農(nóng)家參謀科技研究 152 NONG JIA CAN MOU 太陽(yáng)能技術(shù)在我國(guó)西北地區(qū)智能化溫室大棚中的應(yīng)用 張世亮 戚桓瑜 顏魯薪 武威職業(yè)學(xué)院 甘肅武威 733000 摘 要 本文從我國(guó)西北地區(qū)智能化溫室大棚發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā) 結(jié)合 太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn) 總結(jié)闡述了在智能溫室大棚中集成應(yīng)用太陽(yáng)能光伏 和光熱技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式 分析了存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì) 提出促進(jìn)綠色農(nóng) 業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的建議與對(duì)策 關(guān)鍵詞 智能溫室 太陽(yáng)能技術(shù) 綠色農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展 西北地區(qū) 目前 我國(guó)西北地區(qū)越冬農(nóng)作物和反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)幾乎全部依靠 溫室大棚 而傳統(tǒng)的溫室大棚主要依靠人工進(jìn)行種植 對(duì)水 電 煤等資 源需求多 不符合綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求 也不能滿足大規(guī)模 高效 率 高標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)作物生產(chǎn)需求 2017年2月中共中央 國(guó)務(wù)院發(fā)布 關(guān) 于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革 加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動(dòng)能的若干 意見(jiàn) 要求促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展由過(guò)度依賴資源消耗 主要滿足量的需求 向追求綠色生態(tài)可持續(xù) 更加注重滿足質(zhì)的需求轉(zhuǎn)變 近年來(lái)智能化溫室 大棚得到快速發(fā)展和應(yīng)用 通過(guò)利用計(jì)算機(jī) 傳感器技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行 監(jiān)測(cè) 從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的同時(shí) 大大降低了人工干預(yù)的不確定性 提高了農(nóng)作物種植標(biāo)準(zhǔn) 太陽(yáng)能作為一種分布廣泛的清潔能源 可以廣泛 用于對(duì)智能溫室大棚供熱 供電 顯著降低非規(guī)?；ㄔO(shè)的智能化溫室能 源消耗 大大推動(dòng)了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平 提高了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力 1 我國(guó)太陽(yáng)能資源與應(yīng)用現(xiàn)狀 中國(guó)的國(guó)土總面積達(dá)960萬(wàn)平方公里 擁有十分豐富的太陽(yáng)能資源 根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心發(fā)布的2019年 中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資 源年景公報(bào) 數(shù)據(jù)顯示 2019年全國(guó)陸地表面平均年水平面總輻照量為 1470 5kWh m 2 其中西北大部地區(qū)年水平面總輻照量遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平 屬于國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能資源最豐富的 類地區(qū) 表 1 表 1 2019 年我國(guó)陸地表面區(qū)域水平面輻照總量分布情況 1 區(qū)域類型 最豐富 區(qū) 豐富區(qū) 較豐富區(qū) 一般區(qū) 年度總輻 照量 1750kWh m 2 1400 1750kWh m 2 1050 1400kWh m 2 1050kWh m 2 區(qū)域范圍 甘肅西部 內(nèi)蒙古西部 青海北部 西藏中西部 等地 新疆大部 內(nèi) 蒙古大部 甘 肅大部 寧夏 青海東部 西 藏東部等地 東北大部 華 北南部 黃淮 江淮 江漢 江南及華南大 部等地 重慶 貴州中 東部 湖南西 北部 湖南西 南部等地 數(shù)據(jù)來(lái)源 2019 年 中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào) 根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 2018年我國(guó)溫室大中棚面積約為370萬(wàn)公頃 溫 室大棚面積約為128 1萬(wàn)公頃 較2017年分別增長(zhǎng)了10 45 和6 31 是目前全球該類設(shè)施擁有量最多的國(guó)家 2 但由于西北地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水 平和農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)能力所限 溫室設(shè)施不全 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)陋 智能化程度不高 對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用多數(shù)停留在利用太陽(yáng)輻照實(shí)現(xiàn)補(bǔ)暖加溫 部分經(jīng)過(guò)智能化 改造或新建的智能溫室大棚絕大部分采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn) 日?？