝置,局部范圍改善或創(chuàng)造環(huán)境氣象因素,使植物或動物獲得最佳生長環(huán)境的生產方式。與傳統(tǒng)農業(yè)相比,設施農業(yè)擺脫了自然環(huán)境的束縛,可有效增加農業(yè)收入。在現(xiàn)代化的設施農業(yè)中,需要消耗能源對“溫、光、水、氣”等進行調控,其中最主要的能源消耗用于調控室內溫度。鍋爐供熱是目前設施農業(yè)中較為普遍采用的供熱加溫方式,且絕大多數(shù)是燃煤鍋爐。煤炭的使用不僅造成環(huán)境污染,同時還給設施農業(yè)企業(yè)帶來較大的運營成本壓力。近年來,各種可再生能源在設施農業(yè)中逐漸得到重視,目前應用于設施農業(yè)中最常見的可再生能源有太陽能、風能、地熱能、生物質能。使用可再生能源進行設施農業(yè)生產,不僅可降低能耗,還可減少CO2和各種污染物的排放,是綠色環(huán)保的農業(yè)生產方式,也是未來設施農業(yè)的發(fā)展方向。
1 太陽能在設施農業(yè)中的應用
目前國內農業(yè)設施類型主要有大型連棟溫室、日光溫室和拱棚,日光溫室和拱棚占絕大部分。受成本因素限制,大部分地區(qū)日光溫室和拱棚沒有配備供熱設施,只通過本身的結構、材料和保溫措施,實現(xiàn)對太陽能的利用;連棟溫室受結構限制,我國大部分地區(qū)冬季為了滿足作物對溫度要求,必須采取人工增溫措施。此外,為了提高太陽能的利用率,一些節(jié)能技術也被開發(fā)應用。
在水產設施養(yǎng)殖中,人們利用蓄熱設備提高太陽能的利用率,常規(guī)的做法是使用太陽能集熱器,將熱量儲存于水中與需要加熱的水體進行熱交換。對于溫室種植,地中熱交換系統(tǒng)是一種常用的加溫方法,白天使用風機將溫室內空氣中的熱量經地下埋管傳向地下蓄熱層,夜間再通過風機將蓄熱送回至大棚,整個系統(tǒng)只有風機電耗,是一種有效的溫室增溫方式。
太陽能熱泵是太陽能集熱系統(tǒng)與熱泵的組合。熱泵是一種以消耗部分高品位能量為條件,向低溫熱源取熱,將其加熱后向高溫熱源放熱的能量利用裝置,熱泵的性能系數(shù)大于1,是一種有效的節(jié)能技術。改變熱泵循環(huán)中工質的流動方向,還可實現(xiàn)冬天制熱、夏天制冷的功能。我國最近幾年才開始建立實驗系統(tǒng)對太陽能熱泵進行研究,目前還未見太陽能熱泵應用于設施農業(yè)的報道。由于太陽能的不穩(wěn)定性,太陽能熱泵在使用時一般還需要配備其它輔助加熱方式,投資成本是阻礙太陽能熱泵在設施農業(yè)廣泛應用的主要問題。
1.2 太陽能光能應用
光合作用是植物對太陽能光能的直接利用。在設施農業(yè)中,除了植物直接吸收外,太陽能光能還可通過光伏發(fā)電將光能轉變?yōu)殡娔苓M行利用。光伏發(fā)電需要一定的太陽電池面積來接收光能,隨著太陽電池技術的發(fā)展,出現(xiàn)了可以安裝在溫室頂部的薄膜透光式太陽電池,在光伏發(fā)電的同時又不影響太陽光線的透過。2009年,在江西上饒[1]、江蘇武進[2]等地分別建成薄膜式農業(yè)大棚,全國多地也正在建造此類大棚。薄膜太陽能大棚不僅可為設施農業(yè)提供充足的電力資源,還可以將剩余的電能上網銷售,帶來額外收益。
太陽能發(fā)電在設施農業(yè)中最基本的用途是照明,白 天光伏發(fā)電給蓄電池充電,晚上作為電源為節(jié)能燈提供電能,不僅可為設施農業(yè)提供場地照明,光照在溫室內還可延長植物進行光合作用的時間,提高農作物產量。
