CN110905660A - 一种用于设施农业的多能互补循环利用系统和应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于设施农业的多能互补循环利用系统和应用方法，多能互补能源控制系统将来自于风力发电系统、市政电网、燃气分布式发电机组和太阳能发电系统的电力进行智能统一调度，供应生产生活用电；燃气分布式发电机组采用市政燃气或来自沼气池的沼气发电；燃气分布式发电机组的烟气余热为种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖提供热能；太阳能发电系统设于种植温室的屋顶上；种植温室为畜禽养殖和水产养殖提供青饲料，种植温室、畜禽养殖和水产养殖共同为沼气池提供沼气原料；沼气池为燃气分布式发电机组提供沼气，同时为种植温室提供肥料。

Description

一种用于设施农业的多能互补循环利用系统和应用方法
技术领域
本发明属于能源供应领域，具体涉及一种用于设施农业的多能互补循环利用系统和应用方法。
背景技术
设施农业就是综合应用工程装备技术、生物技术和环境技术，通过采用一定的设施和装置，按照动植物生长发育所要求的最佳环境，局部范围改善或创造环境气象因素，使植物或动物获得最佳生长环境的生产方式，如温室、大棚、农业工厂、工厂化养殖场等。
设施农业要实现和保持动植物的最佳生长环境，就需要消耗大量的电力、热量、冷量等能源，能源费用约占设施农业生产总成本的15%～40%。因此能源的供应安全直接影响设施农业的正常生产；能源的成本高低直接影响设施农业的生产成本；能源的获取方式直接决定设施农业CO2和污染物的排放水平。
设施农业的能源主要有两大类，分别是常规能源和可再生能源。常规能源主要有市政电力和化石燃料；可再生能源主要包括太阳能、风能、沼气、地源热泵等。
目前在设施农业生产过程中，能源利用方式有以下几种：
（1）市政电力主要用于驱动农业生产机械及生产控制系统，也用于转换为热量和冷量来保持设施农业的环境要求，如电加热和电制冷等；
（2）化石燃料主要用于锅炉采暖，其中天然气也用于燃气分布式冷热电三联供：燃气分布式发电机组燃烧天然气发电，为设施农业提供电力，同时将发电产生的余热和烟气加以回收利用，烟气热量作为温室的热源和冷源，烟气中的CO2经过净化后作为植物气肥，促进植物生长；
（3）太阳能主要用于太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统；
（4）风能主要用于风力发电和风力制热；
（5）沼气是将农业废弃物及畜禽、水产养殖排泄物等通过微生物发酵产生的；主要用于锅炉采暖和燃气分布式进行冷热电三联供：燃气分布式发电机组燃烧沼气发电，为农业温室提供电力，同时将发电产生的余热和烟气加以回收利用，烟气热量作为温室的热源和冷源，烟气中的CO2经过净化后作为植物气肥，促进植物生长；沼渣和沼液作为肥料供应植物生长；
（6）地源热泵是通过消耗电能，利用水与地球表面浅层地热资源（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源。在夏季抽取地下冷量制冷，在冬季抽取地下热量采暖。
虽然在设施农业中使用可再生能源，不仅可降低能耗，还可减少CO2和各种污染物的排放，是绿色环保的农业生产方式，也是未来设施农业的发展方向，但是目前我国可再生能源在设施农业中的利用方式存在一些问题：
（1）太阳能：由于受地理位置、季节、阴雨天、夜晚或特殊天气等环境的影响，太阳能的能源生产和供应都存在间歇性，不能保证持续；另外由于技术水平的限制，太阳能光伏发电的转换效率较低；
（2）风能：风能利用受地理位置限制严重，再加上风力的间歇性，不稳定性、转化效率低、占地面积大等缺点；
