Li Jianming, Sun Guotao etc.Tehnologia ingineriei agricole horticole cu efect de seră2022-11-21 17:42 Publicat la Beijing

În ultimii ani, industria serelor a fost puternic dezvoltată.Dezvoltarea serelor nu numai că îmbunătățește rata de utilizare a terenurilor și rata de producție a produselor agricole, dar rezolvă și problema aprovizionării cu fructe și legume în extrasezon.Cu toate acestea, sera s-a confruntat și cu provocări fără precedent.Instalațiile originale, metodele de încălzire și formele structurale au produs rezistență la mediu și dezvoltare.Sunt necesare urgent materiale noi și design noi pentru a schimba structura serei, iar noi surse de energie sunt necesare urgent pentru a atinge scopurile de conservare a energiei și de protecție a mediului și pentru a crește producția și veniturile.

Acest articol discută tema „energie nouă, materiale noi, design nou pentru a ajuta noua revoluție a serelor”, inclusiv cercetarea și inovarea energiei solare, energiei din biomasă, energiei geotermale și alte surse noi de energie în seră, cercetarea și aplicarea de noi materiale pentru acoperire, izolație termică, pereți și alte echipamente, precum și perspectiva viitoare și gândirea de energie nouă, materiale noi și design nou pentru a ajuta reforma serei, astfel încât să ofere referință pentru industrie.

Dezvoltarea agriculturii de facilități este cerința politică și alegerea inevitabilă pentru a pune în aplicare spiritul instrucțiunilor importante și luarea deciziilor guvernului central.În 2020, suprafața totală a agriculturii protejate din China va fi de 2,8 milioane hm2, iar valoarea producției va depăși 1 trilion de yuani.Este o modalitate importantă de a îmbunătăți capacitatea de producție a serelor pentru a îmbunătăți performanța de iluminare a serelor și de izolare termică prin energie nouă, materiale noi și design nou al serelor.Există multe dezavantaje în producția tradițională cu efect de seră, cum ar fi cărbunele, păcură și alte surse de energie utilizate pentru încălzire și încălzire în serele tradiționale, rezultând o cantitate mare de dioxid de gaz, care poluează grav mediul, în timp ce gazele naturale, energia electrică și alte surse de energie cresc costul de exploatare al serelor.Materialele tradiționale de stocare a căldurii pentru pereții serelor sunt în principal argilă și cărămizi, care consumă mult și provoacă daune grave resurselor terenurilor.Eficiența utilizării terenului a serei solare tradiționale cu perete de pământ este de numai 40% ~ 50%, iar sera obișnuită are o capacitate slabă de stocare a căldurii, așa că nu poate trăi iarna pentru a produce legume calde în nordul Chinei.Prin urmare, nucleul promovării schimbării în seră sau cercetarea de bază constă în proiectarea serelor, cercetarea și dezvoltarea de noi materiale și energie nouă.Acest articol se va concentra pe cercetarea și inovarea noilor surse de energie în seră, va rezuma starea cercetării noilor surse de energie, cum ar fi energia solară, energia din biomasă, energia geotermală, energia eoliană și noi materiale transparente de acoperire, materiale de izolare termică și materiale de pereți în sera, analizează aplicarea de noi energie și materiale noi în construcția de noi sere și așteaptă cu nerăbdare rolul lor în dezvoltarea și transformarea viitoare a serei.

Cercetarea și inovarea cu efect de seră a energiei noi

Noua energie verde cu cel mai mare potențial de utilizare agricolă include energia solară, energia geotermală și energia din biomasă sau utilizarea completă a unei varietăți de noi surse de energie, astfel încât să se obțină o utilizare eficientă a energiei, învățând unul din punctele forte ale celuilalt.

energie solară/putere

Tehnologia energiei solare este un mod de furnizare a energiei cu emisii scăzute de carbon, eficient și durabil și este o componentă importantă a industriilor emergente strategice ale Chinei.Va deveni o alegere inevitabilă pentru transformarea și modernizarea structurii energetice a Chinei în viitor.Din punct de vedere al utilizării energiei, sera însăși este o structură de instalație pentru utilizarea energiei solare.Prin efectul de seră, energia solară este adunată în interior, temperatura serii este ridicată și este asigurată căldura necesară creșterii culturilor.Principala sursă de energie a fotosintezei plantelor cu efect de seră este lumina directă a soarelui, care este utilizarea directă a energiei solare.

