CN101877557A - 一种可再生能源设施农业光伏电站 - Google Patents

一种可再生能源设施农业光伏电站 Download PDF

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Abstract

本发明的目的就是提供一种可再生能源设施农业光伏电站,将太阳能发电与设施农业通过设施农业建筑有机的结合为一体,设施农业的建筑设计以及太阳能光伏发电的设计同时适合于农业及太阳能光伏发电的要求,将太阳能光伏电池设置在建筑屋顶或墙体上,在设施农业建筑内不同的区域进行养殖、种植、培植,这样实现可再生能源采集、设施建筑、设施农业一体化的设计,从而既实现以可再生能源为主的设施农业取代传统的以传统能源为主的设施农业,又实现了光伏电站发电。

Description

一种可再生能源设施农业光伏电站
技术领域
[0001] 本发明涉及可再生能源、传统能源的利用,特别是建立在实施农业建筑上的太阳能光伏电站。
背景技术
[0002] 所谓设施农业是指具有一定的设施,能在局部范围创造出适宜的气象环境因素, 为动植物生长发育提供良好的环境条件而进行的农业生产。设施农业作为现代农业的重 要组成部分,在我国广大农村已推广应用多年,它的发展给我国传统农业注入了新鲜血液, 解决了大部分人的温饱问题.发达国家的设施农业,已形成成套技术、完备的设施设备、生 产规范,产量稳定。在这些国家,设施建设规模大,生产效率高,始终坚持高新技术的示范、 推广与应用,获得了可观的效益。以荷兰为例,全国有玻璃温室13000hm2.且均为大型现代 化连栋温室,自动化程度高、生产效率高,温室内温、光、水、气、肥等实现了智能化控制。从 品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整规范的技术体系,番茄、黄瓜等实现了一 年一大茬的无土长季节栽培,采收期长达9〜10个月,黄瓜平均每株采收80条,番茄平均 每株采收35穗果,平均产量60Kg/m2,创造了当今世界最高产量和效益水平。温室节能技 术也是温室研究工作的重点,随着《京都协议书》的执行,荷兰作为议定书的协议国,规定所 有行业的能源效率到2010年降至1980年的35%,相当于减少65%的化石燃料的使用,温 室行业分担了全国20%左右的义务。目前,他们采取的主要措施包括:提高覆盖材料透光 率,增加温室太阳能入射量,在此方面他们主要开发了温室屋顶清洗机械和Zigzag板材的 开发;热能多用途利用和余热回收;温室浅层地能节能技术的应用;保温隔热技术的研究, 主要体现在三个方面,一是内保温幕帘的广泛使用,二是天沟的保温,三是增加温室的气密 性和外维护结构的保温;新型节能新技术的研究与开发,比如改造温室结构,充分利用太阳 能,培养耐低温作物等等。在以色列现代化温室可根据作物对环境的不同要求,通过计算机 对内部环境如光、温、水、气、肥等因子进行自动监测和调控,实现温室作物全天候、周年性 的高效生产。该国的工厂化农业,黄瓜、西红柿的产量达50Kg/m2,玫瑰产量达32枝/m2,是 露地栽培的10〜20倍。美国、日本等国还推出了代表当今世界最先进水平的全封闭式生 产体系,即人工补充光照、全部采用计算机控制、由机器人或机械手进行移栽作业的撝参锕 二全年收获产品20茬以上,蔬菜年产量是露地栽培的数十倍,这些国家的设施农业的共同 特点是已实现了集约化、规模化、专业化生产,温室及配套设施的生产高度社会化。
[0003] 目前,我国设施园艺面积已达250余万公顷,约占世界设施园艺总面积的85%。设 施园艺年产值达到2000多亿元。在种植结构上,设施蔬菜面积占我国设施园艺总面积的 95%以上。在区域分布上,70%以上分布在黄淮海及其以北地区。设施园艺的发展为解决 长期困扰我国北方地区蔬菜冬淡季供应问题,改善城乡居民生活,促进社会稳定发挥了重 要作用。
