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太阳能温室大棚装备化的构想

来源:北方温室大棚建设 时间:2014-01-15 点击:

对储能型太阳能温室大棚系统进行了总结,提出了太阳能温室大棚装备化的构想,给出了一个初步设想的结构,对减少能耗,节约能源改善生态环保有着重要意义。

       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    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。基于这样的市场需求,储能型太阳能温室大棚装备推广化的需要就产生了。
        储能型太阳能温室大棚装备推广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。

        储能型太阳能温室大棚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。


                             全自助供热太阳能温室大棚设计
                          新设计的全自助供热太阳能温室大棚

       只有满足了上面要求,太阳能温室大棚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30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。上图给出了我们构想的一个带储能功能的太阳能温室大棚系统的结构图,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、温室大棚内部表面积60平方米的装备系统在12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/㎡d(斜面上的数值更大)、环境平均气温-8.5℃。假定,温室大棚大棚的工作温度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℃,系统的结构参数如上图所示。据图可以算出玻璃散热面积为114㎡,保温墙的散热面积48㎡,装置底部散热忽略。根据上述数据可以计算出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1.0W/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21万元左右,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。
         北方温室大棚建设网总结:
         本文对储能型太阳能温室大棚系统进行了总结,提出了太阳能温室大棚装备化的构想,给出了一个初步设想的结构。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大棚系统,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。太阳能温室大棚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,
         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。
(作者:文麒麟 石能文 郑宏飞 文鹏) 
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