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农业工程技术 综合版 2020 年第 3 期 38 节 能 环 保 易变质腐败 亚硝酸盐急剧升高 亚硝酸盐具有致癌作用 进入 人体后会对人体产生危害 严重的可以引起中毒致人死亡 日常 食用较多的蔬菜 强烈建议杜绝食用长途运输 搁置时间长 腐 败的蔬菜 隔夜菜 剩菜 腌制的咸菜 蔬菜应具备新鲜 健康 美味 价优四大特点 全球所需农产品产值在万亿级 市场区域跨度大 深化设 计和规模化供应链整合的种植方式将成为可能 技术进步促进生 产方式进步 随着蔬菜种植方式改变 世界各地都将迎来一系列 农业变革 例如城市中种植农作物 建造城市农场 从而实现本 土本地生产 本土本地消费 人们自主决定吃什么蔬菜 并学会 种植这些蔬菜 例如建造房顶温室 仅在户外打造露天农场是不够的 要 进一步开发城市空间 让蔬菜在室内生长 生产 由于避免了传 统农业存在的农药残留 病虫害 污染 低产等问题 从而使口 感和质量100 可控 符合消费者需求 同时提高空间的利用率 提高产值以及达到节约土地的目的 新一代工厂化 立体化 智 能化和工业化种植技术应运而生 2 市场展望 城市农场的生产使命就是让城市能在食品生产方面自给自 足 我们开始审视立体种植这种模式 希望以办公室为研究中心 研究大自然 寻求最佳生长条件 满足不同植物的需求 然后进 行模拟设计 研究不同的光谱和营养方案 以及白天可能发生变 化的不同环境等 通过技术手段创造许多不同的小气候环境 培 育数千个不同的植物品种 通过这种模式生产出来的食物蔬菜具 有很高的营养价值 并以口感作为植物的评价标准 根据需求订制蔬菜 如果客户需要蔬菜更甜一些 我们可 以用数学和模型来改变环境条件 下一次就能为客户生产出更甜 的植物 不用任何农药 也不喷任何化学制剂 选用非转基因种 子 生产出最干净 最健康的食物 未来无土栽培和立体种植系统进入超市将节省99 的能耗 包括但不限于运输 冷藏 物流等产生的能耗 还能解决当前食 物体系所面临的的严重浪费问题 进行规模化生产 推广到所有 超市 酒店 餐馆 办公室甚至可能推广到的每家每户 建立城 市营销网络 随着城市农场的快速兴起 城市居民和农民的界限 将越来越模糊 未来 凭借先进的通信技术和智能工具 人们可 以在自己家中种植新鲜 健康的蔬菜 实现全年供应不断 3 项目现状 利用上层空间在城市中大力发展城市农场 在种植集装箱 工厂内安装传感器 能够对室内的亮度 湿度和空气质量进行实 时监测 农场就像真正的无菌实验室 里面的所有因素都会得到 精确的控制 所有的作物生长不必担心自然环境状况 生长周期 短于传统露天生长的农作物 植物工厂里 蔬菜瓜果生长在 集装箱 里 只需一键启动 西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究 吴怡然 西安交通大学 西安 710000 摘要 截至 2019 年 地球上有 77 亿人口 需要在节约土地的 情况下规模化种植出更多的食物 与之匹配的绿色能源正引起全 人类的广泛关注 该文以高原作为突破点 根据高原概况和社会 性食品卫生 阐述无土栽培和立体种植的亮点 模式 带动光伏 发电 风力发电在立体种植中的实际运用 希望打造可以循环持 续产出洁净果蔬的植物工厂 以工业化技术推进农业发展 关键词 植物工厂 立体种植 无土栽培 太阳能 光伏发电 CO 2 减排 垂直轴风力发电 吴怡然 西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究 J 农 业工程技术 2019 40 08 38 41 