CN101876482A - 可再生能源设施农业能源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是提供一种可再生能源设施农业能源供应系统，在一个设施农业区域内，含有至少可再生能源采集生成系统，通过分布在不同区域、不同建筑物或非建筑物上的可再生能源采集单元实现能源的生成，通过集中或分布在不同的区域的能源储存单元和/或集中的能源储存单元系统实现能源的储存，通过一个共同使用的中央传输、控制、计量的系统，实现能源的传输、控制、计量，通过提供给每一个设施农业建筑能源实现能源的供给，从而设施农业的能源供应。

Description

可再生能源设施农业能源供应系统

技术领域

本发明涉及可再生能源、传统能源的利用，包括利用可再生能源的分布采集，传统能源进行补充，实现设施农业的能源供应。

背景技术

可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。核能、太阳能即将成为主要能源。联合国开发计划署(UNDP)把新能源分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能(潮汐能)；穿透生物质能。

一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核能、氢能等作为新能源。广义新能源将主要包涵了以下几个方面：1、高效利用能源；2、资源综合利用；3、可再生能源；4、代替能源；5、核能；以及6、节能。

可再生能源、新能源、与传统能源已经在城镇广泛使用，其中太阳能分为低温、中温以及高温使用，低温的热水应用技术已经成熟，主要产品形式是太阳能的热水器，采用真空玻璃管技术进行吸热后加以利用，在此种应用中，有采用将热管插入到真空玻璃管内部将热量传递到外部获得太阳能的技术。太阳能低温的光伏发电发展迅猛，单晶硅、多晶硅、薄膜电池都已经实现了规模化应用，以及聚焦光伏发电，采用跟踪系统实现光伏但是由于成本高，需要国家的补贴才能实现规模的应用。太阳能高温的应用主要是槽式、蝶式以及塔式的应用，可以实现高温的发电以及高温的其他应用。现有太阳能的中高温度的太阳灶应用，主要采用反射板对太阳进行反射，将太阳能直接聚焦到一个灶具上，实现对太阳能的利用，在此种技术没有办法对太阳能进行收集以便于夜间及阴雨天应用，更不可能对其进一步的其他方式的应用。除此之外，生物质以及沼气的应用也在不同的区域开展起来；利用浅层地表热能为主要的热泵技术将地热能进行了利用。

现有的可再生能源、新能源的利用主要是单户的应用，或者是每个单元的小规模化的应用，不能成为城镇能源供应的主体，现有的城镇电力主要是采用传统能源为主的电站输送到城镇使用，在寒冷地区的冬季供暖主要是采用家庭型的自己供暖或者采用热力公司的集中供暖，但是主要是采用煤为能源；电力与热力公司是分开进行供应的系统，家庭和单元不能成为能源的采集和提供方，因而限制了在城镇地区应用新能源、可再生能源实现对城镇能源的供应。

传统能源生产利用形态造成了一系列的问题，首先是终端能源利用效率无法提高，转换系统加大，输送能源的电网、热网、管网等都要加大，中间损失自然会增加；其次是必须大规模利用资源，一方面造成小规模的资源被忽略或浪费，另一方面被资源的规模所局限，造成可利用资源的供应出现瓶颈；其三是由于效率无法提高，导致环境污染加剧。特别是集中排放二氧化硫造成酸雨问题和大量排放温室气体导致全球变暖。全球温度升高，海平面上升，造成极端气候变化频发，不是酷暑就是严寒，又进一步加大了能源的消耗，整个能源系统和生态系统同时陷入恶性循环；其四是安全问题，大电网和超高压输电为供电安全带来了极大的隐患，造成大面积停电事故频发等问题，脆弱的电网成为恐怖分子和敌对势力要挟的把柄，成为悬在现代文明头上的″达摩克利斯剑″；再则，这种规模化的能源大生产格局，无法调动社会和民众的积极性来参与节约和优化系统能源，使能源的经营者成为孤家寡人和众矢之的。因此，人类需要在能源问题上寻找到一条新的出路，需要有多种新的能源转换和利用形态，建立多源新的能源供应体系，创造多维的能源交易机制来解决人类文明的动力问题，减少污染排放，实现可持续的发展。