此外,太陽能驅蟲燈也是在設施農業(yè)光能利用的方式。白天太陽能轉換成電能儲存,在夜間殺蟲燈釋放出特定波長的光源吸引害蟲,光源外圍的高壓電網可將飛過的害蟲殺死。使用有效的光波范圍可誘殺1 000多種害蟲,在溫室中具有很好的應用價值。目前國家對太陽能殺蟲燈在農村大棚中的使用給予補貼,我國多省的農村中已經開始推廣使用。
2 風能在設施農業(yè)中的應用
我國風能資源非常豐富,早在中國古代農業(yè)中已經開發(fā)利用風能,1 700多年前已經開始用帆式風車提水,西漢就出現(xiàn)了制造人造風進行谷物清洗的風扇車,然而近年來中國風能的利用卻一直發(fā)展緩慢。風能利用的主要方式是風力提水和發(fā)電致熱。
風力提水作為風能利用的重要方式,分為傳統(tǒng)的風力直接提水與新興的風力發(fā)電提水2種方式。荷蘭、丹麥、英、美、俄等國風能資源相對豐富的國家,都大批量生產各種型號的風力提水機,澳大利亞和新西蘭的風力提水裝置幾乎遍及所有牧場。我國的風力提水機主要在東南沿海用于養(yǎng)殖、制鹽,在江蘇、寧夏、河北、吉林等地用于農田灌溉,在北方草原牧場地區(qū)提供飲水和牧場灌溉,主要針對邊遠和無電地區(qū),未形成規(guī)?;?。雖然我國的風力提水產業(yè)具有廣闊的市場前景,然而風力提水技術的開發(fā)和推廣步伐還比較緩慢[5],目前在設施農業(yè)中的應用基本僅限于設施養(yǎng)殖中。風力發(fā)電在設施農業(yè)中主要應用在供電不便地區(qū)的設施畜牧、水產設施養(yǎng)殖中,小型風電特別是1 000W以下的機組,可為設施生產提供必要的電能。從2009年起,農牧漁民購買200~300W風力發(fā)電機的數(shù)量快速增長[6]。在水產設施養(yǎng)殖中,需要用到水車式增氧機械、水質處理機械等旋轉動力機械,用風力機直接驅動這些機械,不需要任何中間轉換裝置,可有效降低養(yǎng)殖過程中的成本。我國從20世紀80年代開始已經在水產設施養(yǎng)殖中使用風力增氧。風力致熱是近年來才發(fā)展起來的一種風能轉換形式,通常風力機提水的效率只有16%,風力發(fā)電的轉換效率為30%,而風力致熱的轉換效率可達40%[8]。
風力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱4種方式,其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。日本早在20世紀80年代就開始使用風力致熱技術進行溫室加熱和設施養(yǎng)殖。
目前,風力致熱技術在日本、美國、加拿大和丹麥等國家已進入示范試驗階段[9]。我國風力致熱技術的研究起步較晚,基本處于空白狀態(tài)。風力致熱系統(tǒng)設備簡單、效率高,開發(fā)風能致熱技術在設施農業(yè)中具有廣闊的發(fā)展前景。
此外,隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展,開發(fā)由風力發(fā)電驅動的熱泵系統(tǒng)成為可能。目前國內外已提出多種風力熱泵系統(tǒng),如由風輪通過變速機構單獨或與交流電機并聯(lián)驅動熱泵壓縮機的系統(tǒng)、完全由風力發(fā)電機發(fā)電驅動熱泵壓縮機的系統(tǒng)等。使用風力熱泵供暖和制冷基本不需要消耗電力,相比于太陽能還可全天候工作。隨著技術的發(fā)展和成本的降低,風力熱泵在設施農業(yè)中也具有可行性。