[0004] 有机农业是一种完全不用化学合成的肥料、农药、生长调节剂、畜禽饲料添加剂等 物质,也不使用基因工程生物及其产物的生产体系,其核心是建立和恢复农业生态系统的生物多样性和良性循环,以维持农业的可持续发展。在有机农业生产体系中,作物秸杆、畜 禽粪肥、豆科作物、绿肥和有机废弃物是土壤肥力的主要来源;作物轮作以及各种物理、生 物和生态措施是控制杂草和病虫害的主要手段。有机农业生产体系的建立需要有一个有机 转换过程。
[0005] 有机农业是一个促进生物多样性、生物圈循环和土壤生物活动的生态性生产管理 体系。有机农业要求尽量采取恢复、维持、促进生态和谐的管理措施,完全不用或基本不用 人工合成的化学肥料、化学农药、生长调节剂和畜禽饲料添加剂等,尽可能减少空气、土壤 和水分的污染,遵循贴近自然的生态学原理,协调种植业和养殖业的平衡,采用一系列可持 续发展的农业技术,持续稳定、循环发展的农业生产体系。
[0006] 有机农业的生产过程生产出的产品,称为有机食品。与国内其他绿色食品的最显 著差别是,前者在其生产和加工过程中绝对禁止使用农药、化肥、激素等人工合成物质,后 者则允许有限制地使用这些物质。因此,有机食品的生产要比其他食品难得多,需要建立全 新的生产体系,采用相应的替代技术。有机食品是一类真正源于自然、富营养、高品质的环 保型安全食品。
[0007] 现有的设施农业发展中还存在的主要问题:一是,现有的设施农业的整体科技发 展水平不高,设施结构简易,环境控制能力、生产管理很大程度上还依靠经验,与标准化、精 准化生产管理的要求还相差甚远。设施农业在环境控制、管理技术、生物技术、人工智能技 术、网络信息技术等方面需要完善。二是,设施农业的经营效益较低。我国土地生产经营方 式以户为单位家庭承包经营,发展起来的设施农业规模较小,产品的市场不稳定,全过程的 产业链条尚未形成,社会化服务体系还未完全建立。三是,我国设施农业的机械化程度低。 我国设施农业机械的配套水平不高,机械化作业水平低,目前生产仍以人力为主,劳动强度 大。机械化水平低的问题已成为制约我国设施农业发展的瓶颈环节。四是,我国设施农业 运行管理水平有待提高。从专用品种的繁育到环境运行的合理控制等方面来看,我国设施 农业的运行管理水平与高产、优质、安全、高效的要求还有很大的差距,运行管理水平亟待 提高。总体上讲,许多关键技术问题还有待于研究解决,与之相配套的相关产业还未健全, 特别是现有的设施建筑的温室运行费用普遍较高,水、电、暖费用较高,建筑能耗高,造成了 农业生产成本高,致使设施农业缺乏经济实用,障碍了设施农业的发展。因而需要解决设施 农业存在的能源供应特别是采用可再生能源的设施农业。
[0008] 太阳能的低温热水应用技术已经成熟,主要产品形式是太阳能的热水器,采用真 空玻璃管技术进行吸热后加以利用,在此种应用中,有采用将热管插入到真空玻璃管内部 将热量传递到外部获得太阳能的技术,但此种技术是将热管作为真空玻璃管转化太阳能为 热能后的传热部件,而不是将热管作为太阳能转化部件。
[0009] 太阳能低温的光伏发电发展迅猛,单晶硅、多晶硅、薄膜电池都已经实现了规模化 应用,但是由于成本高,需要国家的补贴才能实现规模的应用。
[0010] 现有的对太阳能的中高温度的利用的太阳灶,主要采用反射板对太阳进行反射, 将太阳能直接聚焦到一个灶具上,实现对太阳能的利用,在此种技术没有办法对太阳能进 行收集以便于夜间及阴雨天应用,更不可能对其进一步的其他方式的应用;除此之外,现有 的技术太阳能中高温的发电技术,主要是采用塔式、槽式、及盘式,槽式系统中能够反射板 制造为一个槽,在其中间采用热管进行热量的收集。[0011] 除此之外,沼气及浅层地表热能的技术也已经成熟,将其进行综合成为一体化的 可再生能源技术,将实现由传统的能源为主要的设施农业提升到以可再生能源为主的设施 农业。