西藏自治区位于青藏高原西南部 北纬26 50 36 53 东经78 25 99 06 之间 是中国西南边陲重 要门户和国防屏障 全区面积120 223万平方公里 平均海拔 4000 m以上 素有 世界屋脊 之称 自治区设有拉萨 昌都 日喀则 林芝 山南 那曲6个地级市 1个阿里地区 常住人 口308万人 人口分布 日喀则70万 昌都65万 拉萨55万 那曲46万 山南32万 林芝19万 阿里9万 2019年12月23日 西藏已基本消除绝对贫困 全域实现整体脱贫 西藏自治区空气稀薄 气压低 含氧量少 平均空气密度 为海平面空气密度的60 70 含氧量比海平面少35 40 NASA 水平峰值日照时数 h 拉萨5 450 昌都4 847 山 南5 408 日喀则5 733 那曲5 299 阿里5 559 林芝4 717 拉萨气象站 春季全区平均风速最大 为3 0 m s 夏 秋 冬 季依次为2 3 m s 2 1 m s 2 5 m s 气温低 积温少 昼 夜温差大 年均气温为 2 4 12 1 自东南向西北递减 每年6月 7月最高 1月最低 日温差15 以上 季节性降水 明显 年降水量66 3 894 5 mm 东南向西北递减 降水集中 在5 9月 占年降水量的80 95 大部分地区年大风日数在 30天以上 西部和北部高达100 160天 干旱 洪涝 雪灾 霜冻 冰雹 雷电 大风 沙尘暴等灾害性天气频繁发生 其中 冰雹居全国之首 气候垂直变化大 自东南向西北依次为 热带 亚热带 高原温带 高原亚寒带 高原寒带 区域气候变暖明显 尤其是1991 2010年西藏增温强烈 升温率达0 79 10年 明显高于全国其他区域 耕地面积343 14万亩 人均耕地1 41亩 分布零散 休耕时间长 土质较差 土壤肥力与水分流失严重 属低产田 受自然条件和技术条件限制 全区均垦系数仅为0 2 一 高原立体化种植 1 项目背景 至2018年底 西藏全区累计公路通车里程97785 km 大 部分生产生活物资需从其他地区进入 特别是时鲜蔬菜 肉类 禽蛋等主要通过G214 G318 青藏铁路 航空等运入 中转环 节较多 物价上浮较大 且途中时间较长 特别是时鲜类蔬菜较 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 08 030 农业工程技术 综合版 2020 年第 3 期 39 节 能 环 保 系统就能实现全自动栽培 针对植物本身的最佳生长需求进行环 境模拟 大大提高蔬菜瓜果的生长质量和效率 通过发光二极管 以下简称LED 控制光照时间 只用7 8 h就可以满足植物 对光照的需求 在培养方面很有优势 而且还能缩短整个生长周 期 发芽阶段基本上只要白光就可以 发芽期过后 主要需要蓝 光和红光进行光合作用 在自然光照条件下 光合作用能效通常 较低 而利用LED为每株作物提供所需红光和蓝光 能有效提 高光合作用效率 促进作物生长 确保每个月收获两次 传统农 场采收率为60 70 室内收获得益于先进的技术手段 采收 率可达95 左右 每年总产量约81吨 二 太阳能光伏 1 太阳能概述 中国的太阳能资源十分丰富 全国有2 3以上的地区 年 日照时数在2000 h以上 太阳能既是一次性能源 又是可再生 能源 资源丰富 可免费使用 无需运输 而且对环境没有任何 污染 随着工厂化 立体化模式发展 智能化和工业化种植所需 能源 如风能 水能 海洋温差能 波浪能 生物质能 潮汐能 化石能等 广义上都来源于太阳能 狭义的太阳能则仅限于太阳 辐射能的光热 光电和光化学能的直接转换 2 太阳能的三大优点 太阳能是人类可以利用的最丰富的能源 可以说 取之不尽 用之不绝 