可再生能源在我國設施農業(yè)中的應用

  所謂設施農業(yè)就是通過(guò)采用一定的設施和裝置，局部范圍改善或創(chuàng )造環(huán)境氣象因素，使植物或動(dòng)物獲得最佳生長(cháng)環(huán)境的生產(chǎn)方式。與傳統農業(yè)相比，設施農業(yè)擺脫了自然環(huán)境的束縛，可有效增加農業(yè)收入。在現代化的設施農業(yè)中，需要消耗能源對“溫、光、水、氣”等進(jìn)行調控，其中最主要的能源消耗用于調控室內溫度。鍋爐供熱是目前設施農業(yè)中較為普遍采用的供熱加溫方式，且絕大多數是燃煤鍋爐。煤炭的使用不僅造成環(huán)境污染，同時(shí)還給設施農業(yè)企業(yè)帶來(lái)較大的運營(yíng)成本壓力。近年來(lái)，各種可再生能源在設施農業(yè)中逐漸得到重視，目前應用于設施農業(yè)中最常見(jiàn)的可再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、地熱能、生物質(zhì)能。使用可再生能源進(jìn)行設施農業(yè)生產(chǎn)，不僅可降低能耗，還可減少ＣＯ２和各種污染物的排放，是綠色環(huán)保的農業(yè)生產(chǎn)方式，也是未來(lái)設施農業(yè)的發(fā)展方向。

 

  １ 太陽(yáng)能在設施農業(yè)中的應用

 

  １．１ 太陽(yáng)能熱能應用

 

  設施農業(yè)本身就是太陽(yáng)能熱能最直接的利用方式。

 

  目前國內農業(yè)設施類(lèi)型主要有大型連棟溫室、日光溫室和拱棚，日光溫室和拱棚占絕大部分。受成本因素限制，大部分地區日光溫室和拱棚沒(méi)有配備供熱設施，只通過(guò)本身的結構、材料和保溫措施，實(shí)現對太陽(yáng)能的利用；連棟溫室受結構限制，我國大部分地區冬季為了滿(mǎn)足作物對溫度要求，必須采取人工增溫措施。此外，為了提高太陽(yáng)能的利用率，一些節能技術(shù)也被開(kāi)發(fā)應用。

 

  在水產(chǎn)設施養殖中，人們利用蓄熱設備提高太陽(yáng)能的利用率，常規的做法是使用太陽(yáng)能集熱器，將熱量?jì)Υ嬗谒信c需要加熱的水體進(jìn)行熱交換。對于溫室種植，地中熱交換系統是一種常用的加溫方法，白天使用風(fēng)機將溫室內空氣中的熱量經(jīng)地下埋管傳向地下蓄熱層，夜間再通過(guò)風(fēng)機將蓄熱送回至大棚，整個(gè)系統只有風(fēng)機電耗，是一種有效的溫室增溫方式。

 

  太陽(yáng)能熱泵是太陽(yáng)能集熱系統與熱泵的組合。熱泵是一種以消耗部分高品位能量為條件，向低溫熱源取熱，將其加熱后向高溫熱源放熱的能量利用裝置，熱泵的性能系數大于１，是一種有效的節能技術(shù)。改變熱泵循環(huán)中工質(zhì)的流動(dòng)方向，還可實(shí)現冬天制熱、夏天制冷的功能。我國最近幾年才開(kāi)始建立實(shí)驗系統對太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行研究，目前還未見(jiàn)太陽(yáng)能熱泵應用于設施農業(yè)的報道。由于太陽(yáng)能的不穩定性，太陽(yáng)能熱泵在使用時(shí)一般還需要配備其它輔助加熱方式，投資成本是阻礙太陽(yáng)能熱泵在設施農業(yè)廣泛應用的主要問(wèn)題。

 

  １．２ 太陽(yáng)能光能應用

 

  光合作用是植物對太陽(yáng)能光能的直接利用。在設施農業(yè)中，除了植物直接吸收外，太陽(yáng)能光能還可通過(guò)光伏發(fā)電將光能轉變?yōu)殡娔苓M(jìn)行利用。光伏發(fā)電需要一定的太陽(yáng)電池面積來(lái)接收光能，隨著(zhù)太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展，出現了可以安裝在溫室頂部的薄膜透光式太陽(yáng)電池，在光伏發(fā)電的同時(shí)又不影響太陽(yáng)光線(xiàn)的透過(guò)。２００９年，在江西上饒［１］、江蘇武進(jìn)［２］等地分別建成薄膜式農業(yè)大棚，全國多地也正在建造此類(lèi)大棚。薄膜太陽(yáng)能大棚不僅可為設施農業(yè)提供充足的電力資源，還可以將剩余的電能上網(wǎng)銷(xiāo)售，帶來(lái)額外收益。

