零能耗光電光熱耦合立體生態農業大棚的設計研究

艾雅茹 魯珊 周麗 李成杰 陳夢娟 李安英 曹燕

[摘 要]為了解決傳統農業大棚面臨的諸多問題，本團隊將光電產業、光熱產業、立體農業和生態農業與傳統農業大棚相結合，提出“光電，光熱產生能量供給大棚使用，使產生的能源大于作物生產中所消耗的能源，從而實現‘零能耗”的觀點。

[關鍵詞]太陽能;光伏發電;溫室大棚;設計研究

[中圖分類號]S625 [文獻標識碼]A

1 設計背景

2013年12月23日至24日，在北京舉行的中央農村工作會議中提出要堅守18億畝耕地紅線，也明確指出農業發展面臨著糧食需求迅速增長、生產成本居高不下、產量提升空間日益收窄、耕地利用粗放的問題。

本設計團隊響應武漢市團委號召，積極參與到“新青年下鄉”活動，在本團隊武漢市蔡甸區練武村進行下鄉活動的過程中，發現許多貧困地區依舊使用傳統農耕進行果蔬的種植，而這樣傳統的農耕方式存在低效、土地資源不能有效利用等諸多缺點。如何改善傳統農耕方式成為了本團隊考慮的問題。

2 傳統農業大棚存在的問題

傳統農業大棚種類頗多，如塑料溫室、玻璃溫室、日光溫室、塑料大棚等，經本團隊的走訪調研，武漢市蔡甸區練武村的傳統農業大棚的使用主要以塑料大棚為主，其存在的缺點主要如下：

（1）使用壽命較短。傳統農業大棚表面覆蓋的塑料薄膜往往面積大，抗壓能力弱，在大風、積雪天氣極易撕裂和坍塌，一般一至兩年后就老化破裂，使用周期短，其回收率又不足20%，增加了維護成本，并因為更換廢棄塑料薄膜，產生了大量的“白色污染”。

（2）大棚內作物生長環境不理想。傳統農業大棚土地占用面積大，有效利用率卻不高。夏天棚內溫度過高，冬季又存在保溫性能差的問題，無法滿足作物適宜的溫度環境，另外，傳統的農業大棚還存在光照不足的情況，為了提供足夠的光照環境，需要在大棚內使用LED照明燈，而這些設備大量消耗能源，不符合節能環保要求。

（3）有機廢物不能有效利用。通常牲畜圈養區與農業大棚距離較遠，牲畜產生的糞便無法高效、及時地轉換為肥料供給給農作物，并且，農業大棚內的廢棄作物不能及時處理，存在有機廢物不能有效利用的問題。

針對傳統溫室大棚存在的各種缺陷，本團隊將光電產業、光熱產業、立體農業和生態農業與傳統農業大棚相結合，光電、光熱產生能量供給大棚使用，解決了傳統農業大棚內設備耗能的問題，并實現“零能耗”設想，創造“零能耗光電光熱耦合立體生態農業大棚”的環保新概念。

3 設計研究與分析

3.1 基本設計思路

開發“零能耗光電光熱耦合立體農業大棚”，以一定比例進行蔬菜種植與牲畜養殖。次等的蔬菜喂雞，雞的糞便在沼氣池中發酵產生電供建筑使用，同時剩下的沼渣可用于農作物的肥料，使廢料得到了循環利用，實現生態農業。

通過太陽能、光伏板和風力發電裝置將太陽光轉換為直流電能，并使用控制器對蓄電池進行充放電控制。轉換的直流電直接用于大棚內各設備的用電。夏季白天光照充足時，可將多余的能量轉化儲存，而夜晚及陰天等光線不足時，將能量釋放出來。對于冬季大棚內存在保溫性能差的問題，本團隊通過集熱管產生熱水，用于冬季大棚室內溫度的控制。

并且關于光伏、風力發電應用于農業大棚，在解決棚內設備用電的同時，還可將多余的能源輸送至國家電網，從而獲取國家相關政策發放的光伏發電量補貼。

3.2 大棚結構形式

大棚主要框架結構由鋼管焊接而成，用鋼筋材料將大棚分為上下兩個空間，面積均為15（m）×40（m），上層層高3m主要用于牲畜的養殖，下層層高2.5m主要用于農作物的種植。大棚頂部屋面形式采用人字形，除設置的4個天窗井外的位置，光伏組件連續排布于屋面，光伏組件取代原有的塑料薄膜，在發電的同時，減少了“白色污染”。光伏系統除了為常規設備給予基本的提電外，與此同時還可以為LED提供補光電力、驅蟲殺蟲設施提供能量。

大棚上下兩層各面除4個天窗井、大棚四周的側窗，均采用雙玻組件進行鋪設以增強透光性外，也均采用光伏板進行連續排布，以增強發電效率。雙玻組件具有很好的分光性，可透過 400～800nm 可見光，對紫外線和紅外線能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外線對植物傷害避免過多熱量進入溫室，晚上同樣能阻止室內紅外熱量向外輻射，起到很好的保溫隔熱作用。

3.3 電腦繪圖與實物模型

4 總結

該零能耗光電光熱耦合立體農業大棚的設計相較于傳統大棚來說，具有更節能，土地利用效率更高，更加安全可靠，利用率較高等優點。設計中將每個環節產生的廢物進行再利用，充分利用其中的能量，在大棚內構成一個生態循環，為農戶節省許多成本，對環境的傷害也較小。另外在合適的設計比例下，不僅可以實現零能耗，而且在光照充足的條件下可以并網發電。如果發電效益可觀，還可以引入現有光伏補貼廠家進行初始投資，共同收益。對于農戶而言，不僅可以得到農產品收入，還能得到發電收益，并且獲得初投資，能順利實現脫貧致富的目標。

[參考文獻]

[1] 周志敏，紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2] 楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3] 黃勇.光伏發電系統在溫室大棚上的應用[J].科技廣場，2012.

[4] 韓建會，薛金祥.改良型塑料大棚的設計及溫度初探[J].中國農學通報，2010（01）.

[5] 高新昊，張英鵬，劉兆輝.種植年限對壽光設施大棚土壤生態環境的影響[J].生態學報，2015（03）.