[0012] 无论是太阳能光伏发电还是实施农业,都需要降低成本,将其有机的结合,是降低 成本的有效方法。
发明内容
[0013] 本发明的目的就是提供一种可再生能源设施农业光伏电站,将太阳能发电与设施 农业通过设施农业建筑有机的结合为一体,设施农业的建筑设计以及太阳能光伏发电的设 计同时适合于农业及太阳能光伏发电的要求,将太阳能光伏电池设置在建筑屋顶或墙体 上,在设施农业建筑内不同的区域进行养殖、种植、培植,这样实现可再生能源采集、设施建 筑、设施农业一体化的设计,从而即实现以可再生能源为主的设施农业取代传统的以传统 能源为主的设施农业,又实现了光伏电站发电。
[0014] 具体发明内容如下:
[0015] 一种可再生能源设施农业光伏电站,包括可再生能源采集生成系统、一个设施农 业建筑、电力并网系统,其特征是:至少有一个设施农业建筑,在其屋顶上和/或墙体上设 置有太阳能光伏电池板,实现电能的采集,电能用于并网传输和/或为设施农业提供能源, 即实现光伏的发电又同时保证实现设施农业的进行。
[0016] 太阳能光伏电池板系统为至少下列之一:
[0017] A、太阳能单晶硅发电电池;
[0018] B、太阳能多晶硅发电电池;
[0019] C、太阳能非晶硅发电电池,包括碲化铬、铜铟镓锡薄膜电池;
[0020] D、聚焦光伏电池,采用上述电池的聚焦光伏发电系统。
[0021] 还包括有蓄电池,使得太阳能光伏电池产生的电能可以进行储存,还设置有逆变 器将直流电转换为交流电,以使得可以并网输送,蓄电池以及逆变器设置在设施农业建筑 内。
[0022] 还设置有热能采集部分,热能采集面积至少满足设置农业建筑的冬季供暖或夏季 的制冷,所采用的可再生能源热能采集系统为至少下列之一:
[0023] A、太阳能低温采集系统:包括平板、真空管、热管真空管采集系统;
[0024] B、中高温太阳能热采集系统:槽式、蝶式、塔式采集系统;
[0025] C、浅层地表热热能利用;
[0026] D、地表水源热能,包括地表水源通过热泵进行升温产生的热能或制冷;
[0027] E、生物质热能;
[0028] F、沼气池热能。
[0029] 电能及热能用于设施农业的温度、湿度控制,在设施农业建筑内至少包括产生氧 气的作物种植区、以及吸收氧气的菌类的培植区和/或动物养殖区的两个区域,使得一个 区域与另外一个区域的产生的物质可以构成作物食物链的互补或循环,即产生氧气的作物 种植区、以及吸收氧气的菌类的培植区和/或动物养殖区的氧气数量保持平衡,使其可以 依靠建筑内部的农业形成物质的互补,从而构成动态平衡,不需要额外的氧气和二氧化碳的补充,就可以保持平衡与稳定,构成可再生能源的设施农业。
[0030] 在可再生能源的热采集的区域相对应的区域为透光或半透光的屋顶,其相对应的 建筑物内设置需要阳光照射的种植类作物的种植或者养殖类的养殖,在可再生能源的电能 采集区域所对应的区域的屋顶采用不透明的屋顶,其相对应的建筑物的区域进行不需要阳 光直接照射的菌类培植或者养殖类的养殖。
[0031] 在设置农业建筑的屋顶上和/或墙体上设置有采用太阳能光伏电池板以及太阳 能光热采集系统,实现电能和热能的采集,电能及热能用于设施农业的温度、湿度控制或实 现并网,在太阳能光热采集的区域相对应的区域为透光或半透光的屋顶,其相对应的建筑 物内设置需要阳光的种植类作物的种植或者养殖类的养殖,在太阳能光电所对应的区域的 屋顶采用不透明的屋顶,其相对应的建筑物的区域进行不需要阳光的菌类培植或者养殖类 的养殖。