3 地熱能在設施農業(yè)中的應用
3.1 淺層地熱資源
淺層地熱能廣泛存在于地球淺表層巨大的恒溫帶中,其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。淺層地熱資源主要存在于淺層土壤、地下水和地表水中,這些熱源的溫度與環(huán)境溫度接近、能量密度低,無法直接利用。近年來國外熱泵技術的發(fā)展應用非常迅速,尤其是地源熱泵。土壤源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵統(tǒng)稱為地源熱泵,目前熱泵承擔著美國總供熱量的8.4%,日本總供熱量的28.6%。中國從1995年開始學習和引進歐洲的熱泵產品,直到1997年才出現(xiàn)一定規(guī)模的地源熱泵采暖工程項目。在城市中,由于土地資源和水資源比較緊張,地源熱泵的應用受到限制。設施農業(yè)一般位于城市郊區(qū)或農村地區(qū),其土地資源、地下水和地表水資源比較豐富,非常適合熱泵技術的應用。鍋爐供熱設備只能將90%以上的電能或70%~90%的燃料化學能轉換為熱量,而地源熱泵的制熱COP性能系數(shù)一般可達4,運行費用為其它采暖設備的30%~70%[11]。地源熱泵技術在我國設施農業(yè)的應用中還處于試驗研究和示范性建設階段,目前投入運行的熱泵系統(tǒng)已經開始表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。
2001年時吳靜怡等[12]以東海農場3hm2蔬菜溫室為例,對燃煤采暖與地源熱泵的經濟性進行了比較,當時的煤炭價格為280元/t,熱泵的能源費用為煤炭采暖的1.76倍。然而近年來,電價漲幅較小,而煤炭價格卻不斷攀升,每噸最高價格甚至超過千元,按目前的煤電價格計算,使用煤炭的費用反而是熱泵的2倍;左睿等[13]將地源熱泵與傳統(tǒng)的電熱鍋爐和燃料鍋爐進行了比較,利用地源熱泵的溫室能耗僅僅為傳統(tǒng)供熱方式的20%~30%;方慧等[14]在中國農業(yè)科學院Venlo型試驗溫室內建造了一套地源熱泵與地板散熱相結合的供暖系統(tǒng),整套地源熱泵系統(tǒng)的實際COP性能系數(shù)達到3.14,與燃煤鍋爐相比節(jié)能36.3%。此外還在北京順義區(qū)三高國際鮮花港基地建立了一套地源熱泵加熱溫室,與燃煤鍋爐相比節(jié)能29.6%[15]。河南農業(yè)大學的王吉慶博士用水源熱泵對溫室進行加溫,試驗結果表明,系統(tǒng)COP 性能系數(shù)為3.31,與燃煤鍋爐相比節(jié)能46.5%[16]。羅迎賓等[17]結合南京江寧羅氏沼蝦養(yǎng)殖場工程案例,對水產養(yǎng)殖采用地源熱泵的技術性及經濟性進行分析,研究表明,采用地源熱泵水產養(yǎng)殖技術比傳統(tǒng)的供熱技術節(jié)能50%以上。2009年,投資2.6億元的地源熱泵與地熱利用綜合供暖系統(tǒng)在北京國際鮮花港投入使用,經測算采用地源熱泵供暖比電鍋爐加熱節(jié)?。玻骋陨系碾娔?,比燃煤鍋爐節(jié)?。保惨陨系哪芰?,在運行2a的時間得到了業(yè)主和溫室大棚用戶的一致好評。
