可再生能源在我国设施农业中的应用

  所谓设施农业就是通过采用一定的设施和装置，局部范围改善或创造环境气象因素，使植物或动物获得最佳生长环境的生产方式。与传统农业相比，设施农业摆脱了自然环境的束缚，可有效增加农业收入。在现代化的设施农业中，需要消耗能源对“温、光、水、气”等进行调控，其中最主要的能源消耗用于调控室内温度。锅炉供热是目前设施农业中较为普遍采用的供热加温方式，且绝大多数是燃煤锅炉。煤炭的使用不仅造成环境污染，同时还给设施农业企业带来较大的运营成本压力。近年来，各种可再生能源在设施农业中逐渐得到重视，目前应用于设施农业中最常见的可再生能源有太阳能、风能、地热能、生物质能。使用可再生能源进行设施农业生产，不仅可降低能耗，还可减少ＣＯ２和各种污染物的排放，是绿色环保的农业生产方式，也是未来设施农业的发展方向。

 

  １ 太阳能在设施农业中的应用

 

  １．１ 太阳能热能应用

 

  设施农业本身就是太阳能热能最直接的利用方式。

 

  目前国内农业设施类型主要有大型连栋温室、日光温室和拱棚，日光温室和拱棚占绝大部分。受成本因素限制，大部分地区日光温室和拱棚没有配备供热设施，只通过本身的结构、材料和保温措施，实现对太阳能的利用；连栋温室受结构限制，我国大部分地区冬季为了满足作物对温度要求，必须采取人工增温措施。此外，为了提高太阳能的利用率，一些节能技术也被开发应用。

 

  在水产设施养殖中，人们利用蓄热设备提高太阳能的利用率，常规的做法是使用太阳能集热器，将热量储存于水中与需要加热的水体进行热交换。对于温室种植，地中热交换系统是一种常用的加温方法，白天使用风机将温室内空气中的热量经地下埋管传向地下蓄热层，夜间再通过风机将蓄热送回至大棚，整个系统只有风机电耗，是一种有效的温室增温方式。

 

  太阳能热泵是太阳能集热系统与热泵的组合。热泵是一种以消耗部分高品位能量为条件，向低温热源取热，将其加热后向高温热源放热的能量利用装置，热泵的性能系数大于１，是一种有效的节能技术。改变热泵循环中工质的流动方向，还可实现冬天制热、夏天制冷的功能。我国最近几年才开始建立实验系统对太阳能热泵进行研究，目前还未见太阳能热泵应用于设施农业的报道。由于太阳能的不稳定性，太阳能热泵在使用时一般还需要配备其它辅助加热方式，投资成本是阻碍太阳能热泵在设施农业广泛应用的主要问题。

 

  １．２ 太阳能光能应用

 

  光合作用是植物对太阳能光能的直接利用。在设施农业中，除了植物直接吸收外，太阳能光能还可通过光伏发电将光能转变为电能进行利用。光伏发电需要一定的太阳电池面积来接收光能，随着太阳电池技术的发展，出现了可以安装在温室顶部的薄膜透光式太阳电池，在光伏发电的同时又不影响太阳光线的透过。２００９年，在江西上饶［１］、江苏武进［２］等地分别建成薄膜式农业大棚，全国多地也正在建造此类大棚。薄膜太阳能大棚不仅可为设施农业提供充足的电力资源，还可以将剩余的电能上网销售，带来额外收益。

 

  太阳能发电在设施农业中最基本的用途是照明，白  天光伏发电给蓄电池充电，晚上作为电源为节能灯提供电能，不仅可为设施农业提供场地照明，光照在温室内还可延长植物进行光合作用的时间，提高农作物产量。

 

  此外，太阳能驱虫灯也是在设施农业光能利用的方式。白天太阳能转换成电能储存，在夜间杀虫灯释放出特定波长的光源吸引害虫，光源外围的高压电网可将飞过的害虫杀死。使用有效的光波范围可诱杀１ ０００多种害虫，在温室中具有很好的应用价值。目前国家对太阳能杀虫灯在农村大棚中的使用给予补贴，我国多省的农村中已经开始推广使用。

 

  ２ 风能在设施农业中的应用

 

  风能也是设施农业可以利用的可再生能源之一。

 