[0032] 还有传统能源进行补充,以便在特殊气候进行补充,其能源方式可以选择下列之
[0033] A、煤;
[0034] B、油;
[0035] C、气;
[0036] D、电。
[0037] 还设置有一个蓄热系统,热能储存器件设置在建筑物内、建筑顶、地面以下,在热 能储存器件中设置有蓄热材料,蓄热材料周围设置有保温材料,将热能进行储存;蓄热系统 设置在设施农业建筑的室内的地面以下,其上部可以进行种植或养殖。
[0038] 还设置有一个蓄热系统,热能储存器件设置在建筑物内、建筑顶、地面以下,在热 能储存器件中设置有蓄热材料,蓄热材料周围设置有保温材料,将热能进行储存;蓄热系统 设置在设施农业建筑的室内的地面以下,其上部可以进行种植或养殖。
[0039] 种植区的面积和培植区、养殖区的面积完全匹配并构成食物链,种植区产生的氧 气的数量满足培植区的菌类的氧气的吸收数量,种植区吸收的二氧化碳数量满足菌类养殖 区吸收的二氧化碳数量,可以保证建筑内的农业产品的循环要求。
[0040] 还设置有沼气池,将养殖动物的粪便和/或种植类的废弃物投入到沼气池,实现 沼气的生产。沼气用于供暖、制冷、以及发电。
[0041] 多个设施建筑进行连栋建筑,建筑内的温、光、水、气、肥采用智能化自动控制,对 作物或叶片温度、茎流量、茎杆设置有检测仪器,多养殖类动物设置温度、身高、体重检测设 备,并优选无土栽培。
[0042] 设施农业建筑采用平面屋顶或拱形屋顶,其屋顶采用可开启、移动的屋顶,在其至 少三面墙体采用保温墙体,顶部的透光部分采用保温透光材料,优选真空玻璃。
[0043] 设施农业建筑的供暖、制冷优先选用与地表热能进行换热的系统实现能源的供 应,当地表热能的温度达不到设置的要求时,首先采用可再生能源进行补充,优先选用太阳 能热能、浅层地表热能热泵空调、沼气进行补充。
[0044] 热能的采集、传输、控制系统、利用、储存各单元之间的换热、传热,以及设施农业 建筑的供暖、制冷与地表热能进行换热,采用至少下列结构之一:
[0045] A、通过强制循环的流体进行传热,并设置有循环泵;[0046] B、通过热管技术。
[0047] 采用下列结构之一通过热管进行吸热、传热、换热:
[0048] A、普通热管:其蒸发端直接进行对太阳能的接收,冷凝端与一个强制循环流动的 流体进行换热;
[0049] B、整体热管:将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分相互并联到一个 垂直的管道上,组成为整体热管的蒸发端,其共同拥有一个冷凝端,冷凝端蓄热器和/或蒸 汽锅炉连接,将热能进行储存或直接用于产生蒸汽;
[0050] C、分离式循环热管:将多个光学镜 对应的不同的热管的太阳能吸热部分进行串 联,组成为一个共同热管的蒸发端,其共同拥有一个冷凝端,冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉 连接,将热能进行储存或直接用于产生蒸汽;
[0051] D、可连接热管:通过热管的可连接结构将热管进行连接,构成热管的体系;
[0052] E、环路热管;
[0053] F、脉冲热管:将热管进行串联,选取不同的连接段成为冷凝端,构成脉冲自震荡热 管的结构;
[0054] G、循环自激振荡热管。
[0055] 此种结构的跟踪系统的优点为:
[0056] 1、采用本发明的设施农业电站,有机的将农业与发电结合起来,实现了太阳能发 电与设施农业的成本的降低;
[0057] 2、为太阳能光伏提供了一种新的技术应用方法,实现了低成本的太阳能光伏发 电,为规模化的太阳能光伏的应用提供了技术方法;
[0058] 3、实现了实施农业的低成本大规模的发展,特别是为其提供了可再生能源的能源 供应系统;
