浅析绿色能源在农业设施与装备上的应用_杜家乐.pdf

第 56 卷 第 2 期Vol. 56 No. 2 2018 年 2 月February 2018农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT 2. Shandong Academy Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China [Abstract] This paper introduces the characteristics and application of various green energy in agricultural facilities and equipment, and provides several suggestions according to the problems during the application.[Key words] green energy; agricultural facilities and equipment; pollution; greenhouse gas emissions0 引言农业设施与装备是发展现代农业的重要物质基础，传统农业设施与装备采用化石能源作为动力源，不但资源消耗巨大，而且排放废气、铅、粉尘等有害物质，极易污染作物及环境。采用绿色能源作为农业设施与装备的新动力已成为一种发展趋势，利用形式主要集中在太阳能、电能、生物质能等方面。农业装备新能源的利用可以有效缓解全球的能源危机，减少环境污染和温室气体的排放。近年来，国内外学者已开始研究绿色新能源在农业设施与装备上的应用。太阳能温室设施、电动农机装备、生物质能转换利用装置是解决农业生产造成的能源和环保问题的有效途径之一，是未来农业设施与装备的重要发展方向。1 太阳能在农业设施与装备上的应用1.1 太阳能的特点太阳能是一种把太阳光转换成电（热）能的绿色可再生能源，与其它常规能源相比，太阳能有着诸多优点 （1）储量大太阳一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约12 046 596千亿t，是目前世界主要能源探明储量的 10 000 倍。（2）存在普遍太阳能对于地球上绝大多数地区普遍存在，可就地取用，为常规能源缺乏的国家和地区提供了能源问题解决方案。（3）利用清洁太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。（4）经济性太阳能取之不尽，凭借目前的技术发展水平，太阳能利用可能而且可行。1.2 太阳能在农业设施与装备上的具体应用（1）太阳能光伏发电装备太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有并网运行和独立运行两种方式。其中独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远农村地区生产生活供电。例如光伏和种植大棚结合，采用透光的薄膜太阳能电池，农作物生长所需的主要光源可以直接穿透，储存热量提高大棚温度，从而对作物的生长起到积极的影响。另一方面，太阳能光伏系统可以直接进行低成本的发电，白天完成对蓄电池的充电，同时给水泵、换风机等农业机械供电，进行抽（蓄）水和换风作业，晚收稿日期 2018-01-05 修回日期 2018-01-1292 农业装备与车辆工程 2018 年间完成对蓄电池的逆变放电控制，实现对负载供电，可以取得优势互补、互利共赢的局面。（2）太阳能温室设施太阳能温室是根据温室效应的原理加以建造的，就是利用太阳的能量来提高塑料大棚内或玻璃房内的室内温度，温度升高后所发射的长波辐射能阻挡热量或很少有热量透过玻璃或塑料薄膜散失到外界，然后采取密封、保温等措施，这部分多余的热量就可以储存起来了。太阳能温室满足了作物生长对温度的要求，所以人们往往把它称之为人工暖房。太阳能温室对养殖业（包括家禽、家畜、水产等）同样具有很重要的意义，它不仅能缩短生长期，对提高繁殖率、降低死亡率都有明显的效果。因此，太阳能温室已成为我国农、牧、渔业现代化发展不可缺少的技术装备。 （3）太阳能农产品干燥设备干燥作业是农产品加工过程中一个必要环节，且耗能巨大。利用太阳能干燥农产品，具有节省能源、降低成本、提高产品质量、缩短干燥周期、保护环境、使用方便等优势。太阳能干燥主要可分为 3 种类型温室型太阳能干燥系统、集热器型干燥系统、集热器 温室型太阳能干燥系统。我国的太阳能干燥多数是采光面在 200 m2以下的中小型，尤其以小型居多，广泛应用于农产品的干燥作业，取得了较好的经济效益和社会效益。太阳能发电和太阳能热利用在我国的重点发展区域应是偏远无电地区和广大农村地区，但能效小仍是阻碍太阳能利用的关键性问题，今后应是着力突破的研究重点。2 电能在农业设施与装备上的应用2.1 电能的特点电能输送安全经济，生产使用方便清洁，应用广泛，极大地促进了生产的发展和科学技术的进步。电能还可以方便地转换成各种能源，如热能、风能、势能和动能等。2.2 电能在农业设施与装备上的具体应用（1）电动拖拉机的研究及应用从1912年德国西门子公司研制生产的世界上第一台电动拖拉机，距今已经100多年的时间，受技术水平、国家能源政策、经济发展水平等多方面因素的制约，电动拖拉机在各国均未得到广泛应用。20 世纪 70 年代开始，电动拖拉机主要依靠移动式电源电动力即电池供电，例如美国 GE 公司研发成功了Elec-Trak系列电动拖拉机，采用6 组铅酸电池和永磁无刷电机作为动力，功率在5.9 11 kW 范围内。主要用于修剪草坪作业，还可以选配其他属具，比如旋耕机、播种机等，此外还配有旋转转换器，能产生 115 V 交流电用来驱动其他电动工具。