01 Generarea de energie fotovoltaică pentru a genera căldură

Generarea energiei fotovoltaice este o tehnologie care transformă direct energia luminoasă în energie electrică pe baza efectului fotovoltaic.Elementul cheie al acestei tehnologii este celula solară.Când energia solară strălucește pe panourile solare în serie sau în paralel, componentele semiconductoare transformă direct energia radiației solare în energie electrică.Tehnologia fotovoltaică poate converti direct energia luminoasă în energie electrică, poate stoca electricitate prin baterii și poate încălzi sera noaptea, dar costul său ridicat îi limitează dezvoltarea ulterioară.Grupul de cercetare a dezvoltat un dispozitiv fotovoltaic de încălzire cu grafen, care constă din panouri fotovoltaice flexibile, o mașină de control inversă all-in-one, o baterie de stocare și o tijă de încălzire cu grafen.În funcție de lungimea liniei de plantare, tija de încălzire cu grafen este îngropată sub punga de substrat.În timpul zilei, panourile fotovoltaice absorb radiația solară pentru a genera electricitate și o stochează în acumulator, iar apoi electricitatea este eliberată noaptea pentru tija de încălzire cu grafen.În măsurarea efectivă, se adoptă modul de control al temperaturii de pornire la 17 ℃ și de închidere la 19 ℃.Funcționând noaptea (20:00-08:00 în a doua zi) timp de 8 ore, consumul de energie pentru încălzirea unui singur rând de plante este de 1,24 kW·h, iar temperatura medie a sacului de substrat pe timp de noapte este de 19,2 ℃, care este cu 3,5 ~ 5,3℃ mai mare decât cea a controlului.Această metodă de încălzire combinată cu generarea de energie fotovoltaică rezolvă problemele consumului mare de energie și poluării mari în încălzirea serelor pe timp de iarnă.

02 conversie și utilizare fototermică

Conversia fototermală solară se referă la utilizarea unei suprafețe speciale de colectare a razelor solare realizate din materiale de conversie fototermală pentru a colecta și absorbi cât mai multă energie solară radiată pe ea și pentru a o transforma în energie termică.În comparație cu aplicațiile solare fotovoltaice, aplicațiile solare fototermale măresc absorbția benzii de infraroșu apropiat, astfel încât au o eficiență mai mare de utilizare a energiei luminii solare, un cost mai mic și o tehnologie matură și este cea mai utilizată modalitate de utilizare a energiei solare.

Cea mai matură tehnologie de conversie și utilizare fototermică din China este colectorul solar, a cărui componentă centrală este miezul plăcii de absorbție a căldurii cu un strat de absorbție selectivă, care poate converti energia radiației solare care trece prin placa de acoperire în energie termică și poate transmite la mediul de lucru care absorb căldura.Colectoarele solare pot fi împărțite în două categorii în funcție de faptul că în colector există sau nu spațiu de vid: colectoare solare plate și colectoare solare cu tub vid;colectoare solare concentratoare și colectoare solare neconcentrante, în funcție de schimbarea direcției radiației solare la portul de iluminare naturală;și colectoare solare lichide și colectoare solare cu aer în funcție de tipul de mediu de lucru cu transfer de căldură.

