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光伏农业温室类型解析与设计探索

状元红心水主论坛  来源:上海孙桥溢佳农业技术股份有限公司 阅读数:828

  近些年来,随着我国农业产业结构的深化调整和转型升级,以科技、高效、安全、环保和多功能为标志的现代化农业项目蓬勃发展。

  通过安装太阳能组件发电和现代农业生产的跨界组合,光伏农业大棚在有效利用太阳能资源,产出清洁绿色能源的同时,开启了现代生态农业的一种新型发展模式。光伏农业科技大棚是分布式光伏应用的一种新的模式,也是中国温室园艺产业近年来兴起的一种新型设施结构形式。光伏农业科技大棚是一种与农业生产相结合,棚顶或棚后间距太阳能发电、棚内发展农业生产的新型光伏系统工程,是现代农业发展的一种新模式。它通过建设棚顶或棚后间距光伏电力工程实现清洁能源发电,最终并入国家电网,同时在棚下将光伏科技与现代农业发展有机结合,发展现代高效农业,探索农作物生产安全高效新模式,有效地利用有限的资源、空间,提高单位土地经济效益。

  自2007年以来,荷兰、日本、美国等国际设施园艺发达国家均把光伏温室作为实现温室低碳、高效生产的重要手段,集中力量进行技术研究或示范建设。

  2009年以来,受国家设施园艺和“金太阳工程”等促进政策及光伏企业的农业产业化需求的驱动,中国在山东、河北、江苏、江西等已开展了光伏温室的探索性建设,并在2012年以后处于一种加速发展的状态。国家“十二五”规划明确提出将大力发展光伏等新能源产业。国家能源局正式下发国能新能(2015)73号文件,发布《2015年光伏发电建设实施方案》。方案提出,鼓励结合生态治理、设施农业、渔业养殖、扶贫开发等合理配置项目,鼓励通过竞争性方式配置项目资源,选择技术和经济实力强的企业参加项目建设,促进光伏发电上网电价下降,对降低电价的地区和项目适度增加建设规模指标。《太阳能光伏产业“十二五”发展规划》已将太阳能光伏生态大棚电站的模式划定为BIPV(光伏建筑一体化)示范项目,享受国家财政补贴。

  近几年来,中国建成及在建的光伏温室占地几十万余亩,装机功率不下GW,类型主要有光伏日光温室、光伏塑料大棚及光伏连栋温室等。本文主要对国内现有的光伏温室技术进行分析,对光伏温室类型进行归纳、并对温室建造及特点进行分析。

  一、光伏温室类型

  按照温室大棚结构类型主要有光伏单栋大棚及光伏连栋温室之分。

  (一)单栋光伏温室

  1、光伏蘑菇棚

  典型的蘑菇棚宽6~7m,长度可为30m、45m及60m等。基础由红砖砼组成,房内地面用水泥抹平出光。房外散水坡为水泥砼。墙板为厚双面铁皮岩棉板,房内骨架为钢结构。主立柱、斜梁架、前后檩条为热镀锌方管,房面檩条为C型钢材,其余材料为热镀锌方管和角铁,门窗为铝合金质。基础上面设有立柱预埋铁,梁架焊接处用防锈漆处理。

  功能:蘑菇棚主要用于平菇、木耳等袋装菌类的立体养殖,也可作为养蚕棚使用。

  特点:由于食用菌较喜阴,把食用菌大棚和光伏做结合,可实现光伏建筑一体化,但适用性能单一。

  

  2、阳光房式光伏大棚

  与光伏蘑菇棚类似,南侧以发电组件和专用附框与钢骨架柔性连接;北侧屋顶部位采用普通夹胶玻璃;南北侧立面采用钢化大板玻璃,房内骨架为钢结构。

  功能:四周为透明材料,有散射光进入,适宜种植耐阴作物,是观光旅游和生态农业一体化的智能型新型农业大棚。

  特点:此类型大棚成本较高,但装机量大,可添加的其他可选辅助设备多,可建成观光旅游和生态农业一体化的智能型新型农业大棚。

  