所谓设施农业是指具有一定的设施，能在局部范围创造出适宜的气象环境因素，为动植物生长发育提供良好的环境条件而进行的农业生产。设施农业作为现代农业的重要组成部分，在我国广大农村已推广应用多年，它的发展给我国传统农业注入了新鲜血液，解决了大部分人的温饱问题.发达国家的设施农业，已形成成套技术、完备的设施设备、生产规范，产量稳定。在这些国家，设施建设规模大，生产效率高，始终坚持高新技术的示范、推广与应用，获得了可观的效益。以荷兰为例，全国有玻璃温室13000hm².且均为大型现代化连栋温室，自动化程度高、生产效率高，温室内温、光、水、气、肥等实现了智能化控制。从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整规范的技术体系，番茄、黄瓜等实现了一年一大茬的无土长季节栽培，采收期长达9～10个月，黄瓜平均每株采收80条，番茄平均每株采收35穗果，平均产量60Kg/m²，创造了当今世界最高产量和效益水平。温室节能技术也是温室研究工作的重点，随着《京都协议书》的执行，荷兰作为议定书的协议国，规定所有行业的能源效率到2010年降至1980年的35％，相当于减少65％的化石燃料的使用，温室行业分担了全国20％左右的义务。目前，他们采取的主要措施包括：提高覆盖材料透光率，增加温室太阳能入射量，在此方面他们主要开发了温室屋顶清洗机械和Zigzag板材的开发；热能多用途利用和余热回收；温室浅层地能节能技术的应用；保温隔热技术的研究，主要体现在三个方面，一是内保温幕帘的广泛使用，二是天沟的保温，三是增加温室的气密性和外维护结构的保温；新型节能新技术的研究与开发，比如改造温室结构，充分利用太阳能，培养耐低温作物等等。在以色列现代化温室可根据作物对环境的不同要求，通过计算机对内部环境如光、温、水、气、肥等因子进行自动监测和调控，实现温室作物全天候、周年性的高效生产。该国的工厂化农业，黄瓜、西红柿的产量达50Kg/m²，玫瑰产量达32枝/m²，是露地栽培的10～20倍。美国、日本等国还推出了代表当今世界最先进水平的全封闭式生产体系，即人工补充光照、全部采用计算机控制、由机器人或机械手进行移栽作业的“植物工厂”全年收获产品20茬以上，蔬菜年产量是露地栽培的数十倍，这些国家的设施农业的共同特点是已实现了集约化、规模化、专业化生产，温室及配套设施的生产高度社会化。

目前，我国设施园艺面积已达250余万公顷，约占世界设施园艺总面积的85％。设施园艺年产值达到2000多亿元。在种植结构上，设施蔬菜面积占我国设施园艺总面积的95％以上。在区域分布上，70％以上分布在黄淮海及其以北地区。设施园艺的发展为解决长期困扰我国北方地区蔬菜冬淡季供应问题，改善城乡居民生活，促进社会稳定发挥了重要作用。

有机农业是一种完全不用化学合成的肥料、农药、生长调节剂、畜禽饲料添加剂等物质，也不使用基因工程生物及其产物的生产体系，其核心是建立和恢复农业生态系统的生物多样性和良性循环，以维持农业的可持续发展。在有机农业生产体系中，作物秸杆、畜禽粪肥、豆科作物、绿肥和有机废弃物是土壤肥力的主要来源；作物轮作以及各种物理、生物和生态措施是控制杂草和病虫害的主要手段。有机农业生产体系的建立需要有一个有机转换过程。

有机农业是一个促进生物多样性、生物圈循环和土壤生物活动的生态性生产管理体系。有机农业要求尽量采取恢复、维持、促进生态和谐的管理措施，完全不用或基本不用人工合成的化学肥料、化学农药、生长调节剂和畜禽饲料添加剂等，尽可能减少空气、土壤和水分的污染，遵循贴近自然的生态学原理，协调种植业和养殖业的平衡，采用一系列可持续发展的农业技术，持续稳定、循环发展的农业生产体系。

有机农业的生产过程生产出的产品，称为有机食品。与国内其他绿色食品的最显著差别是，前者在其生产和加工过程中绝对禁止使用农药、化肥、激素等人工合成物质，后者则允许有限制地使用这些物质。因此，有机食品的生产要比其他食品难得多，需要建立全新的生产体系，采用相应的替代技术。有机食品是一类真正源于自然、富营养、高品质的环保型安全食品。