Utilizarea energiei solare în seră se realizează în principal prin diferite tipuri de colectoare solare.Universitatea Ibn Zor din Maroc a dezvoltat un sistem activ de încălzire cu energie solară (ASHS) pentru încălzirea serelor, care poate crește producția totală de roșii cu 55% iarna.Universitatea Agricolă din China a proiectat și dezvoltat un set de sistem de colectare și descărcare a ventilatorului de suprafață, cu o capacitate de colectare a căldurii de 390,6 ~ 693,0 MJ și a prezentat ideea de a separa procesul de colectare a căldurii de procesul de stocare a căldurii prin pompă de căldură.Universitatea din Bari din Italia a dezvoltat un sistem de încălzire cu poligenerare cu seră, care constă dintr-un sistem de energie solară și o pompă de căldură aer-apă și poate crește temperatura aerului cu 3,6% și temperatura solului cu 92%.Grupul de cercetare a dezvoltat un fel de echipament activ de colectare a căldurii solare cu unghi variabil de înclinare pentru sera solară și un dispozitiv de stocare a căldurii de susținere pentru corpul de apă din seră în timpul vremii.Tehnologia activă de colectare a căldurii solare cu înclinare variabilă depășește limitările echipamentelor tradiționale de colectare a căldurii din seră, cum ar fi capacitatea limitată de colectare a căldurii, umbrirea și ocuparea terenului cultivat.Prin utilizarea structurii speciale de seră a serei solare, spațiul care nu este plantat al serei este utilizat pe deplin, ceea ce îmbunătățește foarte mult eficiența utilizării spațiului cu seră.În condiții de lucru tipice însorite, sistemul activ de colectare a căldurii solare cu înclinare variabilă atinge 1,9 MJ/(m2h), eficiența de utilizare a energiei ajunge la 85,1% și rata de economisire a energiei este de 77%.În tehnologia de stocare a căldurii cu efect de seră, structura de stocare a căldurii cu schimbare în mai multe faze este setată, capacitatea de stocare a căldurii a dispozitivului de stocare a căldurii este crescută și se realizează eliberarea lentă a căldurii din dispozitiv, astfel încât să se realizeze utilizarea eficientă a căldura colectată de echipamentele solare de captare a căldurii din seră.

energie din biomasă

O nouă structură a instalației este construită prin combinarea dispozitivului de producere a căldurii a biomasei cu sera, iar materiile prime din biomasă, cum ar fi gunoi de grajd de porc, reziduuri de ciuperci și paie sunt compostate pentru a produce căldură, iar energia termică generată este furnizată direct serei. 5].În comparație cu sera fără rezervor de încălzire cu fermentare a biomasei, sera de încălzire poate crește în mod eficient temperatura solului în seră și poate menține temperatura corespunzătoare a rădăcinilor culturilor cultivate în sol în climatul normal iarna.Luând ca exemplu o seră termoizolantă asimetrică cu un singur strat, cu o deschidere de 17 m și o lungime de 30 m, ca exemplu, adăugarea a 8 m de deșeuri agricole (paie de roșii și gunoi de grajd de porc amestecate) în rezervorul de fermentație interior pentru fermentație naturală fără a răsturna cutia grămadă. crește temperatura medie zilnică a serei cu 4,2 ℃ iarna, iar temperatura medie zilnică minimă poate ajunge la 4,6 ℃.

Utilizarea energiei fermentației controlate cu biomasă este o metodă de fermentație care utilizează instrumente și echipamente pentru a controla procesul de fermentație pentru a obține rapid și a utiliza eficient energia termică din biomasă și îngrășământul gazos CO2, printre care ventilația și umiditatea sunt factorii cheie pentru reglarea căldurii de fermentație. și producția de gaz de biomasă.În condiții de ventilație, microorganismele aerobe din hama de fermentație folosesc oxigenul pentru activitățile vieții, iar o parte din energia generată este folosită pentru propriile activități de viață, iar o parte din energie este eliberată în mediu sub formă de energie termică, care este benefică temperaturii. ascensiunea mediului.Apa participă la întregul proces de fermentație, furnizând nutrienții solubili necesari activităților microbiene și, în același timp, eliberând căldura grămadăului sub formă de abur prin apă, astfel încât să reducă temperatura mormanului, să prelungească durata de viață a mormanei. microorganismelor și crește temperatura în vrac a mormanei.Instalarea dispozitivului de leșiere a paielor în rezervorul de fermentație poate crește temperatura interioară cu 3 ~ 5℃ în timpul iernii, întărește fotosinteza plantelor și crește randamentul tomatelor cu 29,6%.