  我国风能资源非常丰富，早在中国古代农业中已经开发利用风能，１ ７００多年前已经开始用帆式风车提水，西汉就出现了制造人造风进行谷物清洗的风扇车，然而近年来中国风能的利用却一直发展缓慢。风能利用的主要方式是风力提水和发电致热。

 

  风力提水作为风能利用的重要方式，分为传统的风力直接提水与新兴的风力发电提水２种方式。荷兰、丹麦、英、美、俄等国风能资源相对丰富的国家，都大批量生产各种型号的风力提水机，澳大利亚和新西兰的风力提水装置几乎遍及所有牧场。我国的风力提水机主要在东南沿海用于养殖、制盐，在江苏、宁夏、河北、吉林等地用于农田灌溉，在北方草原牧场地区提供饮水和牧场灌溉，主要针对边远和无电地区，未形成规模化。虽然我国的风力提水产业具有广阔的市场前景，然而风力提水技术的开发和推广步伐还比较缓慢［５］，目前在设施农业中的应用基本仅限于设施养殖中。风力发电在设施农业中主要应用在供电不便地区的设施畜牧、水产设施养殖中，小型风电特别是１ ０００Ｗ以下的机组，可为设施生产提供必要的电能。从２００９年起，农牧渔民购买２００～３００Ｗ风力发电机的数量快速增长［６］。在水产设施养殖中，需要用到水车式增氧机械、水质处理机械等旋转动力机械，用风力机直接驱动这些机械，不需要任何中间转换装置，可有效降低养殖过程中的成本。我国从２０世纪８０年代开始已经在水产设施养殖中使用风力增氧。风力致热是近年来才发展起来的一种风能转换形式，通常风力机提水的效率只有１６％，风力发电的转换效率为３０％，而风力致热的转换效率可达４０％［８］。

 

  风力致热主要有液体搅拌致热、液体挤压致热、固体摩擦致热和涡电流法致热４种方式，其中研究较多的是液体搅拌致热和液体挤压致热。日本早在２０世纪８０年代就开始使用风力致热技术进行温室加热和设施养殖。

 

  目前，风力致热技术在日本、美国、加拿大和丹麦等国家已进入示范试验阶段［９］。我国风力致热技术的研究起步较晚，基本处于空白状态。风力致热系统设备简单、效率高，开发风能致热技术在设施农业中具有广阔的发展前景。

 

  此外，随着风力发电技术的发展，开发由风力发电驱动的热泵系统成为可能。目前国内外已提出多种风力热泵系统，如由风轮通过变速机构单独或与交流电机并联驱动热泵压缩机的系统、完全由风力发电机发电驱动热泵压缩机的系统等。使用风力热泵供暖和制冷基本不需要消耗电力，相比于太阳能还可全天候工作。随着技术的发展和成本的降低，风力热泵在设施农业中也具有可行性。

 

  ３ 地热能在设施农业中的应用

 

  ３．１ 浅层地热资源

 

  浅层地热能广泛存在于地球浅表层巨大的恒温带中，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。浅层地热资源主要存在于浅层土壤、地下水和地表水中，这些热源的温度与环境温度接近、能量密度低，无法直接利用。近年来国外热泵技术的发展应用非常迅速，尤其是地源热泵。土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵统称为地源热泵，目前热泵承担着美国总供热量的８．４％，日本总供热量的２８．６％。中国从１９９５年开始学习和引进欧洲的热泵产品，直到１９９７年才出现一定规模的地源热泵采暖工程项目。在城市中，由于土地资源和水资源比较紧张，地源热泵的应用受到限制。设施农业一般位于城市郊区或农村地区，其土地资源、地下水和地表水资源比较丰富，非常适合热泵技术的应用。锅炉供热设备只能将９０％以上的电能或７０％～９０％的燃料化学能转换为热量，而地源热泵的制热ＣＯＰ性能系数一般可达４，运行费用为其它采暖设备的３０％～７０％［１１］。地源热泵技术在我国设施农业的应用中还处于试验研究和示范性建设阶段，目前投入运行的热泵系统已经开始表现出良好的节能效果。

 