无论何处都有太阳能 可以就地开发利用 不存在运输问题 尤其对交通不发达的农村 海岛及边远地区更具有利用价值 太阳能是一种清洁能源 在开发和利用时不产生 三废 即废气 废水 废渣 没有噪声 更不会影响生态 3 太阳能转换为电能的三个步骤 太阳能电池吸收一定能量的光子后 半导体内产生电子 空穴对 称之为 光生载流子 两者的电极性相反 电子带负 电 空穴带正电 电极性相反的光生载流子被半导体PN结所产生的静电场分 离开 光生载流电子和空穴分别被太阳能电池的正极 负极收集 并在外电路上产生电流 从而获得电能 4 光伏计算 1 发电量 光伏系统单位功率每年输出的能量通常按照下面的公式来 计算 Eout Ht P0 PR Eout 单位功率光伏系统每年输出的能量 kWh Ht 全年峰值日照时数 P0 光伏系统额定功率 kW PR 系统综合效率 每生产1千瓦多晶硅光伏系统消耗的电能是2525 kWh 1 以拉萨为例 纬度20 94 最佳倾角30 最佳倾角安装时 每平方米每天的发电量约为5 8634 kWh m 2 d 能量偿还时间 1 57年 垂直安装发电量为3 6935 kWh m 2 d 能量偿还时间 2 5年 2 CO 2 减排量 中国CO 2 排放指数EI为0 814 kg kWh 光伏减排CO 2 潜力按照下面的公式来计算 PM Ht P0 PR N EI N 寿命周期年数 EI CO 2 排放指数 光伏减排CO 2 潜力修正为PM Ht P0 PR 2525 EI 1 拉萨地区光伏系统的减排CO 2 潜力最大 按照方阵最佳倾 角安装和垂直安装的光伏系统 在其寿命周期内 每安装1 kW 光伏系统 可以分别减少CO 2 排放量37 15吨和22 64吨 垂 直与最佳倾角安装的光伏系统发电量之比为63 三 垂直轴风力发电 1 垂直轴风力发电系统组成 垂直轴风力发电采用空气动力学原理 叶片选用了飞机翼 形形状 在风轮旋转时 不会受到因变形而改变效率 有4 5个 垂直桨叶 由4角形或5角形形状的轮毂固定 连接叶片的连杆 组成风轮 由风轮带动稀土永磁发电机发电 送往控制器进行控 制 输配负载所用的电能 垂直轴风力发电系统主要由发电机 控制器 逆变器 垂 直浆叶组成 其特点显著表现为 占地少 噪音低 使用寿命长 启动风速小 涡轮型仅2 5 m s 成本低 安装方便 适用于 高速公路 农村 家庭住宅 公寓大厦 工厂 度假村 宾馆 偏远地区无电人口改造 新农村建设 小区新能源 游船 渔船 城市中心区域公共照明 通信机站 2 垂直轴风机与水平轴风机 垂直轴风机与水平轴风机对比参数情况如表1所示 3 垂直轴主流规格技术参数 垂直轴风机主流规格技术参数如表2所示 表 1 垂直与水平轴风机对照表 项目 垂直轴 水平轴 风洞实测最大利用率 40 29 起动风速 m s 2 5 结构 发电机在风轮的下部或地面 安装运维方便 发电机置于几十米的高空 安装运维不便 环保 尖速比1 5 2 静音效果 环保 污染对气动性 无影响 尖速比5 7 噪音大 影响生态 污染对气动 性影响大 成本 结构使得运营期 无须登高 吊装维护 运营 成本低 系统效率降低发电成本和上网电价缩 短投资回收期 电能质量较好 结构使得运营期 需登高 吊装维护 安全风 险高 运营成本较高 系统效率延长投资回收 期 电能质量一般 农业工程技术 综合版 2020 年第 3 期 40 节 能 环 保 四 植物工厂与新能源的使用 1 植物工厂模块化 典型的集装箱式绿色立体种植规模可大可小 可利用废弃 的厂房 地下空间 人防设施 可以放置在高原 沙漠 海岛 城市 农田 公园 地铁的任何地方 植物工厂能极大地提高 单位土地的利用率 通过立体式排布可在1 m 