Energie geotermală

China este bogată în resurse geotermale.În prezent, cel mai obișnuit mod pentru instalațiile agricole de a utiliza energia geotermală este utilizarea unei pompe de căldură terestre, care se poate transfera de la energie termică de calitate scăzută la energie termică de calitate superioară introducând o cantitate mică de energie de calitate superioară (cum ar fi energie electrica).Spre deosebire de măsurile tradiționale de încălzire cu seră, încălzirea cu pompă de căldură nu numai că poate obține un efect semnificativ de încălzire, dar are și capacitatea de a răci sera și de a reduce umiditatea din seră.Cercetarea aplicativă a pompei de căldură terestre în domeniul construcțiilor de locuințe este matură.Partea de bază care afectează capacitatea de încălzire și răcire a pompei de căldură subterană este modulul de schimb de căldură subteran, care include în principal conducte îngropate, puțuri subterane etc. Cum să proiectați un sistem de schimb de căldură subteran cu un cost și efect echilibrat a fost întotdeauna a fost centrul de cercetare al acestei părți.În același timp, modificarea temperaturii stratului de sol subteran în aplicarea pompei de căldură a sursei solului afectează, de asemenea, efectul de utilizare a sistemului de pompă de căldură.Utilizarea pompei de căldură subterană pentru a răci sera vara și a stoca energia termică în stratul adânc de sol poate atenua scăderea temperaturii stratului de sol subteran și poate îmbunătăți eficiența producției de căldură a pompei de căldură a sursei solului în timpul iernii.

În prezent, în cercetarea performanței și eficienței pompei de căldură terestre, prin datele experimentale efective, se stabilește un model numeric cu software precum TOUGH2 și TRNSYS și se ajunge la concluzia că performanța de încălzire și coeficientul de performanță (COP). ) a pompei de căldură de la sol poate ajunge la 3,0 ~ 4,5, ceea ce are un efect bun de răcire și încălzire.În cercetarea strategiei de funcționare a sistemului de pompă de căldură, Fu Yunzhun și alții au descoperit că, în comparație cu debitul din partea de sarcină, fluxul lateral al sursei de sol are un impact mai mare asupra performanței unității și a performanței transferului de căldură al conductei îngropate. .In conditiile setarii debitului, valoarea COP maxima a unitatii poate ajunge la 4,17 prin adoptarea schemei de functionare de functionare timp de 2 ore si oprire timp de 2 ore;Shi Huixian et.a adoptat un mod de funcționare intermitent al sistemului de răcire cu stocare a apei.Vara, când temperatura este ridicată, COP-ul întregului sistem de alimentare cu energie poate ajunge la 3,80.

Tehnologia de stocare adâncă a căldurii din sol în seră

Stocarea adâncă a căldurii din sol în seră este numită și „bancă de stocare a căldurii” în seră.Daunele cauzate de frig iarna și temperatura ridicată vara sunt principalele obstacole în calea producției de seră.Pe baza capacității puternice de stocare a căldurii a solului adânc, grupul de cercetare a proiectat un dispozitiv de stocare a căldurii subterane cu efect de seră.Dispozitivul este o conductă de transfer de căldură paralelă cu două straturi, îngropată la adâncimea de 1,5 ~ 2,5 m sub pământ în seră, cu o admisie a aerului în partea de sus a serei și o evacuare a aerului pe sol.Când temperatura din seră este ridicată, aerul din interior este pompat forțat în pământ de un ventilator pentru a realiza stocarea căldurii și reducerea temperaturii.Când temperatura serii este scăzută, căldura este extrasă din sol pentru a încălzi sera.Rezultatele producției și aplicării arată că dispozitivul poate crește temperatura serei cu 2,3 ​​℃ în noaptea de iarnă, poate reduce temperatura interioară cu 2,6 ℃ în ziua de vară și poate crește producția de roșii cu 1500 kg la 667 m.².Dispozitivul folosește pe deplin caracteristicile „cald iarna și răcoare vara” și „temperatură constantă” a solului subteran adânc, oferă o „bancă de acces la energie” pentru seră și completează continuu funcțiile auxiliare de răcire și încălzire a serelor. .