刂乒芾砉╇?利用率并不高 2 智能化溫室大棚綜合利用太陽(yáng)能技術(shù)的主要形式 除通過(guò)光照的形式直接吸收太陽(yáng)能外 智能溫室大棚利用太陽(yáng)能的 主要形式有兩種 一是通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電后對(duì)對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存 實(shí)現(xiàn)對(duì) 智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè) 通風(fēng) 卷簾 澆水 照明等日常工作進(jìn)行供電 二是利用太陽(yáng)能集熱管等裝置作為吸熱儲(chǔ)能裝置直接吸收太陽(yáng)能作為熱 能加以儲(chǔ)存 并通過(guò)內(nèi)循環(huán)對(duì)溫室實(shí)現(xiàn)溫度控制 2 1 智能溫室太陽(yáng)能光伏供電技術(shù) 智能化溫室大棚用電是其能源消耗的重點(diǎn) 隨著目前能源價(jià)格攀升 和大力推進(jìn)節(jié)能減排 利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在智能控制溫室大棚的集 成應(yīng)用得到很大發(fā)展 其中 最常見(jiàn)的做法是利用獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)為 溫室大棚智能控制系統(tǒng)供電 其組成結(jié)構(gòu)通常包括太陽(yáng)能光伏電池組件 控制器 逆變器 蓄電池 直流和交流負(fù)載以及配電柜等 圖 1 利用 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以不受時(shí)間和空間的限制 為一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的溫 室大棚供電 同時(shí)在陰雨天氣利用蓄電池供電 逆變器的作用是將太陽(yáng)能 電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給負(fù)載使用 控制器可以防止對(duì)蓄電池過(guò)充 電和對(duì)負(fù)載過(guò)放電 3 圖 1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖 2 1 1 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì) 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是將光伏板安裝在溫室大棚屋面或側(cè)立面 上 采用相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)件支撐 以保證合理的太陽(yáng)入射角度 對(duì)一些日照 要求高的農(nóng)作物 為了避免光伏板遮擋導(dǎo)致部分光照損失 也可以將光伏 板安裝在溫室北側(cè)的空地上 4 以保障棚內(nèi)農(nóng)作物有充足的日照 圖 2 通常 在安裝時(shí)要對(duì)種植作物的光照需求和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估 以確定合 適的安裝布置方式 圖 2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板常見(jiàn)的安裝布置形式 2 1 2 溫室大棚集成光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能供給 為了更好地滿足作物的生長(zhǎng)條件 提高溫室內(nèi)蔬菜的產(chǎn)量 及時(shí)掌 握棚內(nèi)溫度 濕度 CO2濃度 光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù) 并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控 從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚科學(xué) 智能化 高效率管理 通常采用 PLC 裝置對(duì)種植 環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié) 利用傳感器對(duì)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量 使用計(jì) 算機(jī)采集數(shù)據(jù)后通過(guò)運(yùn)算控制卷簾機(jī) 滴灌系統(tǒng) 補(bǔ)光燈 風(fēng)機(jī)等機(jī)構(gòu)動(dòng) 作以實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)的目的 5 