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太阳能温室装备化的构想与新设计

2024-07-30 来源:易榕旅网
总第14卷156期 2012年8月 大众科技 Popular Science&Technology VoL.14 No.8 August 2012 太阳能温 室装备化的构想与新设计 文麒麟 石能文 郑宏飞 文鹏 (1.恭城瑶族自治县环境保护监测站,广西恭城542500; 2.恭城瑶族自治县工信局,广西恭城542500;3.北京理工大,北京100081; 4.桂林旅游专科学校,广西桂林540000) 【摘要】温室是解决农产品跨季节生长和地域性紧缺的有效途径,在温室中配置太阳能集热和储能单元构成储能型太阳能 温室可以改善作物的微气候,同时可以保证作物在高寒地区寒冷季节正常生长。文章系统综述了储能型太阳能温室技术的发展, 介绍了近几年温室技术与太阳能技术的结合情况,分析储能型太阳能温室技术的发展趋势,提出储能型太阳能温室装备化的构 想,给出了一个新设计结构,为太阳能在农业生产上的利用提供借鉴。 【关键词】太阳能温室;储能型;装备化 【中图分类号】TU113.6 【文献标识码】A 【文章编号】1008一i151(2012)08—0128—04 The idea of solar greenhouse equipment and new design Abstract:The greenhouse is an effective way to solve inter—seasonal growth ofagricultural products and regional shortage. Configuration ofsolar collectors and energy storage unit storage——type solar reenhouse can igmprove the microclimate ofthe crop in the reenhousge,at the salTle itme,can guarantee the normal rowtgh of crops in the cold season and the cold region.In he tarticle,development ofstorage type solar greenhouse technology was systematically summarized,the combination ofthe recent years’greenhouse technology and solar energy technology were introduced,the development trend of energy storage type solar reenhouse technolgogy was analyzed,the idea of the equipment of energy storage ype solar greenhouse twas put forward,and a new design structure was gave,so reference was provided for agricultural production use. Keywords:Solar reenhouse;Energy stgorage type;Equipment 作物的生长与成熟与环境参数的变化有着密切联系。对 于某些作物来说,其生长的自然环境未必是最优的,作物的 对矿物质元素和水分吸收代谢紊乱,造成作物生长状况不佳, 进而影响产量和效益。研究表明,当温室内lOcm处土壤温度 低于lO℃时,作物生长将会停止,严重时会造成作物死亡。 目前,主要通过两种手段改善温室内环境…:①通过优化建 造结构改进和提高其保温性和受光性;②通过在土壤中添加 生长情况受土壤温度、环境温度、空气湿度、c0 浓度和土壤 湿度的限制。温室是人类在建筑场所内控制和模拟自然气候 从事作物栽培的一种园艺设施,主要是为作物生长、发育、繁 殖提供适宜气候条件,利用温室可以对作物的微气候进行控 制,也是唯一可以利用太阳光谱中的有用光谱进行作物光合 作用的装置,而且温室内空气流动小,有利于作物生长和病 虫害的防治。 