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光伏農業溫室類型解析與設計探索

溫室網  來源:上海孫橋溢佳農業技術股份有限公司 閱讀數:993

  近些年來,隨著我國農業產業結構的深化調整和轉型升級,以科技、高效、安全、環保和多功能為標志的現代化農業項目蓬勃發展。

  通過安裝太陽能組件發電和現代農業生產的跨界組合,光伏農業大棚在有效利用太陽能資源,產出清潔綠色能源的同時,開啟了現代生態農業的一種新型發展模式。光伏農業科技大棚是分布式光伏應用的一種新的模式,也是中國溫室園藝產業近年來興起的一種新型設施結構形式。光伏農業科技大棚是一種與農業生產相結合,棚頂或棚后間距太陽能發電、棚內發展農業生產的新型光伏系統工程,是現代農業發展的一種新模式。它通過建設棚頂或棚后間距光伏電力工程實現清潔能源發電,最終并入國家電網,同時在棚下將光伏科技與現代農業發展有機結合,發展現代高效農業,探索農作物生產安全高效新模式,有效地利用有限的資源、空間,提高單位土地經濟效益。

  自2007年以來,荷蘭、日本、美國等國際設施園藝發達國家均把光伏溫室作為實現溫室低碳、高效生產的重要手段,集中力量進行技術研究或示范建設。

  2009年以來,受國家設施園藝和“金太陽工程”等促進政策及光伏企業的農業產業化需求的驅動,中國在山東、河北、江蘇、江西等已開展了光伏溫室的探索性建設,并在2012年以后處于一種加速發展的狀態。國家“十二五”規劃明確提出將大力發展光伏等新能源產業。國家能源局正式下發國能新能(2015)73號文件,發布《2015年光伏發電建設實施方案》。方案提出,鼓勵結合生態治理、設施農業、漁業養殖、扶貧開發等合理配置項目,鼓勵通過競爭性方式配置項目資源,選擇技術和經濟實力強的企業參加項目建設,促進光伏發電上網電價下降,對降低電價的地區和項目適度增加建設規模指標。《太陽能光伏產業“十二五”發展規劃》已將太陽能光伏生態大棚電站的模式劃定為BIPV(光伏建筑一體化)示范項目,享受國家財政補貼。

  近幾年來,中國建成及在建的光伏溫室占地幾十萬余畝,裝機功率不下GW,類型主要有光伏日光溫室、光伏塑料大棚及光伏連棟溫室等。本文主要對國內現有的光伏溫室技術進行分析,對光伏溫室類型進行歸納、并對溫室建造及特點進行分析。

  一、光伏溫室類型

  按照溫室大棚結構類型主要有光伏單棟大棚及光伏連棟溫室之分。

  (一)單棟光伏溫室

  1、光伏蘑菇棚

  典型的蘑菇棚寬6~7m,長度可為30m、45m及60m等。基礎由紅磚砼組成,房內地面用水泥抹平出光。房外散水坡為水泥砼。墻板為厚雙面鐵皮巖棉板,房內骨架為鋼結構。主立柱、斜梁架、前后檁條為熱鍍鋅方管,房面檁條為C型鋼材,其余材料為熱鍍鋅方管和角鐵,門窗為鋁合金質。基礎上面設有立柱預埋鐵,梁架焊接處用防銹漆處理。

  功能:蘑菇棚主要用于平菇、木耳等袋裝菌類的立體養殖,也可作為養蠶棚使用。

  特點:由于食用菌較喜陰,把食用菌大棚和光伏做結合,可實現光伏建筑一體化,但適用性能單一。

  

  2、陽光房式光伏大棚

  與光伏蘑菇棚類似,南側以發電組件和專用附框與鋼骨架柔性連接;北側屋頂部位采用普通夾膠玻璃;南北側立面采用鋼化大板玻璃,房內骨架為鋼結構。

  功能:四周為透明材料,有散射光進入,適宜種植耐陰作物,是觀光旅游和生態農業一體化的智能型新型農業大棚。

  特點:此類型大棚成本較高,但裝機量大,可添加的其他可選輔助設備多,可建成觀光旅游和生態農業一體化的智能型新型農業大棚。

  