并使用獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電能進(jìn) 行供給 2 2 智能溫室太陽(yáng)能供熱技術(shù) 科技研究農(nóng)家參謀 153 NONG JIA CAN MOU 溫室大棚通常通過(guò)日間太陽(yáng)輻射使棚內(nèi)溫度上升 夜間覆蓋保溫材 料或放下卷簾來(lái)保持溫度 但西北地區(qū)晝夜溫差大 冬季氣候寒冷 有時(shí) 還會(huì)出現(xiàn)極端天氣狀況 而智能化溫室大棚種植對(duì)溫度敏感性高 溫差變 化要求嚴(yán)格 僅僅依靠保溫方式維持棚內(nèi)溫度并不可靠 由于我國(guó)西北地 區(qū)太陽(yáng)能資源豐富 利用太陽(yáng)能集熱裝置對(duì)夜間和冬季溫室內(nèi)部環(huán)境溫度 進(jìn)行調(diào)控 具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景 6 2 2 1 太陽(yáng)能集熱器的選型 考慮到西北地區(qū)氣候條件 太陽(yáng)能集熱器較適合用于溫室大棚集放 熱 太陽(yáng)能集熱器有多種類型 如平板式太陽(yáng)能集熱板 真空管式太陽(yáng)能 集熱器等 其中熱管型真空管太陽(yáng)能集熱器由于其保溫性能較好 抗寒性 能強(qiáng) 保溫性能好 熱效率較高 安全可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用 尤其在北 方冬季寒冷環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間適用也不易損壞 但缺點(diǎn)是價(jià)格較太陽(yáng)能集熱板 要高 熱管型真空管太陽(yáng)能集熱器通常選擇水作為集熱介質(zhì) 水的比熱容 高 獲取方便 可以大大節(jié)省成本 便于中小規(guī)模種植的農(nóng)戶使用 2 2 2 溫室大棚集成 太陽(yáng)能集熱器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫控 由于北方地區(qū)溫室大棚的北側(cè)墻面為主要受冷風(fēng)面 同時(shí)北墻面不 影響溫室采光性能 所以通常為了保溫會(huì)在北墻面設(shè)置為磚墻 或加裝保 溫層 利用熱管型真空管太陽(yáng)能集熱器時(shí) 可以將其安裝在北墻面上 或 者北墻側(cè)面的空地上 其主要組成包括集熱器 熱水箱 水泵及管道部件 白天隨著太陽(yáng) 輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度升高 集熱器開(kāi)始蓄熱 水泵使水通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)加溫 并存儲(chǔ)在熱水箱內(nèi) 夜間或冬季需對(duì)棚內(nèi)進(jìn)行加溫時(shí) 通過(guò)管道循環(huán)流動(dòng) 將熱水中的熱量釋放出來(lái) 圖 3 以實(shí)現(xiàn)大棚加溫的目的 7 圖 3 溫室大棚集成太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖 3 存在的問(wèn)題 近些年來(lái) 太陽(yáng)光伏發(fā)電和太陽(yáng)能集熱技術(shù)經(jīng)過(guò)幾次更新?lián)Q代已不 斷發(fā)展成熟 各類設(shè)備及其配套系統(tǒng)非常完善 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的也得到 了十分廣泛的應(yīng)用 但整體集成化成熟度高 智能化程度好的太陽(yáng)能智能 大棚還處于小規(guī)模試驗(yàn)階段 尚未得到大規(guī)模推廣使用 究其原因 還存 在兩個(gè)方面的問(wèn)題 一是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與溫室大棚在光資源利用方 面存在矛盾 且大規(guī)模溫室種植對(duì)獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)供電效率提出了較 高的要求 對(duì)如何實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)與溫室大棚合理集成方面是一個(gè)挑戰(zhàn) 同 時(shí)可能導(dǎo)致用地增加 光損失增大 生產(chǎn)成本升高等問(wèn)題 二是太陽(yáng)能集 熱器的面積是影響溫室大棚供熱能力的關(guān)鍵因素 也影響著溫室大棚的造 價(jià) 但由于不同區(qū)域 面積的溫室大棚對(duì)環(huán)境溫控要求不同 控制策略存 在顯著差別 自動(dòng)化控制要求較高 需要專門(mén)通過(guò)計(jì)算進(jìn)行合理設(shè)計(jì) 初 期投資較大 并不適合所有溫室大棚種植農(nóng)戶使用 4 建議與對(duì)策 太陽(yáng)能作為清潔能源 在智能化溫室大棚中的應(yīng)用前景十分廣闊 目前 西北地區(qū)智能溫室大棚絕大多數(shù)采用電網(wǎng)供電 熱爐供熱 對(duì)能源 消耗大 且會(huì)產(chǎn)生較大污染 隨著技術(shù)手段的不斷進(jìn)步 未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步考 慮采用利于溫室大棚采光的太陽(yáng)能薄膜發(fā)電以解決光資源爭(zhēng)奪和系統(tǒng)集 成的矛盾 同時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行全系統(tǒng)配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)與集成 