现有的设施农业发展中还存在的主要问题：一是，现有的设施农业的整体科技发展水平不高，设施结构简易，环境控制能力、生产管理很大程度上还依靠经验，与标准化、精准化生产管理的要求还相差甚远。设施农业在环境控制、管理技术、生物技术、人工智能技术、网络信息技术等方面需要完善。二是，设施农业的经营效益较低。我国土地生产经营方式以户为单位家庭承包经营，发展起来的设施农业规模较小，产品的市场不稳定，全过程的产业链条尚未形成，社会化服务体系还未完全建立。三是，我国设施农业的机械化程度低。我国设施农业机械的配套水平不高，机械化作业水平低，目前生产仍以人力为主，劳动强度大。机械化水平低的问题已成为制约我国设施农业发展的瓶颈环节。四是，我国设施农业运行管理水平有待提高。从专用品种的繁育到环境运行的合理控制等方面来看，我国设施农业的运行管理水平与高产、优质、安全、高效的要求还有很大的差距，运行管理水平亟待提高。总体上讲，许多关键技术问题还有待于研究解决，与之相配套的相关产业还未健全，特别是现有的设施建筑的温室运行费用普遍较高，水、电、暖费用较高，建筑能耗高，造成了农业生产成本高，致使设施农业缺乏经济实用，障碍了设施农业的发展。因而需要解决设施农业存在的能源供应特别是采用可再生能源的设施农业。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可再生能源设施农业能源供应系统，在一个设施农业区域内，含有至少可再生能源采集生成系统，通过分布在不同区域、不同建筑物或非建筑物上的可再生能源采集单元实现能源的生成，通过集中或分布在不同的区域的能源储存单元和/或集中的能源储存单元系统实现能源的储存，通过一个共同使用的中央传输、控制、计量的系统，实现能源的传输、控制、计量，通过提供给每一个设施农业建筑能源实现能源的供给，从而设施农业的能源供应。

具体发明内容如下：

一种可再生能源设施农业能源供应系统，包括设施农业建筑、可再生能源生成系统、能源应用系统、能源传输控制计量系统、能源储存系统组成，其特征是：在设施农业建筑的屋顶上和/或墙体上和/或区域内设置有采用可再生能源采集电能以及热能的系统，所采集的电能及热能用于设施农业的能源供应。

在一个设施农业区域内，含有至少一个可再生能源生成系统，所述可再生能源生成系统是指在设施农业建筑的屋顶上和/或墙体上和/或区域内设置有采用可再生能源采集电能以及热能的系统，所采集的电能及热能用于设施农业的能源供应，通过分布在设施农业区域内、不同建筑物或非建筑物上的可再生能源采集单元实现能源的采集生成；通过集中和/或分布在不同的区域的能源储存单元和/或集中的能源储存单元系统实现能源的储存，通过一个共同使用的中央传输、控制、计量的系统，实现能源的传输、控制、计量，通过一个应用系统实现能源的应用，从而实现区域内的设施农业的能源供应。

任何可再生能源的生成形式都可以应用于本系统中，但是通常可以选用至少下列之一实现可再生能源的采集生成：

A太阳能光电系统：即所有的太阳能光伏转换技术，包括单晶、多晶、薄膜、非晶硅太阳能电池板，以及聚焦跟踪的太阳能光伏电池板；

B、太阳能光热系统：包括所有的太阳能生成热能的系统，如低温的太阳能热水器、太阳能灶；槽式、蝶式、塔式太阳能热能采集及发电系统；

C、太阳能光电光热系统；包括所有的太阳能生产电能以及热能的系统，如聚焦光伏光热系统；

D、地热；

E、浅层地表热能利用；

F、地表水源空调系统；

G、生物质发电；

H、沼气池；

I、垃圾粪便沼气。

J、小水电。

还有传统能源进行补充，以便在特殊气候进行补充，其能源方式可以选择下列之一：

A、煤：

B、油：

C、气：

D、电。

设置有一个中央传输控制系统，实现能源的传输，分布在不同的区域的能源生成采集单元，可以将其采集生成的能源输送到中央传输系统中，实现能源的传输；在中央传输控制系统上设置有计量、结算系统，可以实现对分布的新能源采集单元和/或应用单元进行计量、结算，通过对每一个单元的采集流入量以及流出量的计量及结算，以实现能源的收费，其计量为单向由中央采集系统传输到单元应用系统，和/或双向的由中央采集系统传输到单元应用系统以及同时具备由单元采集向中央采集系统实现传输。