  ２００１年时吴静怡等［１２］以东海农场３ｈｍ２蔬菜温室为例，对燃煤采暖与地源热泵的经济性进行了比较，当时的煤炭价格为２８０元／ｔ，热泵的能源费用为煤炭采暖的１．７６倍。然而近年来，电价涨幅较小，而煤炭价格却不断攀升，每吨最高价格甚至超过千元，按目前的煤电价格计算，使用煤炭的费用反而是热泵的２倍；左睿等［１３］将地源热泵与传统的电热锅炉和燃料锅炉进行了比较，利用地源热泵的温室能耗仅仅为传统供热方式的２０％～３０％；方慧等［１４］在中国农业科学院Ｖｅｎｌｏ型试验温室内建造了一套地源热泵与地板散热相结合的供暖系统，整套地源热泵系统的实际ＣＯＰ性能系数达到３．１４，与燃煤锅炉相比节能３６．３％。此外还在北京顺义区三高国际鲜花港基地建立了一套地源热泵加热温室，与燃煤锅炉相比节能２９．６％［１５］。河南农业大学的王吉庆博士用水源热泵对温室进行加温，试验结果表明，系统ＣＯＰ 性能系数为３．３１，与燃煤锅炉相比节能４６．５％［１６］。罗迎宾等［１７］结合南京江宁罗氏沼虾养殖场工程案例，对水产养殖采用地源热泵的技术性及经济性进行分析，研究表明，采用地源热泵水产养殖技术比传统的供热技术节能５０％以上。２００９年，投资２．６亿元的地源热泵与地热利用综合供暖系统在北京国际鲜花港投入使用，经测算采用地源热泵供暖比电锅炉加热节省２／３以上的电能，比燃煤锅炉节省１／２以上的能量，在运行２ａ的时间得到了业主和温室大棚用户的一致好评。

 

  除供热外，地源热泵还可用于设施农业中的夏季降温。吴洪永等［１８］对湖塘水源热泵在北京蟹岛玻璃温室中的制冷进行了研究，结果表明，比空调节能５９％；柴立龙等［１９］在中国农业大学上庄实验站的温室中进行了地源热泵降温的试验研究，其制冷性能系数达到３；杨仁全等［２０］对北京西三旗生态园的地源热泵系统夏季使用情况进行了测试，试验结果表明，地源热泵夏季制冷比使用常规空调节能３５％。虽然地源热泵在夏季制冷降温中已经得到了部分应用，然而地源热泵空调系统无论在降温效果还是节能方面都落后于当前中国温室普遍采用的湿帘－风机降温方法［２１］，但是湿帘－风机系统存在耗水量大和空气湿度大等缺点，容易引起病虫害。因此，夏季在温室中可以采用湿帘－风机、地源热泵联合降温系统，合理搭配使用２种降温方法，既可减少投资费用和运行成本，又可解决易引发病虫害的问题。

 

  ３．２ 深层地热能的应用

 

  深层地热即为通常所指的地热能，包括浅层的水热型地热资源与深层的干热岩等，目前国内外设施农业利用主要限于水热型地热。我国地热利用较早，北魏郦道元的《水经注》中已有地热用于农业的记载［２２］。目前中国地热能年利用量世界第一，然而地热资源的利用大多比较单一。国内地热能主用于供暖、温泉洗浴、水产养殖、温室种植、农业灌溉、工业利用等，种植养殖占地热总利用量的９．１％。地热种植用于水稻育秧、农作物育苗、名贵药材和香料栽培、花卉栽培、食用菌培养、蔬菜瓜果种植等。由于地热资源在我国已有广泛的使用，很多省份都建设了地热温室。辽宁省凤城市东汤镇利用地热温泉种植油桃，福建省将地热能用于水稻育秧、培育红萍等［２３］。辽宁熊岳使用地热温室进行苹果育苗和葡萄栽培等。地热在设施养殖中主要用于名贵水产培养、水产品反季养殖等。湖南汝城县利用地热水设施养殖乌龟、牛蛙、福寿螺等名贵水产［２４］；天津汉沽区冬季利用地热大棚反季节养殖南美白对虾，取得了良好的经济效益［２５］；陕西合阳县经过多年实践，利用地热水大棚养殖鲢鱼、鳙鱼、草鱼等，对其进行提早产卵繁殖［２６］；天津里自沽农场将石油井改为地热井用于地热养鸡，在此基础上形成了利用地热饲养种鸡、育雏、孵化、水产养殖、蔬菜种植的体系。北京南宫村将阶梯使用后排放的２０℃的热水处理后用于浇灌温室公园［２７］。但需注意，地热水主要是含无机盐的水溶液，其中氟化物、氯化物、硼离子浓度都大大高于农田灌溉水质标准，长期食用高含氟和无机盐的粮食和蔬菜，必将在人体内富集，因此地热水在用于浇灌时必须进行处理。