 

  太陽(yáng)能發(fā)電在設施農業(yè)中最基本的用途是照明，白  天光伏發(fā)電給蓄電池充電，晚上作為電源為節能燈提供電能，不僅可為設施農業(yè)提供場(chǎng)地照明，光照在溫室內還可延長(cháng)植物進(jìn)行光合作用的時(shí)間，提高農作物產(chǎn)量。

 

  此外，太陽(yáng)能驅蟲(chóng)燈也是在設施農業(yè)光能利用的方式。白天太陽(yáng)能轉換成電能儲存，在夜間殺蟲(chóng)燈釋放出特定波長(cháng)的光源吸引害蟲(chóng)，光源外圍的高壓電網(wǎng)可將飛過(guò)的害蟲(chóng)殺死。使用有效的光波范圍可誘殺１ ０００多種害蟲(chóng)，在溫室中具有很好的應用價(jià)值。目前國家對太陽(yáng)能殺蟲(chóng)燈在農村大棚中的使用給予補貼，我國多省的農村中已經(jīng)開(kāi)始推廣使用。

 

  ２ 風(fēng)能在設施農業(yè)中的應用

 

  風(fēng)能也是設施農業(yè)可以利用的可再生能源之一。

 

  我國風(fēng)能資源非常豐富，早在中國古代農業(yè)中已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能，１ ７００多年前已經(jīng)開(kāi)始用帆式風(fēng)車(chē)提水，西漢就出現了制造人造風(fēng)進(jìn)行谷物清洗的風(fēng)扇車(chē)，然而近年來(lái)中國風(fēng)能的利用卻一直發(fā)展緩慢。風(fēng)能利用的主要方式是風(fēng)力提水和發(fā)電致熱。

 

  風(fēng)力提水作為風(fēng)能利用的重要方式，分為傳統的風(fēng)力直接提水與新興的風(fēng)力發(fā)電提水２種方式。荷蘭、丹麥、英、美、俄等國風(fēng)能資源相對豐富的國家，都大批量生產(chǎn)各種型號的風(fēng)力提水機，澳大利亞和新西蘭的風(fēng)力提水裝置幾乎遍及所有牧場(chǎng)。我國的風(fēng)力提水機主要在東南沿海用于養殖、制鹽，在江蘇、寧夏、河北、吉林等地用于農田灌溉，在北方草原牧場(chǎng)地區提供飲水和牧場(chǎng)灌溉，主要針對邊遠和無(wú)電地區，未形成規?；?。雖然我國的風(fēng)力提水產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場(chǎng)前景，然而風(fēng)力提水技術(shù)的開(kāi)發(fā)和推廣步伐還比較緩慢［５］，目前在設施農業(yè)中的應用基本僅限于設施養殖中。風(fēng)力發(fā)電在設施農業(yè)中主要應用在供電不便地區的設施畜牧、水產(chǎn)設施養殖中，小型風(fēng)電特別是１ ０００Ｗ以下的機組，可為設施生產(chǎn)提供必要的電能。從２００９年起，農牧漁民購買(mǎi)２００～３００Ｗ風(fēng)力發(fā)電機的數量快速增長(cháng)［６］。在水產(chǎn)設施養殖中，需要用到水車(chē)式增氧機械、水質(zhì)處理機械等旋轉動(dòng)力機械，用風(fēng)力機直接驅動(dòng)這些機械，不需要任何中間轉換裝置，可有效降低養殖過(guò)程中的成本。我國從２０世紀８０年代開(kāi)始已經(jīng)在水產(chǎn)設施養殖中使用風(fēng)力增氧。風(fēng)力致熱是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種風(fēng)能轉換形式，通常風(fēng)力機提水的效率只有１６％，風(fēng)力發(fā)電的轉換效率為３０％，而風(fēng)力致熱的轉換效率可達４０％［８］。

 

  風(fēng)力致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱４種方式，其中研究較多的是液體攪拌致熱和液體擠壓致熱。日本早在２０世紀８０年代就開(kāi)始使用風(fēng)力致熱技術(shù)進(jìn)行溫室加熱和設施養殖。

 

  目前，風(fēng)力致熱技術(shù)在日本、美國、加拿大和丹麥等國家已進(jìn)入示范試驗階段［９］。我國風(fēng)力致熱技術(shù)的研究起步較晚，基本處于空白狀態(tài)。風(fēng)力致熱系統設備簡(jiǎn)單、效率高，開(kāi)發(fā)風(fēng)能致熱技術(shù)在設施農業(yè)中具有廣闊的發(fā)展前景。