在中央传输控制系统中传输的能源分为电能、热能、沼气三种形式；实现能源的传输、储存、控制，通过埋入到地面以下的中央传输管道实现电能、热能及沼气的中央传输，优选多功能一体化管道系统实现电能、热能、沼气的传输，以及通讯管道等一体化的传输；仅需要进行一次的地面挖掘，就可以实现多种管道的铺设，主管道与分布的能源采集生成单元连接，或者采用电能、热能及气体(沼气)中的至少一种管道在地面以下进埋入管道传输其中太阳能产生的发电采用并网或组建的局部微网实现电力传输。

热能储存器件设置在建筑物内、建筑顶、地面以下，在热能储存器件中设置有蓄热材料，蓄热材料周围设置有保温材料，将热能进行储存；电能的储存采用蓄电池；系统中优先采用热能实现能源的储存。

设施农业建筑内的温、光、水、气、肥采用智能化自动控制，对作物或叶片温度、茎流量、茎杆设置有检测仪器，多养殖类动物设置温度、身高、体重检测设备，多个设施建筑进行连栋建筑，并优选无土栽培，能源供应系统提供其所需的电力。

热能的传输控制系统将热量在新能源采集单元、传输控制系统、能源利用单元、热能储存单元之间实现热能的传输、控制，其换热、传热系统采用下列结构进行热能传递：

A、通过强制循环的流体进行传热，并设置有循环泵；

B、通过热管技术；

采用下列结构之一通过热管进行吸热、传热、换热：

A、普通热管：其蒸发端直接进行对太阳能的接收，冷凝端与一个强制循环流动的流体进行换热；

B、整体热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分相互并联到一个垂直的管道上，组成为整体热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

C、分离式循环热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分进行串联，组成为一个共同热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

D、可连接热管：通过热管的可连接结构将热管进行连接，构成热管的体系；

E、环路热管；

F、脉冲热管：将热管进行串联，选取不同的连接段成为冷凝端，构成脉冲自震荡热管的结构；

G、循环自激振荡热管。

此种实施农业能源供应的优点为：

1、采用本发明实现了采用可再生能源对设施农业提供能源支持；

2、本发明既可以针对独立的设施农业实施能源供应，更适合于在一个区域内的多个设施农业建筑的能源供应。

3、本发明通过一个中央传输系统实现单项和双向的能源的传输，可以实现不同的实施农业建筑之间进行能源的相互经济利用，并提供计量结算系统，使得可以将可再生能源作为一种新的收入进行交易。

附图说明

图一：分布式区域四个设施农业建筑能源供应系统

图二：分布式区域设施农业能源供应系统

图中数字含义为：

1：单元可再生能源采集生成系统，2：中央采集生成系统，3：单元能源储存系统，4：中央能源储存系统，5：中央能源传输控制计量系统，6：设施农业建筑，7：单元太阳能光伏电站，8：中央太阳能光伏电站，9：单元太阳能光热采集系统，10：中央太阳能光热采集系统，11：中央太阳能热电站，12：中央蓄热系统，13：中央太阳能热发电系统，14：中央沼气生成系统，15：中央电力传输控制计量系统，16：中央热力传输控制计量系统，17：中央沼气传输控制计量系统，18：单元能源传输控制计量系统。

具体实施方式

实施例一：分布式区域四个设施农业建筑能源供应系统

如图1所示，本系统为适合于区域的设施农业的能源供应，采用4个单元的可再生能源采集系统(1)，实现能源的采集，在每个单元的采集生成系统中设置有单元的控制计量装置(19)，通过中央能源传输控制系统实现能源的传输，在系统中还设置有中央采集生成系统(2)，以及单元能量储存系统和中央能源储存系统，能源通过中央传输控制计量系统(5)进行传输控制及计量，本供应系统实现对四个单元的实施农业建筑的能源供应(6)。

实施例二：分布式区域设施农业能源供应系统

如图2所示，本系统适合于一个区域的设施农业的能源供应，本系统的中央传输控制计量系统采用一个一体化的管道系统，该系统被埋入到地面以下，一体化管道系统设置有电、热、气三种管道，分别传输电能、热能以及沼气，采集系统由三个太阳能光电采集系统(7)以及一个中央太阳能光伏采集系统(8)，三个在建筑上设置的建筑一体化的太阳能光热采集系统(9)，以及一个中央沼气生成系统(14)构成，三个太阳能光热采集系统采集的热能通过中央传输系统传输到中央储存装置(4)上，然后通过中央太阳能光发电系统(11)进行发电后，以电能的形式将能源提供给中央传输计量控制系统(5)，电、热、气通过中央传输控制计量系统将能源传输给三个单元设施农业的能源供应(6)，实现在不同的区域的实施农业的能源供应。