（3）沼气：沼气的生产受气温、原料的影响较大；沼气中的硫化物会腐蚀设备，需要进行脱硫；沼气燃烧后的NOx排放到大气中会严重污染环境；
（4）地源热泵：首先，地源热泵需要消耗市政电力驱动空调设备，而市政电力的主要来源为煤电，因此会增加CO2和污染物的排放；其次，南方地区以供冷为主，主要向地下注入热量；而北方地区冬季供暖需求大，主要向地下注入冷量，因此系统在常年运行后，会导致地下温度失衡，系统效率降低，影响周围生态；第三，由于需要向地下打井，因此必须有足够的面积用于打井和埋管；第四，由于涉及到打井、安装等，因此其建造成本要高于常规空调近40%；第五，由于地源热泵结构更加复杂，对设计、施工、施工现场管理要求都比很高，地下设备一旦出现故障就不可维修，只能废弃或者重新打井；
（5）能源种类单一，保障系数低：目前设施农业中的可再生能源，能源种类比较单一，大部分只是利用一种可再生能源，比如农光互补、沼气锅炉等；一旦可再生能源出现问题时，没有备用能源，就无法保障农业温室的电力、冷量、热量的供应安全。
发明内容
本发明提供一种用于设施农业的多能互补循环利用系统，采用多能互补的方式，将市政电力、化石能源、清洁能源、可再生能源与循环经济相结合，在设施农业的生产过程中，协调各种能源供应方式的运行，使其与设施农业的能源需求相匹配，以达到提升能源保障系数，减少二氧化碳排放和环境污染，降低能源成本，实现能源资源综合利用的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于设施农业的多能互补循环利用系统的应用方法，其特征在于，将市政电力、化石能源、清洁能源与可再生能源进行智能统一调度供应，在设施农业的生产过程中，将种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖结合起来，协调运行形成资源循环利用、多能互补的结合体。
具体地，本发明所述的一种用于设施农业的多能互补循环利用系统的应用方法，采用多能互补能源控制系统将来自于风力发电系统、市政电网、燃气分布式发电机组和太阳能发电系统的电力进行智能统一调度，供应生产生活用电；所述燃气分布式发电机组采用市政燃气或来自沼气池的沼气发电；所述燃气分布式发电机组的烟气余热为种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖提供热能；所述太阳能发电系统设于所述种植温室的屋顶上，作为电力的补充能源；所述种植温室为所述畜禽养殖和所述水产养殖提供青饲料，所述种植温室、所述畜禽养殖和所述水产养殖共同为所述沼气池提供沼气原料；所述沼气池为燃气分布式发电机组提供沼气，同时为所述种植温室提供肥料。
本发明所述的一种用于设施农业的多能互补循环利用系统，其特征在于，主要包括：多能互补能源控制系统，所述多能互补能源控制系统的电力输入端分别与风力发电系统、市政电网、燃气分布式发电机组和太阳能发电系统相连接；所述多能互补能源控制系统的电力输出端与生产生活用电相连接；所述燃气分布式发电机组的供气端分别与燃气管道/储罐和沼气脱硫塔相连接，其电能输出端与所述多能互补能源控制系统相连接；所述燃气分布式发电机组的烟气出口与溴化锂机组相连接；所述溴化锂机组的烟气出口与烟气净化塔相连接；所述烟气净化塔的排气口和与尿素溶液出口分别所述种植温室相连接；所述溴化锂机组的循环水进出口分别通过水循环管道与板式换热器相连接；所述板式换热器的套管循环水进出口分别通过水循环管道与种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖的温度调节器相连接；所述太阳能发电系统设于所述种植温室的屋顶上；所述种植温室的出货口分别与所述沼气池的原料入口、所述畜禽养殖和所述水产养殖的饲料进口相连接；所述畜禽养殖和所述水产养殖的出粪口均与所述沼气池相连接；所述沼气池的沼气出口与沼气脱硫塔的进气口相连接；所述沼气脱硫塔的出气口与所述燃气分布式发电机组的进气口相连接；所述沼气池的出粪口与所述种植温室的肥料入口相连接。