  2、簡易式光伏大棚

  頂棚隱框單坡采光頂結構;主鋼結構為鋼桁架形式;前后鋼結構立柱基礎用鋼筋混凝土基礎;頂棚支撐結構的主次檁條方格布置形式。

  此類型大棚成本和裝機量適中,可選安裝的智能設備不多,屬于經濟適用型大棚。

  

  2、冬暖式光伏日光溫室

  冬暖式光伏日光溫室,主要材料包括:土墻體、鍍鋅鋼管、水泥立柱、鋼絲、鐵絲、兩山及棚前后地錨坑及地錨線、地錨磚、草簾、卷簾機、卷簾機支撐梁架、卷簾桿、法蘭、其他配件焊接及安裝、后坡膜、后坡無紡布、護坡無紡布、頂后砌立柱、磚、棚面薄膜、棚面覆膜、粘膜、穿膜鋼絲、放風帶、放風線、放風滑輪組、防風膜、壓膜繩、卷膜繩、保溫被、溫室門洞等,后部安裝光伏發電系統。

  功能:一般用于蔬菜的反季節種植,也可用于高檔苗木花卉的集中培育。

  特點:冬暖式光伏日光溫室在標準日光溫室的基礎上增加光伏發電部分,將光伏發電與農業溫室有機結合,既不多占土地,也不影響農業生產;溫室造價成本較低,裝機量適中,基本無附加智能設備。

  

  2、光伏拱棚

  拱棚是指頂部呈弧形、上面覆蓋塑料膜的農業大棚,一般是由鍍鋅鋼管和水泥柱建成。典型的光伏拱棚棚長90m,寬10m,肩高1m,頂高2.5m。棚的梁距為1m,為了棚體堅固設主梁和輔梁。主梁在原梁架的基礎焊接一平梁并設連接斜撐,每一架主梁間用2架輔梁。在棚的肩下設放風口,放風口下邊距地面30cm處設裙膜,放風口的啟功采用手搖卷膜器。壓膜槽簧固定主膜和裙膜,棚的兩山專門設計堅固美觀,在路一頭設立吊門一個,上面有吊軌,下面設有吊軌;每個山的兩邊和肩下設一斜拉管加牢。兩邊設有地錨,優質尼龍繩固定。

  功能:拱棚用途廣泛,可用于一年四季培育種植蔬菜、秧苗、經濟林果、苗木等,也可用于禽類養殖。

  特點:棚體結構簡單、建造和拆裝方便,一次性投資少,采光好,適合機械化耕作。可根據選擇材料與跨度的不同及種植作物的區別,選擇建造有立柱或無立柱的模式。拱棚適合南方地區及北方春、夏、秋季節的種植。

  

  (二)連棟光伏溫室

  1、光伏文洛式智能溫室

  文洛式智能玻璃溫室也稱作自動化溫室,由溫室結構、覆蓋材料、自然通風系統、濕簾風機降溫系統、內遮陽保溫系統、頂部開窗、育苗噴灌、移動苗床、結露水收集、控制系統、光伏組件系統等組成,是基于農業溫室環境的高科技“智能”溫室。智能玻璃溫室的控制一般由信號采集系統、中心計算機、控制系統三大部分組成。智能玻璃溫室鋼結構材料選用符合Q235國標的優質碳素鋼。鋼材部件和緊固件均按《GB/T1912-2002金屬覆蓋層鋼鐵制品熱鍍鋅層技術要求及試驗方法》標準執行。

  功能:智能玻璃溫室一般建于綜合性現代農業園區,用于保障園區種苗供給,是整個園區新技術、新成果的引進、示范、推廣中心,也是體現園區科技水平的示范窗口。

  特點:① 采光面積大,光照均勻;② 使用時間長、強度比較高;③ 具有極強的防腐性、阻燃性;④造價較高,遮光后實用性差。

  

  2、不對稱連棟光伏溫室

  類似于傳統的文洛式智能玻璃溫室,屋頂向陽面安裝有光伏太陽能電池板,墻體透明,以薄膜、玻璃或陽光板為墻體材料,屋脊呈人字形。

  