不斷優(yōu)化太陽(yáng) 能集熱技術(shù)系統(tǒng)控制策略和成套設(shè)備開(kāi)發(fā) 將自動(dòng)控制技術(shù)全面應(yīng)用于溫 室大棚中 提高地域適應(yīng)性 有效降低種植生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)不可再生資源的 依賴 對(duì)全面發(fā)展綠色農(nóng)業(yè) 不斷提升綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平有著重要 意義 作者簡(jiǎn)介 張世亮 1983年生 男 碩士 機(jī)械工程專業(yè) 講師 研 究方向 先進(jìn)制造與自動(dòng)控制 戚桓瑜 男 本科 助教 研究方向 材料科學(xué)與工程 顏魯薪 男 藏族 碩士 研究方向 新能源科學(xué)與工程 基金項(xiàng)目 本文系2019年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升研究項(xiàng)目 太 陽(yáng)能農(nóng)業(yè)溫室大棚物聯(lián)感知遠(yuǎn)程云計(jì)算控制平臺(tái) 項(xiàng)目編號(hào) 2019A 256 階段性成果 參考文獻(xiàn) 1 中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心 中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào) R 中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心 2019 2 智研咨詢集團(tuán) 2020 2026年中國(guó)互聯(lián)網(wǎng) 溫室大棚行業(yè)市場(chǎng)前 景規(guī)劃及投資前景研究報(bào)告 R 智研咨詢集團(tuán) 2020 3 董微 周增產(chǎn) 卜云龍 卓杰強(qiáng) 李迎忠 陳立振 太陽(yáng)能光伏 發(fā)電技術(shù)在溫室中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程 2014 4 5 47 49 4 張躍峰 張日新 太陽(yáng)能技術(shù)在溫室中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程技 術(shù) 溫室園藝 2011 4 46 47 5 馮秀萍 李明輝 田立強(qiáng) 太陽(yáng)能光伏技術(shù)在溫室大棚控制系統(tǒng) 中的應(yīng)用 J 科技致富向?qū)?2013 4 42 43 6 伍綱 楊其長(zhǎng) 張義 方慧 太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在我國(guó)溫室中的 應(yīng)用現(xiàn)狀 J 太陽(yáng)能 2018 12 5 8 7 佟雪姣 孫周平 李天來(lái) 劉義玲 馬健 溫室太陽(yáng)能水循環(huán)集 熱裝置的蓄熱性能研究 J 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2016 47 1 92 96 上接第 117 頁(yè) 農(nóng)藥的使用方面一定要嚴(yán)格控制 多使用生物制劑的藥品 盡量不去破壞 生態(tài)平衡 同時(shí)要在林區(qū)內(nèi)多進(jìn)行觀察工作 盡可能創(chuàng)建一個(gè)生物平衡系統(tǒng) 用病蟲(chóng)的天敵來(lái)克制病蟲(chóng)害的發(fā)展 在這方面的研究還有很大的發(fā)展前景 5 3 抓緊檢疫工作的進(jìn)行 檢疫工作不是具有政策性與技術(shù)性相結(jié)合的特點(diǎn) 因此在實(shí)行的過(guò) 程中要同時(shí)完善相應(yīng)的法律法規(guī) 提高全民的林木防治意識(shí) 得到當(dāng)?shù)厝?眾的廣泛支持才能更好的完成工作 在幼苗的檢測(cè)和進(jìn)口植被的時(shí)候要嚴(yán) 格把關(guān) 不可將有病蟲(chóng)害威脅的林木引進(jìn) 6 結(jié)語(yǔ) 林業(yè)資源是一個(gè)國(guó)家寶貴的自然財(cái)富 它對(duì)建筑一個(gè)平衡的生態(tài)系 統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用 近些年我國(guó)在綠化方面做出了很多努力 但是 病蟲(chóng)害問(wèn)題卻是如影隨形 究其原因還是我們的工作沒(méi)有完成好 還有許 多值得改進(jìn)的地方 如果能夠經(jīng)?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn) 及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施 在日常 的養(yǎng)護(hù)工作中切實(shí)按照要求完成 相信病蟲(chóng)害問(wèn)題是可以戰(zhàn)勝的 參考文獻(xiàn) 1 楊莉萍 林業(yè)病蟲(chóng)害防治問(wèn)題及對(duì)策探討 J 現(xiàn)代園 藝 2016 24 51 52 2 張克寶 探析林業(yè)病蟲(chóng)害防治中存在的問(wèn)題及對(duì)策 J 文摘版 工程技術(shù) 2016 4 287 3 方傳錦 林業(yè)病蟲(chóng)害防治問(wèn)題及解決措施探析 J 綠色科 技 2015 9 200 201 4 王建國(guó) 孟玲 林業(yè)病蟲(chóng)害防治問(wèn)題及防控對(duì)策 J 農(nóng)業(yè)與技 術(shù) 14 196