与现有技术相比，本发明的优点为：
（1）本发明将风能、太阳能、储能、沼气、燃气分布式发电、市政电网等能源进行集中控制，通过多能互补能源控制系统进行智能调度，使各种可再生源能之间、可再生能源与常规能源之间能够取长补短、互补不足，使其互为备用，提高了能源保障系数；（2）通过增加可再生能源的利用比重和效率，减少了设施农业的市政电力消耗；节约了能源成本，提高了设施农业的经济性；减少了二氧化碳的排放；基本消除了设施农业的环境污染；（3）设置了二氧化碳回收利用系统，不仅能够充分利用CO2为农作物增产，还进一步减少了设施农业的CO2排放。该装置在晚上时，将燃气分布式余热烟气中的CO2和农作物呼吸作用排放的CO2进行收集和存储；在白天时，将其作为气肥释放到种植温室中，用于农作物增产；（4）将多能互补与循环经济结合起来，实现了能源资源的循环利用，打通了能源和资源之间的转换壁垒，实现了能源资源综合利用的目的。
附图说明
图1为本发明的多能互补循环利用系统的示意图；
图中：1-风力发电系统，2-生产生活用电，3-多能互补能源控制系统，4-储能电池，5-市政电网，6-燃气分布式发电机组，7-燃气管道/储罐，8-沼气脱硫塔，9-烟气净化塔，10-溴化锂机组，11-应急冷却塔，12-板式换热器，13-二氧化碳循环利用装置，14-种植温室，15-温室屋顶太阳能发电系统，16-沼气池，17-畜禽养殖，18-水产养殖。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于设施农业的多能互补循环利用系统，主要包括：多能互补能源控制系统3，所述多能互补能源控制系统3的电力输入端分别与风力发电系统1、市政电网5、燃气分布式发电机组6和太阳能发电系统15相连接，将电力统一控制和调度，根据实际需要，同时或分别接受其中某一个或几个上述电力来源的供电；所述多能互补能源控制系统3的电力输出端与生产生活用电2相连接，为所述生产生活用电2提供电能；
进一步地，所述多能互补能源控制系统3还与储能电池4相连接，通过所述储能电池4的储能和释能，用于调节电力波峰与波谷；
所述燃气分布式发电机组6的供气端分别与燃气管道/储罐7和沼气脱硫塔8相连接，通过燃烧所述燃气管道/储罐7送来的天然气和/或所述沼气脱硫塔8送来的脱硫沼气生产电能；其电能输出端与所述多能互补能源控制系统3相连接；
所述燃气分布式发电机组6的烟气出口与溴化锂机组10相连接，利用高温余热烟气驱动所述溴化锂机组10工作，产生冷水或热水；
所述溴化锂机组10的烟气出口与烟气净化塔9相连接，将释放了热量的低温余热烟气供给所述烟气净化塔9；所述烟气净化塔9将低温余热烟气脱除烟气颗粒，采用尿素溶液脱除烟气中的NOx生产氮肥；
所述烟气净化塔9的排气口和与尿素溶液出口分别所述种植温室14相连接，将排出的干净二氧化碳气体供给温室中的植物作为气肥，将尿素溶液供给温室中的植物作为氮肥；
进一步地，在所述烟气净化塔9与所述种植温室14之间，还设有二氧化碳循环利用装置13，与二者分别有二氧化碳循环管道相连接，用于调节所述种植温室14内二氧化碳的浓度；
所述溴化锂机组10的循环水进出口分别通过水循环管道与板式换热器12相连接，将剩余能量供给所述板式换热器12进行热交换；所述板式换热器12的套管循环水进出口分别通过水循环管道与种植温室14、沼气池16、畜禽养殖17和水产养殖18的温度调节器相连接，通过循环水将与所述溴化锂机组10的余热交换得到的能量供应给这些终端用户；