有机酿热物、地下热交换、电加热等方式提高温室地温。这 些手段往往伴随着能耗和污染。而太阳能是一种分布广、储 量多的可再生能源,以太阳能集热储热技术为核心的加热系 统可以改善温室内微气候,替代不可再生的化石能源加热。 然而,对大多数农作物来说,其耐寒能力有限,在冬季 寒冷的季节都将失去生长的功能,特别在高寒地区,冬季温 1储能型太阳能温室栽培技术的发展 温室栽培技术最早可以追溯到公元3世纪,古罗马人采 用云母片作为覆盖物建造温室,生产出了早熟的黄瓜 。在 20世纪初期,开始系统地对温室栽培作物进行研究,从早期 以延长作物生长时间为目的的塑料大棚,经历了被动式太阳 能温室、主动式太阳能温室阶段,发展成为了现代设施农业, 度最低可达一20 30度,因此在高寒地区,冬季利用温室在非 栽培季节生产农产品,可以提高土地产能和利用效率,实现 冬季土地零闲置;还可以满足冬季市场对农产品的需求,减 少农产品长途运输对能源的消耗和环境的污染,实现了低能 耗和高产出。但是,冬季气温偏低,导致作物根系功能异常, 【收稿日期】2012—07-06 【作者简介】文麒麟,男(瑶族),恭城瑶族自治县环境保护监测站站长,工程师,研究方向为环境保护及环境监测。 .128— 实现了全封闭、智能化全天候生产的目的。 高寒地区冬季单纯依靠被动式太阳能温室自身结构来吸 收太阳辐射,有时不能满足作物的生长需要,在夜间温度低 的时候,作物更难获得生长的环境,甚至会被冻伤或者冻死。 ℃,但蓄热温室气温在常见温室栽培作物所需的适宜温度范 围内,换热管道以不同空气流速蓄热对温室的温度环境影响 较小。戴巧利等 试验研究了一套主动式太阳能温室增温系 统,它以空气为换热介质,土壤为蓄热介质,白天利用太阳 为了改善作物生存环境,有些农户会在温室中使用电力或者 煤炭加热升温,这种方法存在几方面的缺点:既污染环境、 消耗能源,又不能有效提高土壤温度。在严冬季节高寒地区 能空气集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地 下管道与土壤进行热交换,将热量传给土壤储存,夜间热量 缓慢上升至地表,从而使土壤保持恒温。通过与自然温室对 可以利用太阳能集热器为温室增温,但这种做法是即取即用 型,在白天太阳辐照度值高的时候,充分利用太阳能转换成 热能为温室提供热量,使白天温室内的温度升高,满足植物 生长的需求。而到了夜间,没有日光照射后,温室内温度散 失很快,尤其是在寒流过境或连续阴雪天气的时候,还需要 其他增温方式辅助加温。 将被动太阳能温室转换为主动太阳能温室的途径是将太 阳能集热一储热一采暖设施与温室技术结合起来。利用主动 太阳能供暖系统在冬季夜间为太阳能温室提供所需的热量。 这主要是针对太阳能温室夜间温度过低,使作物停止生长或 者冻伤、冻死植株等问题进行改进,使温室夜间最低温度高 于作物生长所需的最低温度,保证作物的成活率。 2太阳能技术与温室技术的结合 太阳能技术与温室技术相结合,又称为太阳能增温地中 热交换技术。基本原理是将白天多余的热量转换到地下储存 起来,夜间再将热量释放到温室内,以提高温室内夜间温度。 目前,储能型太阳能温室主要利用水和空气作为换热介质, 结合地区气候和土壤特点,以达到降低农业耗能量的目的。 开展储能型太阳能温室最典型的研究是日本学者山本雄 二郎 在1976年提出的地中热交换系统,系统是用风机将温室 内热空气通到地下5O~140cm,使热量与土壤换热,夜间风机 将土壤中储存的热量释放到温室,提高了温室内土壤温度 李树君等 对长春地区的塑料大棚太阳能增温系统进行试验 研究,搭建了圆拱形试验大棚,建立了风机、风道、引风筒 及温度自动控制系统,如图1所示。通过对棚内黄瓜生长情况 及地中热交换系统经济性的研究,得出该系统增产率高达 10%,增收率高达36%,并具有较好经济效益。蒋锦标等 在辽 东半岛搭建了太阳能地下热交换试验系统,对系统所使用的 各个部件给出了建议规格,提出可以使用膜下滴灌代替漫灌, 为储能型太阳能温室技术推广做了有益的尝试。