Coordonare multi-energetică

Utilizarea a două sau mai multe tipuri de energie pentru încălzirea serei poate compensa în mod eficient dezavantajele unui singur tip de energie și poate juca efectul de suprapunere de „unu plus unu este mai mare decât doi”.Cooperarea complementară dintre energia geotermală și energia solară este un punct fierbinte de cercetare al utilizării noii energie în producția agricolă în ultimii ani.Emmi et.a studiat un sistem de energie cu mai multe surse (Figura 1), care este echipat cu un colector solar hibrid fotovoltaic-termic.În comparație cu sistemul comun de pompă de căldură aer-apă, eficiența energetică a sistemului de energie cu mai multe surse este îmbunătățită cu 16% ~ 25%.Zheng et.a dezvoltat un nou tip de sistem cuplat de stocare a căldurii de energie solară și pompă de căldură terestră.Sistemul de colectare solară poate realiza stocarea sezonieră de înaltă calitate a încălzirii, adică încălzire de înaltă calitate iarna și răcire de înaltă calitate vara.Schimbătorul de căldură cu tub îngropat și rezervorul de stocare a căldurii intermitente pot funcționa bine în sistem, iar valoarea COP a sistemului poate ajunge la 6,96.

Combinat cu energia solară, își propune să reducă consumul de energie comercială și să sporească stabilitatea alimentării cu energie solară în seră.Wan Ya et.a prezentat o nouă schemă de tehnologie de control inteligent de combinare a generației de energie solară cu puterea comercială pentru încălzirea cu efect de seră, care poate folosi energia fotovoltaică atunci când există lumină și o poate transforma în energie comercială atunci când nu există lumină, reducând foarte mult deficitul de putere de sarcină. rata și reducerea costurilor economice fără utilizarea bateriilor.

Energia solară, energia din biomasă și energia electrică pot încălzi împreună serele, ceea ce poate obține, de asemenea, o eficiență ridicată de încălzire.Zhang Liangrui și alții au combinat colectarea căldurii din tubul vid solar cu rezervorul de apă de stocare a căldurii de energie electrică din vale.Sistemul de încălzire cu seră are un confort termic bun, iar randamentul mediu de încălzire al sistemului este de 68,70%.Rezervorul de apă de stocare a căldurii electrice este un dispozitiv de stocare a apei de încălzire pe biomasă cu încălzire electrică.Este setată cea mai scăzută temperatură de intrare a apei la capătul de încălzire, iar strategia de funcționare a sistemului este determinată în funcție de temperatura de stocare a apei a părții de colectare a căldurii solare și a părții de stocare a căldurii din biomasă, astfel încât să se obțină o temperatură stabilă de încălzire la încălzirea finală și economisiți energie electrică și materiale energetice din biomasă în măsura maximă.

Cercetare inovatoare și aplicarea de noi materiale pentru seră

Odată cu extinderea suprafeței de seră, dezavantajele de aplicare ale materialelor tradiționale de seră, cum ar fi cărămizile și solul, sunt din ce în ce mai dezvăluite.Prin urmare, pentru a îmbunătăți și mai mult performanța termică a serelor și pentru a satisface nevoile de dezvoltare ale serei moderne, există multe cercetări și aplicații de noi materiale transparente de acoperire, materiale de izolare termică și materiale de perete.

Cercetarea și aplicarea de noi materiale de acoperire transparente

Tipurile de materiale de acoperire transparente pentru seră includ în principal folie de plastic, sticlă, panouri solare și panouri fotovoltaice, printre care filmul de plastic are cea mai mare zonă de aplicare.Folia tradițională din PE cu efect de seră are defecte de viață scurtă, nedegradare și funcție unică.În prezent, o varietate de noi filme funcționale au fost dezvoltate prin adăugarea de reactivi funcționali sau acoperiri.