所述太阳能发电系统15设于所述种植温室14的屋顶上；所述种植温室14的出货口分别与所述沼气池16的原料入口、所述畜禽养殖17和所述水产养殖18的饲料进口相连接，为所述畜禽养殖17和所述水产养殖18提供青饲料，为所述沼气池16提供农业种植废弃物作为沼气原料；
所述畜禽养殖17和所述水产养殖18的出粪口均与所述沼气池16相连接，为其提供畜禽养殖的排泄物和水产养殖的排泄物作为沼气原料；所述沼气池16的沼气出口与沼气脱硫塔8的进气口相连接，采用氧化铁脱除烟气中的硫；所述沼气脱硫塔8的出气口与所述燃气分布式发电机组6的进气口相连接，将脱硫后的沼气供应给所述燃气分布式发电机组6进行发电；
所述沼气池16的出粪口与所述种植温室14的肥料入口相连接，为所述种植温室14提供沼气残泥作为肥料。
进一步地，所述溴化锂机组10还分别通过出水口和进水口与应急冷却塔11相连接，当所述板式换热器12的回水不能满足所述溴化锂机组10的需要时，由所述应急冷却塔11提供水的循环加热与冷却。
进一步地，所述种植温室14的温度调节器为设于内部的鼓风式换热器；所述沼气池16的温度调节器为设于内部的冬季加温器；所述畜禽养殖17的温度调节器为设于内部的鼓风式换热器；所述水产养殖18的温度调节器为设于内部的水温控制器。
本发明的一种用于设施农业的多能互补循环利用系统，工作原理如下：
所述多能互补能源控制系统3通过智能调度，优先使用所述风力发电系统1、所述燃气分布式发电机组6、所述温室屋顶太阳能发电系统15等可再生能源和清洁能源生产的电力，将其供应给所述生产/生活用电2；
当所述生产/生活用电2的电力需求量低于可再生能源和清洁能源的电力供应量时，多余的电力由所述多能互补能源控制系统3输入到所述储能电池4中储存起来；当所述生产/生活用电2的需求量超出可再生能源和清洁能源的电力供应量时，差额部分由所述多能互补能源控制系统3优先从所述储能电池4调用；若所述储能电池4完全放电后依然不足的，由所述多能互补能源控制系统3再从所述市政电网5调用；
“燃气分布式发电机组6”通过燃烧天然气/沼气发电，电力输入“多能互补能源控制系统3”由其进行智能调度；高温余热烟气输入“溴化锂机组10”生产热量/冷量；
“燃气分布式发电机组6”的燃气来源有2个：一个是由“沼气池16”生产并经过“沼气脱硫塔8”脱硫后的脱硫沼气，另一个是“燃气管道/储罐2”的天然气；“燃气分布式发电机组6”在运行过程中优先使用脱硫沼气，当脱硫沼气不够或者故障时，由天然气进行补充；
“溴化锂机组10”生产的热量/冷量通过“板式交换器12”输送到“种植温室14”、“畜禽养殖17”、“水产养殖18”用于控制环境温度；另外在冬季时，也输送到“沼气池16”用于保温，促进沼气生产；
高温余热烟气经过“溴化锂机组10”后变成低温余热烟气，被送入“烟气净化塔9”进行脱硝；“烟气净化塔9”采用尿素为脱硝剂，去除烟气中的氮氧化物NOX，脱硝后的尿素溶液被送入“种植温室14”作为肥料用于农作物生长；
从“烟气净化塔9”中脱硝出来的烟气中含有大量洁净的CO2，因此在白天时，这些烟气被输入到“种植温室14”中作为气肥，促进农作物生长；在夜晚时，这些烟气被输入到“二氧化碳循环利用装置13”中储存起来，到白天时再释放发到“种植温室14”；另外，在晚上时，“二氧化碳循环利用装置13”还将“种植温室14”中农作物释放的CO2收集和存储起来；在白天时，释放到“种植温室14”中；
“种植温室14”生产的农作物作为青饲料供应给“畜禽养殖17”和“水产养殖18”用于畜禽养殖和水产养殖；
“种植温室14”的农业种植废弃物、“畜禽养殖17”的畜禽养殖排泄物、“水产养殖18”的水产养殖排泄物均被输入到“沼气池16”中发酵生产沼气；