Ahmet Ku’‘rklu等 将储能型太阳能温室的储能层塞满岩石,构成岩 石床储能层,用风机将热空气吹入储能层中,用恒温控制器 对热量的储存和释放进行控制,系统如图2所示。研究结果表 明,系统太阳能收集效率是34%,能量回收效率高达80%,要 比使用化石能源辅助增温温室更经济环保。王永维等Ⅲ对双层 覆盖温室地下蓄热系统进行研究,系统如图3所示,对比测试 该系统换热管道以不同空气流速蓄热时换热管道进出口空气 温度和湿度、土壤温度以及相邻无蓄热系统温室内的气温、 土壤温度和室外温度,结果表明,在系统换热管道内空气流 速以0.6~2.8 m/s蓄热时,温室内热空气流经换热管道温度 明显降低,使蓄热温室内的气温低于对比温室气温0.1~0.6 一l29一 比,主动式太阳能温室土壤温度平均升高2.3℃。 。 —\ . . l击 ’ 击 -亍 1.风机;2.通道:3.聚苯泡沫塑料层 图1地中热交换系统简图 图2太阳能岩石储能床温室系统示意图 1.轴流式风机;2.进气道:3.蓄热层;4.换热管道;5.隔热层 6.基础层;7.排气道:8.中棚;9.温室 图3双层覆盖地下蓄热温室系统 刘圣勇等 对由太阳能真空管集热器、保温蓄热水箱、循 环水泵和地下散热器等部件组成的太阳能温室蓄热系统与传 统煤炉加热系统进行实验对比研究,以黄瓜生长季节为周期, 研究表明储能型太阳能温室土壤温度比煤炉加热土壤温度平 均提高4.4℃,产量提高21%以上,能够获得较好的经济效益 和环境效益。熊培桂等 人在青藏高原的主动式太阳能温室 中设置太阳能集热储热系统,如图6所示,可使温室内平均最 低气温比室外高17.5 ̄C,室内外平均土壤温差为13.6~18℃, 具有明显的增温效果。王顺生等 “ 研究开发了贮蓄太阳热能 用于夜间温室内增温的太阳能集热调温试验装置。该装置垂 直固定在太阳能温室内靠近北墙的钢筋拱架上,利用冬季晴 天时北墙部位的太阳辐射热量使水增温,并把水储存在蓄热 水箱内,夜间温室内温度降到一定程度时,利用所贮蓄的热 量再给温室加温,实验装置可以使温室夜间温度提高1.7 ̄C。 用家庭附近有限空间自种蔬菜具有浓厚的兴趣,迫切希望有 那些可以集约化生产和操作的农业装备。基于这样的市场需 图4太阳能双层盘管蓄热温室系统示意图 张莹等…在沈阳搭建太阳能温室实验台架,如图5所示, 利用太阳能集热器加热水并在地下散热水管中循环散热来对 温室内土壤进行加热,从而作为一种辅助加温措施以达到降 低农业耗能量的目的,研究结果指出散热管铺设在距地面4O cin处效果最佳。李炳海等“ 为保证太阳能温室作物在沈阳等 高寒地区正常生长,在太阳能温室中设置了太阳能地热加温 系统,以期提高温室内土壤温度。采用自主研发的太阳能地 热加温系统,对实验温室进行研究,结果表明,温室内15cm 深土壤温度在晴天时比不加温的区域高2.94℃,阴天时比不 加温区高2.56℃,而且发现对5am以上的土壤温度和温室内气 温的差异较小。 图5太阳能辅助加温系统示意图 与空气传热介质相比,水传热介质在储能型太阳能温室 系统中还存在:换热管道需做防渗漏处理,造成初期投资成 本增加;在严寒季节,为了防止管道冻裂,需要启用防冻伴 热带,使得整体装置耗能增加;随着运行时间延长,存在补 充水量,安装控制系统的问题,使得温室结构复杂,维护困 难。 3太阳能温室装备化的构想 我国国土面积巨大,在西北地区有绵长的国境线,在这 些国境线上分布有众多的边防哨所,冬季为这些边防哨所运 输蔬菜往往是个大难题。所以迫切需要能够抗严寒的农业设 施或装备。我国西北地区远离东部沿海地区,冬季蔬菜西运 需要高昂的成本,因此在西北地区当地解决冬季蔬菜问题的 要求非常突出。另外,随着人们生活水平的提高,对食品的 安全也越来越重视,目前社会上乱施农药、化肥和其他有害 物质的现象很普遍。食品安全问题屡屡被曝光,人们普遍期 望吃上放心的有机菜,许多先富起来的有钱有闲的家庭对利 求,储能型太阳能温室装备化的需要就产生了。 储能型太阳能温室装备首先克服了传统塑料大棚温室大 而全的思想,不求种植面积的巨大,而求种植技术的提升与 集约化,在有限的空间中,提高单位面积产量,这样它的受 能空间减少了,冬季需要热能的数量降低了,实现了高效供 热。在这种情况下,利用高效聚光型太阳能在非供暖季节就 开始集热,并借助功能材料实现跨季度储热,就完全能够满 足严寒冬季的供能要求。 