20世纪90年代以来，电动拖拉机随着电子电力技术、电池技术的飞速发展，开始向易操作、高可靠性和多功能方向发展。加拿大的ET公司研发生产的 Eletric Ox 电动拖拉机，由 6 组深放电铅酸电池供电，采用创新设计的双电机 / 齿轮箱机构、电子差速器等先进设备，具有制动能量再生功能。该车质量约345 kg，最高速度11.2 km/h，根据实际情况，一次充电可以割草半天，还可以用于清扫、耕地等作业。我国对于电动拖拉机的研究起步较晚，随着设施农业、生态农业的快速发展，特殊业态和生产环境对零排放、无污染、低噪音的绿色动力农机具的需求越来越迫切。2016 年 7 月国家科技部 “十三五国家重点研发计划”立项支持山东时风（集团）有限责任公司、山东省农业机械科学研究院等单位联合开发智能电动拖拉机，重点解决满足电动拖拉机不同作业工况需求的电机外特性与作业负载的匹配规律、各耗能部件的能量消耗规律与耗散特性等关键科学问题，开发电动拖拉机能量管理系统和整机中央集成控制系统，研制拓展电机外特性的功率分汇流变速箱，集成创制18 kW 和 28 kW 智能电动拖拉机，以不断满足绿色清洁农业生产需求。信息化和智能化技术、特别是电池技术的突破性进展，使电动拖拉机将来在世界范围内得到广泛应用成为可能。（2）电动设施农业装备的研究与应用国外设施农业起步早，作业装备齐全，生产比较规范。荷兰、日本、韩国、美国和以色列等国家重视设施农业作业机具的开发和应用，其产品涵盖旋耕、犁耕、开沟、作畦、起垄、中耕、培土、铺膜、打孔、播种、灌概和施肥等作业功能，大量采用机电一体化技术，并且向智能化、93第 56 卷第 2 期完全自动化、节能及能源多元化方向发展。如美国、日本、韩国等国家的小型耕耘机多以 2.28 kW 的汽油机为动力，为减少对室内的空气污染，便研发了用电动机作动力的小型自走式旋耕机。20 世纪90年代美国Gorilla Vehicles公司生产的e-ATV系列电动拖拉机，由直接安装在后桥上的直流牵引电机驱动，不需要离合器，控制由智能控制器完成，实现无级变速，广泛应用于设施农业动力作业。我国设施农业起步较晚，配套农业机械及装备发展较慢，落后于发达国家。设施栽培大多采用小型耕作机械，多配套 3.65.2 kW 柴油机或汽油机，生产效率低，作业质量差。新能源农业动力和智能作业技术装备研究非常匮乏，滞后于温室的环境控制智能化的发展。特别是近几年，我国蔬菜产量逐年增加，产量和产值均超过粮食，成为我国第一大农产品。叶菜类蔬菜种植单体面积较小，大棚种植普遍，所以需要与之相匹配的小型蔬菜收获机。目前我国叶菜类蔬菜收获机械主要依靠进口，进口机械多数是大型机械，不能满足我国蔬菜收获要求。国内南京农业大学在这方面做了诸多探索，所设计的小型电动叶菜类蔬菜收获机是纯电动，可以根据工况调节相应的电机转速，工作过程无污染，提高了工作效率。随着农业生产无公害和绿色国际性标准的推广和实施，为避免化学燃料排放的废气、铅、粉尘等有害物质污染作物及环境，采用新能源作为机械化作业的新动力将成为一种发展趋势。3 生物质能在农业设施与装备上的应用3.1 生物质能的特点生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，是唯一一种可再生的碳源，具有清洁低碳、替代优势、原料丰富等特点。3.2 生物质能在农业设施与装备上的转换及应用一般意义上的农业生物质能资源利用是指对农业生产过程中的副产物与废弃物进行无害化处理以及综合利用，如农作物秸秆、稻壳、尾菜、畜禽粪便等通过特定的农业设施和装备进行转换处理和有效利用。（1）农业部南京农机化研究所生物质转化利用团队研发的柔性膜覆盖车库式厌氧干发酵成套装备能够满足包括打捆秸秆在内的多种有机原料厌氧发酵，实现了原料预处理与厌氧发酵一体化作业模式，加快了厌氧发酵启动速度，简化了原料预处理程序，产沼气率高，大大提升了处理农村有机废弃物的能力。（2）山东省农业机械科学研究院等单位以设施蔬菜秸秆工厂化集中处理利用关键技术为研究目标，开展预处理粉碎及清塑除杂、工厂化槽式高效快速好氧发酵等关键技术装备研究，填补了国内设施蔬菜秸秆及畜禽粪便无害化处理肥料化利用成套技术装备的空白，并在山东沃泰生物科技有限公司建立了年产 7.5 万 t 设施蔬菜秸秆废弃物工厂化处理有机肥制备成果转化示范基地。当前我国在生物质能转换利用方面还存在装备技术含量低、研发经费投入少、关键技术研发进展不大等问题，但随着产业发展的政策环境完善和技术水平提高以及更多有实力企业参与，生物质能转化和利用必将得到长足发展。4 结束语“绿水青山就是金山银山”，绿色能源技术发展引领农业机械化走向新时代，绿色能源在农业设施与装备中的应用将大有可为。参考文献[1] 顾晓燕 . 太阳能制冷及供暖综合系统研究 [D]. 南京理工大学 ,2005.[2] 高辉松 , 朱恩红 , 吕宝占 . 电动拖拉机发展及其关键技术 [J]. 拖拉机与农用运输机械 ,200764-7.[3] 高辉松 . 电动拖拉机驱动系统研究 [D]. 南京 南京农业大学 ,2008.[4] 袁明杰 . 电动拖拉机 [J] . 科学大众 ,19559348-350.[5] 东北农学院农机系汽车与拖拉机教研组 .“ 电牛 -33”“ 电牛 -55”电动拖拉机 [J] . 东北农学院学报 ,196031-10.[6] 张瑞华 , 施俊侠 , 张日红 . 小型绿叶类蔬菜收获机的收获方案及切割装置设计 [J]. 农业科技与装备 ,20151011-14.作者简介 杜家乐（2000 ），男，济南市历城第一中学学生，主要从事绿色能源研究。E-通讯作者 焦伟（1970 ），男，工程技术应用研究员，主要从事农业机械化工程研究。E-杜家乐 等浅析绿色能源在农业设施与装备上的应用