“沼气池16”生产的沼气，首先进入“沼气脱硫塔8”，在塔中经过氧化铁脱硫后，送入燃气分布式发电机组进行发电；生产沼气后剩余的沼渣、沼液等沼气残泥作为肥料送入“种植温室14”促进农作物生长。

Claims (7)

1.一种用于设施农业的多能互补循环利用系统的应用方法，其特征在于，将市政电力、化石能源、清洁能源与可再生能源进行智能统一调度供应，在设施农业的生产过程中，将种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖结合起来，协调运行形成资源循环利用、多能互补的结合体。
2.根据权利要求1所述的多能互补循环利用系统的应用方法，其特征在于，多能互补能源控制系统将来自于风力发电系统、市政电网、燃气分布式发电机组和太阳能发电系统的电力进行智能统一调度，供应生产生活用电；所述燃气分布式发电机组采用市政燃气或来自沼气池的沼气发电；所述燃气分布式发电机组的烟气余热为种植温室、沼气池、畜禽养殖和水产养殖提供热能；所述太阳能发电系统设于所述种植温室的屋顶上；所述种植温室为所述畜禽养殖和所述水产养殖提供青饲料，所述种植温室、所述畜禽养殖和所述水产养殖共同为所述沼气池提供沼气原料；所述沼气池为燃气分布式发电机组提供沼气，同时为所述种植温室提供肥料。
3.一种应用于权利要求1或2的用于设施农业的多能互补循环利用系统，其特征在于，主要包括：多能互补能源控制系统（3），所述多能互补能源控制系统（3）的电力输入端分别与风力发电系统（1）、市政电网（5）、燃气分布式发电机组（6）和太阳能发电系统（15）相连接；所述多能互补能源控制系统（3）的电力输出端与生产生活用电（2）相连接；所述燃气分布式发电机组（6）的供气端分别与燃气管道/储罐（7）和沼气脱硫塔（8）相连接，其电能输出端与所述多能互补能源控制系统（3）相连接；所述燃气分布式发电机组（6）的烟气出口与溴化锂机组（10）相连接；所述溴化锂机组（10）的烟气出口与烟气净化塔（9）相连接；所述烟气净化塔（9）的排气口和与尿素溶液出口分别所述种植温室（14）相连接；所述溴化锂机组（10）的循环水进出口分别通过水循环管道与板式换热器（12）相连接；所述板式换热器（12）的套管循环水进出口分别通过水循环管道与种植温室（14）、沼气池（16）、畜禽养殖（17）和水产养殖（18）的温度调节器相连接；所述太阳能发电系统（15）设于所述种植温室（14）的屋顶上；所述种植温室（14）的出货口分别与所述沼气池（16）的原料入口、所述畜禽养殖（17）和所述水产养殖（18）的饲料进口相连接；所述畜禽养殖（17）和所述水产养殖（18）的出粪口均与所述沼气池（16）相连接；所述沼气池（16）的沼气出口与沼气脱硫塔（8）的进气口相连接；所述沼气脱硫塔（8）的出气口与所述燃气分布式发电机组（6）的进气口相连接；所述沼气池（16）的出粪口与所述种植温室（14）的肥料入口相连接。
4.根据权利要求3所述的多能互补循环利用系统，其特征在于，所述多能互补能源控制系统（3）还与储能电池（4）相连接。
5.根据权利要求3所述的多能互补循环利用系统，其特征在于，在所述烟气净化塔（9）与所述种植温室（14）之间，还设有二氧化碳循环利用装置（13），与二者分别有二氧化碳循环管道相连接。
6.根据权利要求3所述的多能互补循环利用系统，其特征在于，所述溴化锂机组（10）还分别通过出水口和进水口与应急冷却塔（11）相连接。
7.根据权利要求3所述的多能互补循环利用系统，其特征在于，所述种植温室（14）的温度调节器为设于内部的鼓风式换热器；所述沼气池（16）的温度调节器为设于内部的冬季加温器；所述畜禽养殖（17）的温度调节器为设于内部的鼓风式换热器；所述水产养殖（18）的温度调节器为设于内部的水温控制器。
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