  一、光伏溫室技術現存問題

  中國光伏溫室產業發展勢頭極為迅猛,由于缺乏必要的政策引領、技術規范、行業自律,在快速擴張的背后顯現出諸多問題,需要引起業內重視。

  1、前期投入成本很高,農民獨自承擔難度大。 沒有政府或大型企業的支持,普通農民無法承擔。

  2、已建成的光伏太陽能農業大棚多為示范工程,與農業生產結合不緊密。由于中國光伏溫室主要以發電為主,其對光伏溫室特有的光熱性能及對作物生長機理的影響缺乏了解,并且行業內尚未出臺針對作物需求的光伏溫室設計規范,現有的光伏溫室很多不能夠滿足作物的生長需求,造成農業基本無所得或荒廢無用狀態,致使國家資金、土地的大量浪費。

  3、 光伏太陽能大棚結構承重要求嚴格,光伏和溫室設計壽命不同,經營存在風險。光伏組件的正常壽命約20年,而連棟溫室的使用壽命正常不超過15年。日光溫室的設計使用壽命則會更短。使用壽命的背后是設計規范中關于荷載、材料等方面的取值不同。因此,如何統籌兩者之間的矛盾,是降低經營風險需要考慮的因素。

  二、研發創新,項目示范

  針對國內相關光伏農業結合形式,以及出現的問題,在平原光伏項目規劃設計中,我司融合農業現代化、智能化的要求,在設施硬性功能上做到設施內部無立柱,可以滿足農業生產的機械化作業,設施軟性功能上做到“三節” (節水、節肥、節藥)、“三省”(省工、省力、省心)和“三增”(增產、增收、增效)的良好效果。具體以無立柱冬暖式光伏日光溫室為例介紹。

  冬暖式光伏日光溫室的建設參考國家標準:日光溫室和塑料大棚結構與性能要求(GB/T 19165—2003)。

  由采光和保溫維護結構組成,以塑料薄膜為透明覆蓋材料,東西向延長,以太陽光能為熱源,很少或不進行人工加溫可進行周年生產的日光溫室。由公司立足項目地實際自主設計,跨度10.0 m,脊高>4m,前底角25°,后屋面仰角40°~45°,嚴冬季節室內外最大溫差可達30℃以上。

  內側為保溫蓄熱材料,外側為保溫材料建成的墻體。冬季12月至2月,晴天中午溫室內的透光率均在65%以上,溫室中部1m的水平光照強度大部分時間為4萬lux,接近果類菜的光飽和點。在冬季最冷月份,室內外溫差達到30℃以上,室內夜間最低溫度穩定在10℃±2℃,極端最低溫應保持在5℃以上。

  冬暖式光伏日光溫室結構及其所有構件應符合JB/T10286-2001日光溫室結構標準、GB/T 18622-2002溫室結構設計荷載標準,能承受60Kg/m2,風速24.5-28.4m/s(10級風左右),如遇特殊災害性天氣應及時防護。

  

  冬暖式光伏日光溫室在嚴格按照日光溫室規范標準的基礎上增加光伏發電部分,將光伏發電與農業溫室有機結合(有效占用棚與棚之間的面積),既不多占土地,也不影響農業生產;溫室造價成本較低,設施內部無立柱,可以滿足農業生產的機械化作業,配備水肥智能一體化系統,實現“三節”、“三省”和“三增”的良好效果。

  結語

  光伏農業大棚是觀光農業與設施園藝有機結合的產物,它集光伏發電、農業觀光、農業作物、農業技術、園林景觀及文化發展于一體的創新型農業產業,是現代化農業與清潔能源緊密結合的新型模式。光伏農業大棚不僅在不改變土地屬性下節約土地,又可以將空間立體利用,可以推動綠色農業生產,實現科技高效的循環生態農業,是一種新形式的土地綜合利用方式,可產生清潔電力,擴大供電可再生能源比例,帶來電力和農業雙向效益;在光伏農業不斷探索發展的過程中必定會創新出更合理的結合模式,這些進程必將引領現代化農業項目蓬勃發展。

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