2 的土地上实现与 120 m 2 农田相当的产量 用水量却仅为普通农业的1 并且完 全无污染排放 高原新能源集装箱式绿色立体种植系统配置有多 个子系统 1 环境控制系统 以空调系统为主体 并实时调节新风 CO 2 温湿度 2 栽培系统 包括栽培架和栽培槽 栽培架可采用铝型材 不锈钢等材料 栽培槽可为塑料或PVC材料 3 营养液调控系统 营养液配比系统 根据光配方影响植物根系对营养元素选 择性吸收的研究结果 提出一套营养液精良自动配比方案 开发 了可以对营养液元素如氮 磷 钾 镁 钙 铁 硼 锰 锌 铜 钼 硒等实现精量控制的营养供给系统 该系统可控制无土 栽培作物品质 为功能性作物的生产提供可能 营养液配比系统 由微量进入蠕动泵 PLC控制器 水泵等组成 实现精量控制植 物工厂营养液各元素组分的量及其比例 营养液供给系统 由循环水泵 电磁阀 管道等组成 按 要求实现植物浅液流栽培的营养液循环设定 4 升降式营养液栽培槽 水培槽采用活动框式的栽培层升降设计 既保证了栽培介 质中均匀 充足的水分或营养液 也保证了根部对氧气的需求及 根伸长所需的空间 此装置可应用于育苗 避免了育苗期频繁的 人工喷洒 提高了育苗效率及质量 也可应用于成苗定植 种植 层高度可根据植株长势进行调节 但成本相对较高 5 光源系统 光源系统的组成有以下几种 平板式光质 光强 光周期不可调式LED灯 光质 光强 交替周期可手动 智能控制的LED灯板 根 据需求制定 表 2 垂直轴风机主流规格技术参数 项目 类型 风力发电机 kW h 10 15 20 轮机容量范围 kW h 0 12 0 17 0 22 标称容量风速 m s 9 10 11 7 13 转子表面 m 40 40 40 机翼宽度 mm 400 400 400 塔的高度 m小于 10 10 3 10 3 发电机 kW 1 10 1 15 1 20 逆变器 kW 3 3 3 5 3 7 启动风速 m s 2 5 发电机效率 98 最大风能利用率 45 使用寿命 年 20 传统阻力型最大风能利用率仅25 实验中的智能可变LED光源系统 该LED光源以DMX512 协议为基础 应用PLC控制不同植物各生育阶段的需光特性 通 过PC终端设定LED灯板 实现光源光质在可见光 红外光 紫 外光的变换 以及发光强度在0 300 mol m 2 s 由灯板电功 率决定 范围的自动调节 该LED灯可运用于规模化的生产型植 物工厂中 充分发挥各种光质在植物不同生育阶段的作用 智能LED灯板 新型智能LED灯板结构简单 操作方便 运用单色光调光器和微电脑时控开关结合进行光配方设置 可设 定单色光质在一个光配方中的光强度以及开闭频率 实现单色光 质PPF值 光合有效辐射单位 的连续变化 及最大频率为0 5 次 min的混合光质交替设置 同时 内置电力监测仪 为电能 利用率的核算提供了更好的便捷性和准确度 6 总控系统 总控系统使用人机交互触摸屏作为上位机 采用用户自设 定方式 根据人工设定的参数 既定策略 达到营养液的分层循 环 定时更新 自动控制作物光照时长 总控系统由营养液自动 循环子系统和LED灯光控制子系统构成 各子系统之间彼此独 立 并共享同一上位机 通过画面调用接口实时监控每个子系统 的工况 控制参数可设置营养液循环参数和LED灯板控制参数 手 动模式下可以通过屏幕按钮自由操作各个开关 包括电磁阀 水 泵和LED灯 自动模式下 利用用户自设定方式 将控制参数 嵌入到既定的控制决策中 当上位机发出控制指令时 控制器开 关量输出端口闭合 中间继电器常开触点得电吸合 驱动电磁阀 控制执行器的开关 同时按需求完成营养液自动循环和作物光照 时长自动控制 7 监控系统 