 

  此外，隨著(zhù)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)由風(fēng)力發(fā)電驅動(dòng)的熱泵系統成為可能。目前國內外已提出多種風(fēng)力熱泵系統，如由風(fēng)輪通過(guò)變速機構單獨或與交流電機并聯(lián)驅動(dòng)熱泵壓縮機的系統、完全由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電驅動(dòng)熱泵壓縮機的系統等。使用風(fēng)力熱泵供暖和制冷基本不需要消耗電力，相比于太陽(yáng)能還可全天候工作。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，風(fēng)力熱泵在設施農業(yè)中也具有可行性。

 

  ３ 地熱能在設施農業(yè)中的應用

 

  ３．１ 淺層地熱資源

 

  淺層地熱能廣泛存在于地球淺表層巨大的恒溫帶中，其能量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射和地球梯度增溫。淺層地熱資源主要存在于淺層土壤、地下水和地表水中，這些熱源的溫度與環(huán)境溫度接近、能量密度低，無(wú)法直接利用。近年來(lái)國外熱泵技術(shù)的發(fā)展應用非常迅速，尤其是地源熱泵。土壤源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵統稱(chēng)為地源熱泵，目前熱泵承擔著(zhù)美國總供熱量的８．４％，日本總供熱量的２８．６％。中國從１９９５年開(kāi)始學(xué)習和引進(jìn)歐洲的熱泵產(chǎn)品，直到１９９７年才出現一定規模的地源熱泵采暖工程項目。在城市中，由于土地資源和水資源比較緊張，地源熱泵的應用受到限制。設施農業(yè)一般位于城市郊區或農村地區，其土地資源、地下水和地表水資源比較豐富，非常適合熱泵技術(shù)的應用。鍋爐供熱設備只能將９０％以上的電能或７０％～９０％的燃料化學(xué)能轉換為熱量，而地源熱泵的制熱ＣＯＰ性能系數一般可達４，運行費用為其它采暖設備的３０％～７０％［１１］。地源熱泵技術(shù)在我國設施農業(yè)的應用中還處于試驗研究和示范性建設階段，目前投入運行的熱泵系統已經(jīng)開(kāi)始表現出良好的節能效果。

 

  ２００１年時(shí)吳靜怡等［１２］以東海農場(chǎng)３ｈｍ２蔬菜溫室為例，對燃煤采暖與地源熱泵的經(jīng)濟性進(jìn)行了比較，當時(shí)的煤炭價(jià)格為２８０元／ｔ，熱泵的能源費用為煤炭采暖的１．７６倍。然而近年來(lái)，電價(jià)漲幅較小，而煤炭價(jià)格卻不斷攀升，每噸最高價(jià)格甚至超過(guò)千元，按目前的煤電價(jià)格計算，使用煤炭的費用反而是熱泵的２倍；左睿等［１３］將地源熱泵與傳統的電熱鍋爐和燃料鍋爐進(jìn)行了比較，利用地源熱泵的溫室能耗僅僅為傳統供熱方式的２０％～３０％；方慧等［１４］在中國農業(yè)科學(xué)院Ｖｅｎｌｏ型試驗溫室內建造了一套地源熱泵與地板散熱相結合的供暖系統，整套地源熱泵系統的實(shí)際ＣＯＰ性能系數達到３．１４，與燃煤鍋爐相比節能３６．３％。此外還在北京順義區三高國際鮮花港基地建立了一套地源熱泵加熱溫室，與燃煤鍋爐相比節能２９．６％［１５］。河南農業(yè)大學(xué)的王吉慶博士用水源熱泵對溫室進(jìn)行加溫，試驗結果表明，系統ＣＯＰ 性能系數為３．３１，與燃煤鍋爐相比節能４６．５％［１６］。羅迎賓等［１７］結合南京江寧羅氏沼蝦養殖場(chǎng)工程案例，對水產(chǎn)養殖采用地源熱泵的技術(shù)性及經(jīng)濟性進(jìn)行分析，研究表明，采用地源熱泵水產(chǎn)養殖技術(shù)比傳統的供熱技術(shù)節能５０％以上。２００９年，投資２．６億元的地源熱泵與地熱利用綜合供暖系統在北京國際鮮花港投入使用，經(jīng)測算采用地源熱泵供暖比電鍋爐加熱節?。玻骋陨系碾娔?，比燃煤鍋爐節?。保惨陨系哪芰?，在運行２ａ的時(shí)間得到了業(yè)主和溫室大棚用戶(hù)的一致好評。

 