储能型太阳能温室装备的功能一般要满足下面几个条 件: (1)装置内设备一定要先进,能够实现集约化种植,部 分植物能够实现无土栽培,垂直布局,植物营养液实现自动 输送,要在最小的空间中获得最大的种植面积; (2)除了部分土壤储热外,装置内部设有专门的储热部 件,利用商业相变材料实现太阳能的跨季节储能,即在还未 寒冷的季节就开始利用太阳能集热系统进行储热,同时将装 置内部的储水箱、营养液配备与储存箱加热到合适温度,也 进行用水储热。实现储热的最大化,时间跨度的最大化。 (3)系统内部的运行、湿度与温度的调节必须智能化, 同时必须具有良好的保温、曾光与调光措施,有条件的还需 要有夜间的照明措施,促进植物的生长。 (a)装置的外观正视图;(b)装置的剖面正视图 图6新设计的全自助供热太阳能温室 只有满足了上面要求,太阳能温室才能真正实现装备化。 首先,装置中的聚光式太阳能集热器要在非寒冷季节实现集 热储热,同时,在寒冷季节有太阳光时,集热器的集热温度 还能超过3O度,实现为系统供热的目的。其次要有非常严格 的保温措施,要让有限的热能发挥最大作用。图6给出了我们 构想的一个带储能功能的太阳能温室系统的结构图,图中包 括了由中空玻璃组成的透明维护结构、保温墙体、太阳能集 热器、储能罐体和管路、配料池、通风与控制系统和种植土 壤层等部件。该系统实现了太阳能的高效收集与储存,在寒 冷季节基本无需外界供热即可保证作物的生存与生长。下面 以一个地处沈阳的、温室内部表面积60平方米的装备系统在 l2月份工作的情况为例计算它的热平衡。已知沈阳12月份的 日平均水平面上太阳辐照量为H=6.19MJ/m。d(斜面上的数值更 大)、环境平均气温一8.5 ̄C。假定,温室大棚的工作温度16.5 ℃(内外温差25℃),保温隔热层用聚氨酯发泡0.06米厚, 聚氨酯的导热系数0.025W/m℃。双层中空玻璃的传热系数 2.8W/m ℃,夜间加盖隔热层,总传热系数降为1.4W/m ℃,系 统的结构参数如图6所示。据图可以算出玻璃散热面积为 114m2,保温墙的散热面积48II12,装置底部散热忽略。根据上 .130— 述数据可以计算出12月份的总散热量约为12327MJ。而在12月 份可能的太阳得热量(考虑了倾斜面上的太阳能辐照更大的 情况)约为12247MJ。两者仅相差80MJ。这样的情况下,储能 系统完全可以供应,假设采用储能密度为180kJ/kg的无机相 变材料储能,那么仅需要450kg左右,考虑到还有土壤储热和 配料池水储热等功能,这个储能需求是很容易满足的。考虑 本文利用太阳能这种自然资源,对减少能耗,节约能源改善 生态环保有着重要意义。 【参考文献】 【1张莹,1】刘文合,于威,等.东北型日光温室太阳能辅助加温系 统试验研究Ⅱ】.水电能源科学,2010,28(3):158—160. 【2】王云琴.欧盟国家温室农业的发展现状Ⅱ1.河南科技, 2000.9:11-12. 到还有严酷的1月和2月份,在适当降低工作温度的条件下, 再将储能总量增加到4 5吨,则可以完全满足要求。 如果,技术更进一步,双层中空玻璃换成双层真空玻璃, 并在玻璃的表面镀保温膜,即使是单膜的真空玻璃,目前的 散热系数也在1.OW/m。℃左右,只有中空玻璃的三分之一,因 此无需再用夜间加盖隔热层,也完全能够满足装置的采暖要 求,但成本会有所上升。 关于系统的经济价值,可做如下分析。系统造价估计在 f3J戴巧利.主动式太阳能空气集热一土壤蓄热温室增温系统 的研究ID1,江苏大学,2009,6:16—17. 【4J李树君,谢毓琦.寒冷地区塑料大棚太阳能增温系统的试 验研究卟农机与食品机械,1997,249(3):11—12. 【5】蒋锦标,赵冬梅,才丰.太阳能地下热交换在日光温室的应 用U].辽宁农业职业技术学院学报,2001,3(3):7-8. 【6】Ahmet Ku”rklu一,Semi Bilgin a,BurhanO”zkan.A stuay on the solar energy storing rock—bed to heat a polyethylene 2l万元左右,假定使用寿命15年,那么每年的分摊成本为1.4 万元/年。