  2、简易式光伏大棚

  顶棚隐框单坡采光顶结构;主钢结构为钢桁架形式;前后钢结构立柱基础用钢筋混凝土基础;顶棚支撑结构的主次檩条方格布置形式。

  此类型大棚成本和装机量适中,可选安装的智能设备不多,属于经济适用型大棚。

  

  2、冬暖式光伏日光温室

  冬暖式光伏日光温室,主要材料包括:土墙体、镀锌钢管、水泥立柱、钢丝、铁丝、两山及棚前后地锚坑及地锚线、地锚砖、草帘、卷帘机、卷帘机支撑梁架、卷帘杆、法兰、其他配件焊接及安装、后坡膜、后坡无纺布、护坡无纺布、顶后砌立柱、砖、棚面薄膜、棚面覆膜、粘膜、穿膜钢丝、放风带、放风线、放风滑轮组、防风膜、压膜绳、卷膜绳、保温被、温室门洞等,后部安装光伏发电系统。

  功能:一般用于蔬菜的反季节种植,也可用于高档苗木花卉的集中培育。

  特点:冬暖式光伏日光温室在标准日光温室的基础上增加光伏发电部分,将光伏发电与农业温室有机结合,既不多占土地,也不影响农业生产;温室造价成本较低,装机量适中,基本无附加智能设备。

  

  2、光伏拱棚

  拱棚是指顶部呈弧形、上面覆盖塑料膜的农业大棚,一般是由镀锌钢管和水泥柱建成。典型的光伏拱棚棚长90m,宽10m,肩高1m,顶高2.5m。棚的梁距为1m,为了棚体坚固设主梁和辅梁。主梁在原梁架的基础焊接一平梁并设连接斜撑,每一架主梁间用2架辅梁。在棚的肩下设放风口,放风口下边距地面30cm处设裙膜,放风口的启功采用手摇卷膜器。压膜槽簧固定主膜和裙膜,棚的两山专门设计坚固美观,在路一头设立吊门一个,上面有吊轨,下面设有吊轨;每个山的两边和肩下设一斜拉管加牢。两边设有地锚,优质尼龙绳固定。

  功能:拱棚用途广泛,可用于一年四季培育种植蔬菜、秧苗、经济林果、苗木等,也可用于禽类养殖。

  特点:棚体结构简单、建造和拆装方便,一次性投资少,采光好,适合机械化耕作。可根据选择材料与跨度的不同及种植作物的区别,选择建造有立柱或无立柱的模式。拱棚适合南方地区及北方春、夏、秋季节的种植。

  

  (二)连栋光伏温室

  1、光伏文洛式智能温室

  文洛式智能玻璃温室也称作自动化温室,由温室结构、覆盖材料、自然通风系统、湿帘风机降温系统、内遮阳保温系统、顶部开窗、育苗喷灌、移动苗床、结露水收集、控制系统、光伏组件系统等组成,是基于农业温室环境的高科技“智能”温室。智能玻璃温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成。智能玻璃温室钢结构材料选用符合Q235国标的优质碳素钢。钢材部件和紧固件均按《GB/T1912-2002金属覆盖层钢铁制品热镀锌层技术要求及试验方法》标准执行。

  功能:智能玻璃温室一般建于综合性现代农业园区,用于保障园区种苗供给,是整个园区新技术、新成果的引进、示范、推广中心,也是体现园区科技水平的示范窗口。

  特点:① 采光面积大,光照均匀;② 使用时间长、强度比较高;③ 具有极强的防腐性、阻燃性;④造价较高,遮光后实用性差。

  

  2、不对称连栋光伏温室

  类似于传统的文洛式智能玻璃温室,屋顶向阳面安装有光伏太阳能电池板,墙体透明,以薄膜、玻璃或阳光板为墙体材料,屋脊呈人字形。

  

