零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚的设计研究
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[摘 要]为了解决传统农业大棚面临的诸多问题，本团队将光电产业、光热产业、立体农业和生态农业与传统农业大棚相结合，提出“光电，光热产生能量供给大棚使用，使产生的能源大于作物生产中所消耗的能源，从而实现‘零能耗’”的观点。
[关键词]太阳能;光伏发电;温室大棚;设计研究
[中图分类号]S625 [文献标识码]A
1 设计背景
2013年12月23日至24日，在北京举行的中央农村工作会议中提出要坚守18亿亩耕地红线，也明确指出农业发展面临着粮食需求迅速增长、生产成本居高不下、产量提升空间日益收窄、耕地利用粗放的问题。
本设计团队响应武汉市团委号召，积极参与到“新青年下乡”活动，在本团队武汉市蔡甸区练武村进行下乡活动的过程中，发现许多贫困地区依旧使用传统农耕进行果蔬的种植，而这样传统的农耕方式存在低效、土地资源不能有效利用等诸多缺点。如何改善传统农耕方式成为了本团队考虑的问题。
2 传统农业大棚存在的问题
传统农业大棚种类颇多，如塑料温室、玻璃温室、日光温室、塑料大棚等，经本团队的走访调研，武汉市蔡甸区练武村的传统农业大棚的使用主要以塑料大棚为主，其存在的缺点主要如下：
（1）使用寿命较短。传统农业大棚表面覆盖的塑料薄膜往往面积大，抗压能力弱，在大风、积雪天气极易撕裂和坍塌，一般一至两年后就老化破裂，使用周期短，其回收率又不足20%，增加了维护成本，并因为更换废弃塑料薄膜，产生了大量的“白色污染”。
（2）大棚内作物生长环境不理想。传统农业大棚土地占用面积大，有效利用率却不高。夏天棚内温度过高，冬季又存在保温性能差的问题，无法满足作物适宜的温度环境，另外，传统的农业大棚还存在光照不足的情况，为了提供足够的光照环境，需要在大棚内使用LED照明灯，而这些设备大量消耗能源，不符合节能环保要求。
（3）有机废物不能有效利用。通常牲畜圈养区与农业大棚距离较远，牲畜产生的粪便无法高效、及时地转换为肥料供给给农作物，并且，农业大棚内的废弃作物不能及时处理，存在有机废物不能有效利用的问题。
针对传统温室大棚存在的各种缺陷，本团队将光电产业、光热产业、立体农业和生态农业与传统农业大棚相结合，光电、光热产生能量供给大棚使用，解决了传统农业大棚内设备耗能的问题，并实现“零能耗”设想，创造“零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚”的环保新概念。
3 设计研究与分析
3.1 基本设计思路
开发“零能耗光电光热耦合立体农业大棚”，以一定比例进行蔬菜种植与牲畜养殖。次等的蔬菜喂鸡，鸡的粪便在沼气池中发酵产生电供建筑使用，同时剩下的沼渣可用于农作物的肥料，使废料得到了循环利用，实现生态农业。
通过太阳能、光伏板和风力发电装置将太阳光转换为直流电能，并使用控制器对蓄电池进行充放电控制。转换的直流电直接用于大棚内各设备的用电。夏季白天光照充足时，可将多余的能量转化储存，而夜晚及阴天等光线不足时，将能量释放出来。对于冬季大棚内存在保温性能差的问题，本团队通过集热管产生热水，用于冬季大棚室内温度的控制。
并且关于光伏、风力发电应用于农业大棚，在解决棚内设备用电的同时，还可将多余的能源输送至国家电网，从而获取国家相关政策发放的光伏发电量补贴。
3.2 大棚结构形式
大棚主要框架结构由钢管焊接而成，用钢筋材料将大棚分为上下两个空间，面积均为15（m）×40（m），上层层高3m主要用于牲畜的养殖，下层层高2.5m主要用于农作物的种植。大棚顶部屋面形式采用人字形，除设置的4个天窗井外的位置，光伏组件连续排布于屋面，光伏组件取代原有的塑料薄膜，在发电的同时，减少了“白色污染”。光伏系统除了为常规设备给予基本的提电外，与此同时还可以为LED提供补光电力、驱虫杀虫设施提供能量。
大棚上下两层各面除4个天窗井、大棚四周的侧窗，均采用双玻组件进行铺设以增强透光性外，也均采用光伏板进行连续排布，以增强发电效率。双玻组件具有很好的分光性，可透过 400～800nm 可见光，对紫外线和红外线能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外线对植物伤害避免过多热量进入温室，晚上同样能阻止室内红外热量向外辐射，起到很好的保温隔热作用。
3.3 电脑绘图与实物模型
4 总结
该零能耗光电光热耦合立体农业大棚的设计相较于传统大棚来说，具有更节能，土地利用效率更高，更加安全可靠，利用率较高等优点。设计中将每个环节产生的废物进行再利用，充分利用其中的能量，在大棚内构成一个生态循环，为农户节省许多成本，对环境的伤害也较小。另外在合适的设计比例下，不仅可以实现零能耗，而且在光照充足的条件下可以并网发电。如果发电效益可观，还可以引入现有光伏补贴厂家进行初始投资，共同收益。对于农户而言，不仅可以得到农产品收入，还能得到发电收益，并且获得初投资，能顺利实现脱贫致富的目标。
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