附图说明
[0059] 图1 :独栋设施农业光伏电站
[0060] 图2 :联栋设施农业光伏电站
[0061] 图中数字含义为:
[0062] 1 :太阳能光伏电池,2 :可再生能源热采集系统,3 :养殖区,4 :培植区,5 :种植区, 6 :蓄热池,7 :保温材料,8 :沼气池,9 :换热系统,10 :并网发电系统。
具体实施方式
[0063] 实施例一:独栋设施农业光伏电站
[0064] 如图1所示,独栋的设施农业建筑中采用真空玻璃管最为可再生能源的热能采集 系统(2),设置在温室屋顶的底部,该部分对应的屋顶为透明的真空玻璃;其下部对应的空 间区域(5),设置蔬菜种植区;在其上部设置有单晶硅的太阳能光伏电池实现可再生能源 的电能采集(1),该部分的为不透明的屋顶,其下部对应的区域分别为鸡的养殖区域(3)和 蘑菇种植区域(4),太阳能热能部分设置有蓄热池(6),设置在建筑底部的地面以下,太阳 能采集部分(2)与蓄热池采用流体的换热装置(9)进行传热,其泵驱动的动力来源于太阳 能光电采集的电能,在种植区域内的地面以下设置有沼气池(8),鸡粪以及蔬菜的残余部分放入到蓄热池内进行成为沼气,沼气用于冬季的供暖以及夏季的制冷;除此之外,全部的控 制系统、营养液的输送、消毒,全部的监控系统所使用的电能全部的用于设施农业的太阳能 采集的电力来提供,这样整个系统采用可再生能源实现设置能源的供应,同时,太阳能光伏 发电通过并网控制系统(10)进行并网输送到远方。
[0065] 实施例二:联栋设施农业光伏电站
[0066] 如图2所示,采用两个联栋的设施农业建筑,第一个采用真空玻璃管最为可再生 能源的热能采集系统(2),设置在温室的屋顶的底部,该部分对应的屋顶为透明的真空玻 璃;其下部对应的空间区域(5),设置无土栽培的稻谷;在其屋顶的上部设置有槽式的聚焦 跟踪的太阳能采集系统实现直接的热发电(1),该部分的为不透明的屋顶,其下部对应的 区域分别为羊的养殖区域(3)和蘑菇种植区域(4),太阳能热能部分设置有蓄热池(6),设 置在建筑底部的地面以下,太阳能采集部分(2)与蓄热池采用流体的换热装置(9)进行传 热,其泵驱动的动力来源于太阳能光电采集的电能,在种植区域内的地面以下设置有沼气 池(8),羊粪以及稻谷的残余部分放入到蓄热池内进行成为沼气,沼气用于冬季的供暖以及 夏季的制冷;第二个建筑与第一个紧密连接构成连体建筑,采用热管真空玻璃管最为可再 生能源的热能采集系统(2),设置在温室的屋顶的上部,该部分对应的屋顶为透明的真空玻 璃;其下部对应的空间区域(5),设置无土栽培的稻谷;在其屋顶的上部设置有槽式的聚焦 跟踪的太阳能采集系统实现直接的热发电(1),该部分的为不透明的屋顶,其下部对应的区 域分别为羊的养殖区域(3)和蘑菇种植区域(4),太阳能热能部分设置有蓄热池(6),设置 在建筑底部的地面以下,太阳能采集部分(2)与蓄热池采用流体的换热装置(9)进行传热, 采用热管技术实现换热。在种植区域内的地面以下设置有沼气池(8),羊粪以及稻谷的残余 部分放入到蓄热池内进行成为沼气,沼气用于冬季的供暖以及夏季的制冷;
[0067] 除此之外,全部的控制系统、营养液的输送、消毒,全部的监控系统所使用的电能 全部的用于设施农业的太阳能光伏的电力来提供,这样整个系统采用可再生能源实现设置 能源的供应,同时,太阳能光伏的电力,通过并网系统(10)输送到电网,实现光伏电站的发

Claims (10)

  1. 一种可再生能源设施农业光伏电站,包括可再生能源采集生成系统、一个设施农业建筑、电力并网系统,其特征是:至少有一个设施农业建筑,在其屋顶上和/或墙体上设置有太阳能光伏电池板,实现电能的采集,电能用于并网传输和/或为设施农业提供能源,即实现光伏的发电又同时保证实现设施农业的进行。