本能源供应系统可以实现在一个区域的实施农业提供能源供应，更适合于对一个独立设施农业的能源供应，本案例中提供了多个实施农业建筑的能源供应方法，对单个的独立建筑更容易实施。

Claims (9)

1.一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：在一个设施农业区域内，含有至少一个可再生能源生成系统，所述可再生能源生成系统是指在设施农业建筑的屋顶上和/或墙体上和/或区域内设置有采用可再生能源采集电能以及热能的系统，所采集的电能及热能用于设施农业的能源供应，通过分布在设施农业区域内、不同建筑物或非建筑物上的可再生能源采集单元实现能源的采集生成；通过集中和/或分布在不同的区域的能源储存单元和/或集中的能源储存单元系统实现能源的储存，通过一个共同使用的中央传输、控制、计量的系统，实现能源的传输、控制、计量，通过一个应用系统实现能源的应用，从而实现区域内的设施农业的能源供应。

2.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：可再生能源采集系统为至少下列之一：

A、太阳能光电系统：

B、太阳能光热系统；

C、太阳能光电光热系统；

D、地热；

E、浅层地表热能利用；

F、地表水源空调系统；

G、生物质发电；

H、沼气池；

I、垃圾粪便沼气。

J、小水电。

3.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：还有传统能源进行补充，以便在特殊气候进行补充，其能源方式可以选择下列之一

A、煤：

B、油：

C、气：

D、电。

4.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：设置有一个中央传输控制系统，实现能源的传输，分布区域内的可能源生成采集单元，可以将其采集生成的能源输送到中央传输系统中，实现能源的传输；在中央传输控制系统上设置有计量、结算系统，可以实现对分布的新能源采集单元和/或应用单元进行计量、结算，通过对每一个单元的采集流入量以及流出量的计量及结算，以实现能源的收费，其计量为单向由中央采集系统传输到单元应用系统，和/或双向的由中央采集系统传输到单元应用系统以及同时具备由单元采集向中央采集系统实现传输。

5.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：在中央传输控制系统中传输的能源分为电能、热能、沼气三种形式；实现能源的传输、储存、控制，通过埋入到地面以下的中央传输管道实现电能、热能及沼气的中央传输，优选多功能一体化管道系统实现电能、热能、沼气的传输，以及通讯管道等一体化的传输；主管道与分布的能源采集生成单元连接，或者采用电能、热能及气体中的至少一种管道在地面以下进埋入管道传输，其中可再生能源产生的发电采用并网或组建的局部微网实现电力传输。

6.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：热能储存器件设置在建筑物内、建筑顶、地面以下，在热能储存器件中设置有蓄热材料，蓄热材料周围设置有保温材料，将热能进行储存；电能的储存采用蓄电池；系统中优先采用热能实现能源的储存。

7.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：设施农业建筑内的温、光、水、气、肥采用智能化自动控制，对作物或叶片温度、茎流量、茎杆设置有检测仪器，多养殖类动物设置温度、身高、体重检测设备，多个设施建筑进行连栋建筑，并优选无土栽培，能源供应系统提供其所需的电力。

8.根据权利要求1所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：热能的传输控制系统将热量在新能源采集单元、传输控制系统、能源利用单元、热能储存单元之间实现热能的传输、控制，其换热、传热系统采用下列结构进行热能传递：

A、通过强制循环的流体进行传热，并设置有循环泵；

B、通过热管技术；

9.根据权利要求9所述的一种可再生能源设施农业能源供应系统，其特征是：采用下列结构之一通过热管进行吸热、传热、换热：

A、普通热管：其蒸发端直接进行对太阳能的接收，冷凝端与一个强制循环流动的流体进行换热；

B、整体热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分相互并联到一个垂直的管道上，组成为整体热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

C、分离式循环热管：将多个光学镜对应的不同的热管的太阳能吸热部分进行串联，组成为一个共同热管的蒸发端，其共同拥有一个冷凝端，冷凝端蓄热器和/或蒸汽锅炉连接，将热能进行储存或直接用于产生蒸汽；

D、可连接热管：通过热管的可连接结构将热管进行连接，构成热管的体系；

E、环路热管；

F、脉冲热管：将热管进行串联，选取不同的连接段成为冷凝端，构成脉冲自震荡热管的结构；

G、循环自激振荡热管。

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