除供熱外,地源熱泵還可用于設施農業(yè)中的夏季降溫。吳洪永等[18]對湖塘水源熱泵在北京蟹島玻璃溫室中的制冷進行了研究,結果表明,比空調節(jié)能59%;柴立龍等[19]在中國農業(yè)大學上莊實驗站的溫室中進行了地源熱泵降溫的試驗研究,其制冷性能系數(shù)達到3;楊仁全等[20]對北京西三旗生態(tài)園的地源熱泵系統(tǒng)夏季使用情況進行了測試,試驗結果表明,地源熱泵夏季制冷比使用常規(guī)空調節(jié)能35%。雖然地源熱泵在夏季制冷降溫中已經得到了部分應用,然而地源熱泵空調系統(tǒng)無論在降溫效果還是節(jié)能方面都落后于當前中國溫室普遍采用的濕簾-風機降溫方法[21],但是濕簾-風機系統(tǒng)存在耗水量大和空氣濕度大等缺點,容易引起病蟲害。因此,夏季在溫室中可以采用濕簾-風機、地源熱泵聯(lián)合降溫系統(tǒng),合理搭配使用2種降溫方法,既可減少投資費用和運行成本,又可解決易引發(fā)病蟲害的問題。
3.2 深層地熱能的應用
深層地熱即為通常所指的地熱能,包括淺層的水熱型地熱資源與深層的干熱巖等,目前國內外設施農業(yè)利用主要限于水熱型地熱。我國地熱利用較早,北魏酈道元的《水經注》中已有地熱用于農業(yè)的記載[22]。目前中國地熱能年利用量世界第一,然而地熱資源的利用大多比較單一。國內地熱能主用于供暖、溫泉洗浴、水產養(yǎng)殖、溫室種植、農業(yè)灌溉、工業(yè)利用等,種植養(yǎng)殖占地熱總利用量的9.1%。地熱種植用于水稻育秧、農作物育苗、名貴藥材和香料栽培、花卉栽培、食用菌培養(yǎng)、蔬菜瓜果種植等。由于地熱資源在我國已有廣泛的使用,很多省份都建設了地熱溫室。遼寧省鳳城市東湯鎮(zhèn)利用地熱溫泉種植油桃,福建省將地熱能用于水稻育秧、培育紅萍等[23]。遼寧熊岳使用地熱溫室進行蘋果育苗和葡萄栽培等。地熱在設施養(yǎng)殖中主要用于名貴水產培養(yǎng)、水產品反季養(yǎng)殖等。湖南汝城縣利用地熱水設施養(yǎng)殖烏龜、牛蛙、福壽螺等名貴水產[24];天津漢沽區(qū)冬季利用地熱大棚反季節(jié)養(yǎng)殖南美白對蝦,取得了良好的經濟效益[25];陜西合陽縣經過多年實踐,利用地熱水大棚養(yǎng)殖鰱魚、鳙魚、草魚等,對其進行提早產卵繁殖[26];天津里自沽農場將石油井改為地熱井用于地熱養(yǎng)雞,在此基礎上形成了利用地熱飼養(yǎng)種雞、育雛、孵化、水產養(yǎng)殖、蔬菜種植的體系。北京南宮村將階梯使用后排放的20℃的熱水處理后用于澆灌溫室公園[27]。但需注意,地熱水主要是含無機鹽的水溶液,其中氟化物、氯化物、硼離子濃度都大大高于農田灌溉水質標準,長期食用高含氟和無機鹽的糧食和蔬菜,必將在人體內富集,因此地熱水在用于澆灌時必須進行處理。
4 生物質能在設施農業(yè)中的應用