实时监控显示系统运行状况 系统时间和画面调用接口 视频监控植物生长状况 通过智能AI算法实现对植物的精细化 生长控制 提供调用接口可扩展视频溯源 流媒体直播推广 8 光伏植物工厂生产管理系统 电能是常见植物工厂系统中唯一的动力能源 耗电量大是 限制植物工厂发展和大规模应用的主要因素之一 研究表明 光 源是人工光型植物工厂的主要耗能设备 占整个植物工厂耗能的 60 以上 因此 从降低植物工厂运行成本的角度出发 将太阳 能光伏发电系统与植物工厂相结合 可将太阳能转变成电能后为 植物工厂的运行提供能源 2 新能源与植物工厂的组合方式 1 离网型 用电负载远离电网时 使用太阳板的电能 通过控逆一体机 在储存电能到蓄电池内的同时 将直流电逆变成负载所需的交流 电能 该模式由太阳能电池组件 控逆一体机 蓄电池组等组成 种植的集装箱整体负荷约为10 kW 8 h为满负荷 其他时间为 满负荷的1 3 1 4耗能 最大为133 kWh 太阳能电池板一天至少需要发的电量为133 0 8 166 kWh 才能达到平衡 根据能量守恒定律 铅酸蓄电池放电深度为电池 满容量时的80 另外由于在蓄电池充电的后期对电池的充电处 于浮充状态 所以应留有10 的电池余量以更好的利用太阳能 电池发出来的电 所以 C Q2 d U 农业工程技术 综合版 2020 年第 3 期 41 节 能 环 保 中 小城市 商业区附近建设 解决当地用电需求 减小环保压力 拉萨年平均风力为 3 0 2 3 2 1 2 5 4 2 475 m s 年 日照时数2140 h 适宜采用分布式风光互补模式为种植集装箱 提供能量 选择风机容量应是负载需求量的2 3倍 不同地点和不同高度的风速计算 风速随高度变化 受 地面平坦度以及风通道上的气温变化 风速计算通常采用指数 公式 式中v 距离地面高度h处的风速 m s v1 高度为h1处的风速 m s 风切变指数 取值1 2 1 8 风力发电量计算采取以下公式 风力日发电量E E1 E2 Vm Vi v E1 PNhi vi VH Vi vm vh E2 PN hi vi vH v E 当月发电量 kWh E1 E2 风力发电机在不同风速段的发电量 kWh v 当时风速 m s Vm 风机启动风速 m s vi 风机额定风速 m s PN 风机额定功率 hi 该月中与vi相对应的小时数 集装箱日耗电能最大为133 kWh 如按前述光伏满足 10 kW负荷8 h 天工作所需电能为80 kWh 那么组件数 量n 10 10 2 Wp 370 Wp 0 81 33 36片 取34片 日 发电 34 370 8 0 81 1000 81 52 kWh 余133 81 52 51 48 kWh 即负荷为51 48 kWh 16 h 3 2175 kW 风 力容量 3 2175 kW 2 5 0 98 8 21 kW 风机降容处理 1 29 8 21 10 59 取整需5 KW风机2台 五 结论 未来将以独立微网的风光可再生清洁能源 驱动自动化植 物工厂生产清洁农作物 实现长久循环的绿色生态种植 密闭工 厂化农场无需担心环境气候变化 在栽培舱里可以避免外界干扰 轻松实现 风调雨顺 未来几乎可以在任何地方种植蔬菜水果 包括沙漠 酷热的东南亚地区 海岛 施工工地 极地等环境恶 劣的地区 立体种植可以避免农产品的长途运输问题 而且产量 高 是常规理想环境田间种植的6 14倍 而且具备标准模块化 新能源供电 规模化扩展 自动化运行的特点 植物工厂可栽培 的作物目前有180多种 基本满足日常果蔬所需 因为充分利用 立体空间降低土地成本 亦可将其称为低碳足迹系统 对于种植 系统的能源需求可通过对应光谱的耐用LED 