  2. 2.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:太阳能光伏 电池板系统为至少下列之一:A、太阳能单晶硅发电电池;B、太阳能多晶硅发电电池;C、太阳能非晶硅发电电池,包括碲化铬、铜铟镓锡薄膜电池;D、聚焦光伏电池,采用上述电池的聚焦光伏发电系统。
  3. 3.根据权利要求1、2所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:还包括有 蓄电池,使得太阳能光伏电池产生的电能可以进行储存,还设置有逆变器将直流电转换为 交流电,以使得可以并网输送,蓄电池以及逆变器设置在设施农业建筑内。
  4. 4.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:还设置有可 再生能源的热采集的区域,所采集的热能至少满足设施农业建筑的冬季供暖或夏季的制 冷,可再生能源的热采集的区域所采用的可再生能源热能采集系统为至少下列之一:A、太阳能低温采集系统:包括平板、真空管、热管真空管采集系统;B、中高温太阳能热采集系统:槽式、蝶式、塔式采集系统;C、浅层地表热热能利用;D、地表水源热能,包括地表水源通过热泵进行升温产生的热能或制冷;E、生物质热能; F、沼气池热能。
  5. 5.根据权利要求4所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:还设置有一 个蓄热系统,热能储存器件设置在建筑物内、建筑顶、地面以下,在热能储存器件中设置有 蓄热材料,蓄热材料周围设置有保温材料,将热能进行储存;蓄热系统设置在设施农业建筑 的室内的地面以下,其上部可以进行种植或养殖。
  6. 6.根据权利要求4所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:在可再生能 源的热采集的区域相对应的区域为透光或半透光的屋顶,其相对应的建筑物内设置需要阳 光照射的种植类作物的种植或者养殖类的养殖,在太阳能光伏电池的电能采集区域所对应 的区域的屋顶采用不透明的屋顶,其相对应的建筑物的区域进行不需要阳光直接照射的菌 类培植或者养殖类的养殖。
  7. 7.根据权利要求1-6所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:在设施农 业建筑内至少包括作物种植区、菌类的培植区、动物养殖区的至少两个区域,使得一个区域 与另外一个区域的产生的物质可以构成作物食物链的互补或循环。
  8. 8.根据权利要求7所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:种植区的面 积和培植区、养殖区的面积完全匹配并构成食物链,种植区产生的氧气的数量满足培植区 的菌类的氧气的吸收数量,种植区吸收的二氧化碳数量满足菌类养殖区吸收的二氧化碳数 量,可以保证建筑内的农业产品的循环要求。
  9. 9.根据权利要求1-6所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:还有传统能源进行补充,以便在特殊气候进行补充,其能源方式可以选择下列之一: Α、煤;B、油;C、气;D、电。
  10. 10.根据权利要求1-6所述的一种可再生能源设施农业光伏电站,其特征是:还设置有 沼气池,将养殖动物的粪便和/或种植类的废弃物投入到沼气池,实现沼气的生产,沼气用 于供暖、制冷、以及发电。
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