这样的系统利用高技术手段,每年可以生产蔬菜 1200kg,平均每公斤蔬菜只有11.7元。而在边远的边防哨所, 每年都需要汽车甚至直升机运送食品,而且还不能保证蔬菜 的新鲜与及时供应,相比而言,这个成本是可以接受的。 tunnel type greenhouse[J].Renewable energy,2003,28:683—697. 【7】王永维,梁喜凤,王俊,等.温室地下蓄热系统换热管道空气 流速对蓄热效果影响o1.农业机械学报,2009,4O(s): 173-177. 4结论 本文对储能型太阳能温室系统的发展进行了总结,提出 了太阳能温室装备化的构想,给出了一个初步设想的结构。 【8】戴巧利,左然,李平,等.主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料 大棚增温系统及效果刚.农业工程学报,2009,25(7): 164-167. 我们构想的装置在夏季利用聚光式太阳能集热器收集太阳 光,产生高温热能,并利用相变储能材料储存起来,实现跨 季度储热。到冬季将储存的热量缓慢释放,保证系统所需要 的温度。计算分析表明,经过高科技武装的太阳能温室系统, 能够在寒冷的季节实现自主供热,保证植物的生存与生长需 要。太阳能温室系统装备化是一个很好的趋势,可以满足寒 冷地区冬季的蔬菜的供应要求。当前全社会都提倡节能减排, 【9】刘圣勇,张杰,张百良,等.太阳能蓄热系统提高温室地温的 试验研究U】.太阳能学报,2003,24(8):461-464. [10】熊培桂,李莉.青海高原太阳能蔬菜温室研究U1.青海农林 科技,1990,3:1—9. 【11】王顺生,马承伟,柴力龙,等.日光温室内置式太阳能集热调 温装置试验研究u1.农机化研究,2007,2:130—133. 【121李炳海,须晖,李天来等.日光温室太阳能地热加温系统应用 效果研究Ⅱ】.沈阳农业大学学报2009,40(2):152—155. (上接第147页)在振荡电路(含正反馈电阻、电容、放电 二极管、开关变压器之正反馈绕组及其连接电路)。 (3)若振荡电路也很正常,则测开机瞬间电源电压+B 时元件或晶振进行替换法检查。 (5)如果测的行激励信号正常,但行输出管b集却没有 激励信号,则表明摧动级或行输出管b集出现开路或短路性 故障。测摧动管C集有没有电压,若没有,多数是C集限流 电阻开路。或行摧动变压器初级绕组焊点开裂,少数是摧动 输出电压,若读数很小,能后迅速降为0则故障在:1)脉冲 或频率控制电路;2)负载短路;3)开关电源的保护电路。 3行输出级不工作或工作异常之检修与步骤 (1)测行输出管b集电压,若不正常则测行振荡级或检 查供电电路。 管c/e集击穿或行摧动变压器初级所接阻尼电容短路。若测 的行摧动管才集限流电阻两端没有电压降(即电阻不发热), 则基本上可认为是行摧动管开路。 (6)若测的行摧动级工作异常,很显然是行输出管b 集回路出现短路或开路故障,应对b集回路电阻、电容、电 (2)若行振荡电路正常,再查行摧动管b集有没有行激 励信号,若激励信号没有,则可能是行振荡电路未振荡或预 摧动级损坏导致没有输出,也有可能行摧动管b集回路有短 路或断路情况。若是前者行激励信号输出端一般没有激励信 号输出,至于后者,可通过检测电路之电阻值予以确认。如 感等元件(包括其焊点、铜箔走线等)做认真检查。 (7)若测的行激励信号已加至到行输出管,再测其c 集有没有+B电压,如没有,应对+B供电电路进行检查。若电 视的开/关机是靠切断+B来实现的,则必须对其开/关机电路 做检查。但必须注意,若测的行管C集对地电阻为0,则没 有电压进行管或行逆程电容击穿所致。 (8)若行输出管出现吱吱的声音,行输出管严重发烫, 果测的行摧动管b集电压偏高,则说明行振荡器未振荡。 (3)若确认行振荡电路未工作,先考虑X射线保护电 路是否工作。检查有关x射线端子电压,若偏高可能是电流 过大或行逆程脉冲过高,导致保护电路不工作,检查+B电压 是否过高,逆程电容是否失灵。 (4)若X射线保护电路不工作,则应对行振荡级电路定 同时行输出管C集电压有明显下跌现象,则说明行负载电路 严重短路。 一l31. 

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