秸稈首先可作為設施種植中的肥料來源。在土壤微生物的作用下,將其降解為可以被作物吸收利用的土壤養(yǎng)分,具有蓄水保濕、調節(jié)土壤溫度、降低田間雜草密度、調節(jié)土壤pH值、提高土壤微生物活性等作用。近年來,設施農業(yè)中出現(xiàn)了“生物反應堆”工程技術,該技術就是以秸稈為原料,在生物菌劑的作用下發(fā)生腐化分解等一系列反應,生成作物生長所需要的熱量、CO2、酶、有機和無機養(yǎng)料等有益物質,不僅大幅度提高了蔬果的產量和質量,還大大降低了化肥和農藥的用量。該技術自2001年起即在河北平泉、遼寧凌源等多地進行了示范研究[28],從試驗結果來看取得了良好的增收效果,目前在山東、天津等多個省進入推廣示范階段。沼氣是生物質能最重要的應用方式之一,我國的沼氣利用無論規(guī)模還是技術均處于世界領先水平。沼氣在設施農業(yè)中同樣具有重要地位,沼氣可以用于現(xiàn)代溫室的加熱、發(fā)電利用,沼液用于蔬菜追肥,沼渣用于溫室蔬菜無土栽培基質與育苗基質,還可部分用作養(yǎng)魚飼料。由于沼氣是一種綠色能源,因此沼氣用于設施農業(yè)的加熱時,除了采用沼氣鍋爐供熱外,還可以在溫室內直接燃燒沼氣進行加熱。沼氣點燈是目前溫室中常用的一種方法,沼氣點燈可以直接提供熱能,燃燒產物可補充溫室內的CO2,沼氣點燈還可提供光源,為溫室內的植物補光,延長光合作用的時間。沼液中富含各類氨基酸、維生素、蛋白質、赤霉素、生長素、糖類、核酸以及抗生素等,可提高蔬菜種子的發(fā)芽率,又可增強蔬菜的抗旱、抗凍能力。沼渣由部分未分解的原料和新生的微生物菌體組成,含有大量有機質和腐殖酸,對土壤具有改良作用。由于沼氣具有多重優(yōu)良特性,因此沼氣也成為現(xiàn)代設施農業(yè)中的紐帶,目前圍繞沼氣出現(xiàn)了江西贛州、廣西恭城的“豬-沼-果”生產模式[29],江蘇贛榆創(chuàng)“豬-沼-魚”生態(tài)水產養(yǎng)殖模式[30],廣西百色的“豬-沼-菜-燈-魚”[31]等多種設施農業(yè)生態(tài)化復合生產模式,這些成功的生產模式在取得經濟效益的同時,也起到了良好示范效果。
由于生物質能資源非常豐富,相比于化石燃料具有可再生和環(huán)保的優(yōu)勢,因此近年來國際生物質能發(fā)電的發(fā)展非常迅速。目前國內沼氣發(fā)電主要應用于設施養(yǎng)殖。2005年海寧市斜橋鎮(zhèn)同仁村養(yǎng)殖園200kW沼氣發(fā)電項目投入運行[32],2007年北京德青源農業(yè)科技股份有限公司健康養(yǎng)殖生態(tài)園2MW 熱電肥聯(lián)產沼氣工程投入運行[33],2008年蒙牛建成了全球最大的畜禽類沼氣發(fā)電廠,年發(fā)電量可達1×108 kW·h[34]。這些沼氣發(fā)電項目不僅可以滿足設施生產自身電耗,多余的電還并入國家電網,每年產生不菲的收益。作為沼氣發(fā)電的副產品,大量的沼肥、沼液也具有重要的經濟價值。
5 結論
從可再生能源在國內設施農業(yè)的應用情況可以看出,環(huán)保、清潔的可再生能源在設施農業(yè)中已經逐步開始發(fā)揮重要的作用,各種新的利用方式也不斷出現(xiàn)。太陽能,地熱能,沼氣,地源熱泵等已經處于節(jié)能示范或推廣使用階段,多種可再生能源綜合利用的綠色設施農業(yè)生產模式也備受關注。然而,在設施農業(yè)能源利用水平不斷進步的同時,還應該清醒的認識到,可再生能源在我國設施農業(yè)中的利用還處于起步階段,各種能源的利用技術還有待進一步完善,可再生能源在設施農業(yè)中缺乏具有推廣代表性的成功案例。同時還應注意在使用可再生能源為設施農業(yè)服務的同時,還要盡可能防止其可能帶來的環(huán)境問題,使設施農業(yè)真正成為綠色產業(yè)。