  一、光伏温室技术现存问题

  中国光伏温室产业发展势头极为迅猛,由于缺乏必要的政策引领、技术规范、行业自律,在快速扩张的背后显现出诸多问题,需要引起业内重视。

  1、前期投入成本很高,农民独自承担难度大。 没有政府或大型企业的支持,普通农民无法承担。

  2、已建成的光伏太阳能农业大棚多为示范工程,与农业生产结合不紧密。由于中国光伏温室主要以发电为主,其对光伏温室特有的光热性能及对作物生长机理的影响缺乏了解,并且行业内尚未出台针对作物需求的光伏温室设计规范,现有的光伏温室很多不能够满足作物的生长需求,造成农业基本无所得或荒废无用状态,致使国家资金、土地的大量浪费。

  3、 光伏太阳能大棚结构承重要求严格,光伏和温室设计寿命不同,经营存在风险。光伏组件的正常寿命约20年,而连栋温室的使用寿命正常不超过15年。日光温室的设计使用寿命则会更短。使用寿命的背后是设计规范中关于荷载、材料等方面的取值不同。因此,如何统筹两者之间的矛盾,是降低经营风险需要考虑的因素。

  二、研发创新,项目示范

  针对国内相关光伏农业结合形式,以及出现的问题,在平原光伏项目规划设计中,我司融合农业现代化、智能化的要求,在设施硬性功能上做到设施内部无立柱,可以满足农业生产的机械化作业,设施软性功能上做到“三节” (节水、节肥、节药)、“三省”(省工、省力、省心)和“三增”(增产、增收、增效)的良好效果。具体以无立柱冬暖式光伏日光温室为例介绍。

  冬暖式光伏日光温室的建设参考国家标准:日光温室和塑料大棚结构与性能要求(GB/T 19165—2003)。

  由采光和保温维护结构组成,以塑料薄膜为透明覆盖材料,东西向延长,以太阳光能为热源,很少或不进行人工加温可进行周年生产的日光温室。由公司立足项目地实际自主设计,跨度10.0 m,脊高>4m,前底角25°,后屋面仰角40°~45°,严冬季节室内外最大温差可达30℃以上。

  内侧为保温蓄热材料,外侧为保温材料建成的墙体。冬季12月至2月,晴天中午温室内的透光率均在65%以上,温室中部1m的水平光照强度大部分时间为4万lux,接近果类菜的光饱和点。在冬季最冷月份,室内外温差达到30℃以上,室内夜间最低温度稳定在10℃±2℃,极端最低温应保持在5℃以上。

  冬暖式光伏日光温室结构及其所有构件应符合JB/T10286-2001日光温室结构标准、GB/T 18622-2002温室结构设计荷载标准,能承受60Kg/m2,风速24.5-28.4m/s(10级风左右),如遇特殊灾害性天气应及时防护。

  

  冬暖式光伏日光温室在严格按照日光温室规范标准的基础上增加光伏发电部分,将光伏发电与农业温室有机结合(有效占用棚与棚之间的面积),既不多占土地,也不影响农业生产;温室造价成本较低,设施内部无立柱,可以满足农业生产的机械化作业,配备水肥智能一体化系统,实现“三节”、“三省”和“三增”的良好效果。

  结语

  光伏农业大棚是观光农业与设施园艺有机结合的产物,它集光伏发电、农业观光、农业作物、农业技术、园林景观及文化发展于一体的创新型农业产业,是现代化农业与清洁能源紧密结合的新型模式。光伏农业大棚不仅在不改变土地属性下节约土地,又可以将空间立体利用,可以推动绿色农业生产,实现科技高效的循环生态农业,是一种新形式的土地综合利用方式,可产生清洁电力,扩大供电可再生能源比例,带来电力和农业双向效益;在光伏农业不断探索发展的过程中必定会创新出更合理的结合模式,这些进程必将引领现代化农业项目蓬勃发展。

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