  除供熱外，地源熱泵還可用于設施農業(yè)中的夏季降溫。吳洪永等［１８］對湖塘水源熱泵在北京蟹島玻璃溫室中的制冷進(jìn)行了研究，結果表明，比空調節能５９％；柴立龍等［１９］在中國農業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗站的溫室中進(jìn)行了地源熱泵降溫的試驗研究，其制冷性能系數達到３；楊仁全等［２０］對北京西三旗生態(tài)園的地源熱泵系統夏季使用情況進(jìn)行了測試，試驗結果表明，地源熱泵夏季制冷比使用常規空調節能３５％。雖然地源熱泵在夏季制冷降溫中已經(jīng)得到了部分應用，然而地源熱泵空調系統無(wú)論在降溫效果還是節能方面都落后于當前中國溫室普遍采用的濕簾－風(fēng)機降溫方法［２１］，但是濕簾－風(fēng)機系統存在耗水量大和空氣濕度大等缺點(diǎn)，容易引起病蟲(chóng)害。因此，夏季在溫室中可以采用濕簾－風(fēng)機、地源熱泵聯(lián)合降溫系統，合理搭配使用２種降溫方法，既可減少投資費用和運行成本，又可解決易引發(fā)病蟲(chóng)害的問(wèn)題。

 

  ３．２ 深層地熱能的應用

 

  深層地熱即為通常所指的地熱能，包括淺層的水熱型地熱資源與深層的干熱巖等，目前國內外設施農業(yè)利用主要限于水熱型地熱。我國地熱利用較早，北魏酈道元的《水經(jīng)注》中已有地熱用于農業(yè)的記載［２２］。目前中國地熱能年利用量世界第一，然而地熱資源的利用大多比較單一。國內地熱能主用于供暖、溫泉洗浴、水產(chǎn)養殖、溫室種植、農業(yè)灌溉、工業(yè)利用等，種植養殖占地熱總利用量的９．１％。地熱種植用于水稻育秧、農作物育苗、名貴藥材和香料栽培、花卉栽培、食用菌培養、蔬菜瓜果種植等。由于地熱資源在我國已有廣泛的使用，很多省份都建設了地熱溫室。遼寧省鳳城市東湯鎮利用地熱溫泉種植油桃，福建省將地熱能用于水稻育秧、培育紅萍等［２３］。遼寧熊岳使用地熱溫室進(jìn)行蘋(píng)果育苗和葡萄栽培等。地熱在設施養殖中主要用于名貴水產(chǎn)培養、水產(chǎn)品反季養殖等。湖南汝城縣利用地熱水設施養殖烏龜、牛蛙、福壽螺等名貴水產(chǎn)［２４］；天津漢沽區冬季利用地熱大棚反季節養殖南美白對蝦，取得了良好的經(jīng)濟效益［２５］；陜西合陽(yáng)縣經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，利用地熱水大棚養殖鰱魚(yú)、鳙魚(yú)、草魚(yú)等，對其進(jìn)行提早產(chǎn)卵繁殖［２６］；天津里自沽農場(chǎng)將石油井改為地熱井用于地熱養雞，在此基礎上形成了利用地熱飼養種雞、育雛、孵化、水產(chǎn)養殖、蔬菜種植的體系。北京南宮村將階梯使用后排放的２０℃的熱水處理后用于澆灌溫室公園［２７］。但需注意，地熱水主要是含無(wú)機鹽的水溶液，其中氟化物、氯化物、硼離子濃度都大大高于農田灌溉水質(zhì)標準，長(cháng)期食用高含氟和無(wú)機鹽的糧食和蔬菜，必將在人體內富集，因此地熱水在用于澆灌時(shí)必須進(jìn)行處理。

 

  ４ 生物質(zhì)能在設施農業(yè)中的應用

 

  我國具有豐富的生物質(zhì)能資源。據測算，我國生物質(zhì)能資源相當于５０億ｔ標準煤，是目前我國總能耗的４倍左右?？衫玫纳镔|(zhì)能資源主要有農作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾等。

 