 

  ４ 生物质能在设施农业中的应用

 

  我国具有丰富的生物质能资源。据测算，我国生物质能资源相当于５０亿ｔ标准煤，是目前我国总能耗的４倍左右。可利用的生物质能资源主要有农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾等。

 

  秸秆首先可作为设施种植中的肥料来源。在土壤微生物的作用下，将其降解为可以被作物吸收利用的土壤养分，具有蓄水保湿、调节土壤温度、降低田间杂草密度、调节土壤ｐＨ值、提高土壤微生物活性等作用。近年来，设施农业中出现了“生物反应堆”工程技术，该技术就是以秸秆为原料，在生物菌剂的作用下发生腐化分解等一系列反应，生成作物生长所需要的热量、ＣＯ２、酶、有机和无机养料等有益物质，不仅大幅度提高了蔬果的产量和质量，还大大降低了化肥和农药的用量。该技术自２００１年起即在河北平泉、辽宁凌源等多地进行了示范研究［２８］，从试验结果来看取得了良好的增收效果，目前在山东、天津等多个省进入推广示范阶段。沼气是生物质能最重要的应用方式之一，我国的沼气利用无论规模还是技术均处于世界领先水平。沼气在设施农业中同样具有重要地位，沼气可以用于现代温室的加热、发电利用，沼液用于蔬菜追肥，沼渣用于温室蔬菜无土栽培基质与育苗基质，还可部分用作养鱼饲料。由于沼气是一种绿色能源，因此沼气用于设施农业的加热时，除了采用沼气锅炉供热外，还可以在温室内直接燃烧沼气进行加热。沼气点灯是目前温室中常用的一种方法，沼气点灯可以直接提供热能，燃烧产物可补充温室内的ＣＯ２，沼气点灯还可提供光源，为温室内的植物补光，延长光合作用的时间。沼液中富含各类氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、生长素、糖类、核酸以及抗生素等，可提高蔬菜种子的发芽率，又可增强蔬菜的抗旱、抗冻能力。沼渣由部分未分解的原料和新生的微生物菌体组成，含有大量有机质和腐殖酸，对土壤具有改良作用。由于沼气具有多重优良特性，因此沼气也成为现代设施农业中的纽带，目前围绕沼气出现了江西赣州、广西恭城的“猪－沼－果”生产模式［２９］，江苏赣榆创“猪－沼－鱼”生态水产养殖模式［３０］，广西百色的“猪－沼－菜－灯－鱼”［３１］等多种设施农业生态化复合生产模式，这些成功的生产模式在取得经济效益的同时，也起到了良好示范效果。

 

  由于生物质能资源非常丰富，相比于化石燃料具有可再生和环保的优势，因此近年来国际生物质能发电的发展非常迅速。目前国内沼气发电主要应用于设施养殖。２００５年海宁市斜桥镇同仁村养殖园２００ｋＷ沼气发电项目投入运行［３２］，２００７年北京德青源农业科技股份有限公司健康养殖生态园２ＭＷ 热电肥联产沼气工程投入运行［３３］，２００８年蒙牛建成了全球最大的畜禽类沼气发电厂，年发电量可达１×１０８ ｋＷ·ｈ［３４］。这些沼气发电项目不仅可以满足设施生产自身电耗，多余的电还并入国家电网，每年产生不菲的收益。作为沼气发电的副产品，大量的沼肥、沼液也具有重要的经济价值。

 

  ５ 结论

 

  从可再生能源在国内设施农业的应用情况可以看出，环保、清洁的可再生能源在设施农业中已经逐步开始发挥重要的作用，各种新的利用方式也不断出现。太阳能，地热能，沼气，地源热泵等已经处于节能示范或推广使用阶段，多种可再生能源综合利用的绿色设施农业生产模式也备受关注。然而，在设施农业能源利用水平不断进步的同时，还应该清醒的认识到，可再生能源在我国设施农业中的利用还处于起步阶段，各种能源的利用技术还有待进一步完善，可再生能源在设施农业中缺乏具有推广代表性的成功案例。同时还应注意在使用可再生能源为设施农业服务的同时，还要尽可能防止其可能带来的环境问题，使设施农业真正成为绿色产业。