智能控制 光伏 风能系统互补实现 我们追寻的方向是在自然家园中打造可以循 环持续产出的洁净果蔬 以工业化技术推进农业发展 参考文献 1 杨金焕 于化丛 葛 亮 太阳能光伏发电应用技术 M 北京 电子工业出版社 2009 2 周志敏 纪爱华 太阳能光伏发电系统设计与应用实例 M 北京 电子工业出版社 2010 式中C为电池容量 单位为A H U为系统电压 单位为V 电池可放电量 一般可取70 80 d为后备天数 电池的 可放电系数取0 8 单体电压取12 V C 166000 12 0 76 18201A H 取总容量为18000 A H 单体200 A H 12 V 90个 10串9并组成120V电池组 以拉萨地区为例 峰值日照时数5 53 h 要求电池用完后 在晴天情况下10天内电池容量处于90 以上的状态 则每天电 池板用于充电池的余量为Q3 133000 10 13300 W H 电池 板每天要发的电为Q3 Q2 13300 166000 179300 W H 所 以电池板使用JKM370M 72 功率P3 179300 5 53 32423 15 W 5片1串18并 取90片 控制器选择 由于太阳能系统已选定为120 V系统 考虑雪域高原平均海拔4000 m以上 则最大发电电流 I max 90 370 120 1 29 358 A 所以选用额定功率为200 A 120 V的太阳能控制器2台 逆变器选择 总负载的功率为10 kW 逆变器出 力系数取0 75 计算功率为13 kW 高原降容后功率为 13 33 1 29 17 2 kW 所以选用20 kW 120 V纯正弦波输 出逆变器 该模式构成中因蓄电池和电池组件成本较高 无相应政策 支持时一般不采用 2 挂网型 绿色种植工厂可接入电网 但当地电网电能质量较差 可 光伏0 4 kV挂网 不带储能 不能脱网 自发自用 用电维持 负荷大小足以消纳光伏发出的电力 其组成仅为 光伏组串 并 网逆变器 配电双向计量装置 远程监控 可选 无蓄电池相 关费用 系统效率0 81 单个集装箱光伏为2个组串 采用32块 16 串2并 370 W组件 其出力为32 370 0 81 9 59 kW 配置10 kW并网逆变器 水平安装峰值日照时数5 53 h 日 发电53 kWh 最佳倾角30 安装时日照时数5 8634 h 日 发电56 kWh 10 kW负荷 8 h所需电能为80 kWh 挂网型 配置的日发电量为满负荷时间内的70 56 80 即集装箱满 负荷工作时可以全部消纳 在阴雨天或夜晚 太阳电池组件没有 产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时自动切换至电网供 电 下网电能需与当地电网结算 因此需办理当地电网手续 2 结合拉萨地区光伏系统从CO 2 减排结论 安装11 84 kW 的光伏系统 在其寿命期 25年 内将减少CO 2 排放量 37 15 11 84 440吨 3 分布式太阳能 风能互补 分布式太阳能风能互补系统由垂直轴风力发电系统和光伏 发电系统组成 主设备包括垂直轴风力发电机 太阳能电池组件 太阳能方阵支架 直流汇流箱 直流配电柜 并网逆变器 交流 配电柜等设备 配套供电系统监控装置和环境监测装置 在夜间 和阴雨天无阳光时 由风力发电系统将风能转换输出电能 有太 阳辐射时由光伏系统将太阳能转换输出电能 既有风又有太阳的 情况下两者同时发挥作用转换输出电能 经汇流箱集中送入直流 配电柜 由并网逆变器逆变成交流电供给负载 多余上网 不足 下网 自动无缝 无断点调节 实现全天候的发电 供电功能 比单用风机和太阳能更经济 实用 可在农村 牧区 山区及大