  秸稈首先可作為設施種植中的肥料來(lái)源。在土壤微生物的作用下，將其降解為可以被作物吸收利用的土壤養分，具有蓄水保濕、調節土壤溫度、降低田間雜草密度、調節土壤ｐＨ值、提高土壤微生物活性等作用。近年來(lái)，設施農業(yè)中出現了“生物反應堆”工程技術(shù)，該技術(shù)就是以秸稈為原料，在生物菌劑的作用下發(fā)生腐化分解等一系列反應，生成作物生長(cháng)所需要的熱量、ＣＯ２、酶、有機和無(wú)機養料等有益物質(zhì)，不僅大幅度提高了蔬果的產(chǎn)量和質(zhì)量，還大大降低了化肥和農藥的用量。該技術(shù)自２００１年起即在河北平泉、遼寧凌源等多地進(jìn)行了示范研究［２８］，從試驗結果來(lái)看取得了良好的增收效果，目前在山東、天津等多個(gè)省進(jìn)入推廣示范階段。沼氣是生物質(zhì)能最重要的應用方式之一，我國的沼氣利用無(wú)論規模還是技術(shù)均處于世界領(lǐng)先水平。沼氣在設施農業(yè)中同樣具有重要地位，沼氣可以用于現代溫室的加熱、發(fā)電利用，沼液用于蔬菜追肥，沼渣用于溫室蔬菜無(wú)土栽培基質(zhì)與育苗基質(zhì)，還可部分用作養魚(yú)飼料。由于沼氣是一種綠色能源，因此沼氣用于設施農業(yè)的加熱時(shí)，除了采用沼氣鍋爐供熱外，還可以在溫室內直接燃燒沼氣進(jìn)行加熱。沼氣點(diǎn)燈是目前溫室中常用的一種方法，沼氣點(diǎn)燈可以直接提供熱能，燃燒產(chǎn)物可補充溫室內的ＣＯ２，沼氣點(diǎn)燈還可提供光源，為溫室內的植物補光，延長(cháng)光合作用的時(shí)間。沼液中富含各類(lèi)氨基酸、維生素、蛋白質(zhì)、赤霉素、生長(cháng)素、糖類(lèi)、核酸以及抗生素等，可提高蔬菜種子的發(fā)芽率，又可增強蔬菜的抗旱、抗凍能力。沼渣由部分未分解的原料和新生的微生物菌體組成，含有大量有機質(zhì)和腐殖酸，對土壤具有改良作用。由于沼氣具有多重優(yōu)良特性，因此沼氣也成為現代設施農業(yè)中的紐帶，目前圍繞沼氣出現了江西贛州、廣西恭城的“豬－沼－果”生產(chǎn)模式［２９］，江蘇贛榆創(chuàng )“豬－沼－魚(yú)”生態(tài)水產(chǎn)養殖模式［３０］，廣西百色的“豬－沼－菜－燈－魚(yú)”［３１］等多種設施農業(yè)生態(tài)化復合生產(chǎn)模式，這些成功的生產(chǎn)模式在取得經(jīng)濟效益的同時(shí)，也起到了良好示范效果。

 

  由于生物質(zhì)能資源非常豐富，相比于化石燃料具有可再生和環(huán)保的優(yōu)勢，因此近年來(lái)國際生物質(zhì)能發(fā)電的發(fā)展非常迅速。目前國內沼氣發(fā)電主要應用于設施養殖。２００５年海寧市斜橋鎮同仁村養殖園２００ｋＷ沼氣發(fā)電項目投入運行［３２］，２００７年北京德青源農業(yè)科技股份有限公司健康養殖生態(tài)園２ＭＷ 熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程投入運行［３３］，２００８年蒙牛建成了全球最大的畜禽類(lèi)沼氣發(fā)電廠(chǎng)，年發(fā)電量可達１×１０８ ｋＷ·ｈ［３４］。這些沼氣發(fā)電項目不僅可以滿(mǎn)足設施生產(chǎn)自身電耗，多余的電還并入國家電網(wǎng)，每年產(chǎn)生不菲的收益。作為沼氣發(fā)電的副產(chǎn)品，大量的沼肥、沼液也具有重要的經(jīng)濟價(jià)值。

 

  ５ 結論

 

  從可再生能源在國內設施農業(yè)的應用情況可以看出，環(huán)保、清潔的可再生能源在設施農業(yè)中已經(jīng)逐步開(kāi)始發(fā)揮重要的作用，各種新的利用方式也不斷出現。太陽(yáng)能，地熱能，沼氣，地源熱泵等已經(jīng)處于節能示范或推廣使用階段，多種可再生能源綜合利用的綠色設施農業(yè)生產(chǎn)模式也備受關(guān)注。然而，在設施農業(yè)能源利用水平不斷進(jìn)步的同時(shí)，還應該清醒的認識到，可再生能源在我國設施農業(yè)中的利用還處于起步階段，各種能源的利用技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，可再生能源在設施農業(yè)中缺乏具有推廣代表性的成功案例。同時(shí)還應注意在使用可再生能源為設施農業(yè)服務(wù)的同時(shí)，還要盡可能防止其可能帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，使設施農業(yè)真正成為綠色產(chǎn)業(yè)。