Film de conversie a luminii:Filmul de conversie a luminii modifică proprietățile optice ale filmului prin utilizarea agenților de conversie a luminii, cum ar fi pământurile rare și nanomaterialele, și poate converti regiunea luminii ultraviolete în lumină roșie portocalie și lumină albastră violetă necesare fotosintezei plantelor, crescând astfel randamentul culturilor și reducând deteriorarea luminii ultraviolete asupra culturilor și a filmelor de seră din serele de plastic.De exemplu, pelicula de seră cu bandă largă violet-roșu cu agent de conversie a luminii VTR-660 poate îmbunătăți semnificativ transmisia infraroșu atunci când este aplicată în seră și, în comparație cu sera de control, randamentul de tomate la hectar, vitamina C și conținutul de licopen. sunt semnificativ crescute cu 25,71%, 11,11% și, respectiv, 33,04%.Cu toate acestea, în prezent, durata de viață, degradabilitatea și costul noului film de conversie a luminii trebuie încă studiate.

Sticlă împrăștiată: Sticla împrăștiată în seră este un model special și o tehnologie anti-reflex pe suprafața sticlei, care poate maximiza lumina soarelui în lumină împrăștiată și poate intra în seră, poate îmbunătăți eficiența fotosintezei culturilor și poate crește randamentul culturii.Sticla împrăștiată transformă lumina care intră în seră în lumină împrăștiată prin modele speciale, iar lumina împrăștiată poate fi iradiată mai uniform în seră, eliminând influența umbrei a scheletului asupra serei.În comparație cu sticla float obișnuită și sticla float ultra-albă, standardul de transmisie a luminii a sticlei împrăștiate este de 91,5%, iar cel al sticlei flotante obișnuite este de 88%.Pentru fiecare creștere de 1% a transmisiei luminii în interiorul serei, randamentul poate fi crescut cu aproximativ 3%, iar zahărul solubil și vitamina C din fructe și legume au crescut.Sticla de împrăștiere în seră este acoperită mai întâi și apoi călită, iar rata de autoexplozie este mai mare decât standardul național, ajungând la 2‰.

Cercetarea și aplicarea de noi materiale termoizolante

Materialele termoizolante tradiționale din seră includ în principal covorașul de paie, pilota de hârtie, pilota termoizolantă din pâslă etc., care sunt utilizate în principal pentru izolarea termică internă și externă a acoperișurilor, izolarea pereților și izolarea termică a unor dispozitive de stocare și colectare a căldurii. .Cele mai multe dintre ele au defectul de a-și pierde performanțele de izolare termică din cauza umidității interne după utilizare îndelungată.Prin urmare, există multe aplicații ale noilor materiale de izolare termică ridicată, printre care noile pilote de izolare termică, dispozitivele de stocare și colectare a căldurii sunt în centrul cercetării.

Noile materiale termoizolante sunt de obicei realizate prin prelucrarea și amestecarea materialelor impermeabile și rezistente la îmbătrânire la suprafață, cum ar fi filmul țesut și pâsla acoperită cu materiale de izolare termică pufoase, cum ar fi bumbacul acoperit cu spray, diverse cașmir și bumbac perlat.În nord-estul Chinei a fost testată o pilotă termoizolantă din bumbac acoperită cu pulverizare.S-a constatat că adăugarea a 500 g de bumbac acoperit cu pulverizare a fost echivalentă cu performanța de izolare termică a unei pilote termoizolante din pâslă neagră de 4500 g de pe piață.În aceleași condiții, performanța de izolare termică a bumbacului acoperit cu pulverizare de 700 g a fost îmbunătățită cu 1 ~ 2 ℃ în comparație cu cea a plapumei termoizolante din bumbac acoperit cu pulverizare de 500 g.În același timp, alte studii au constatat, de asemenea, că, în comparație cu pilotele termoizolante utilizate în mod obișnuit pe piață, efectul de izolare termică al pilotelor termoizolante din bumbac acoperit cu pulverizare și al diverselor pilote termoizolante din cașmir este mai bun, cu rate de izolare termică de 84,0% și 83,3. %respectiv.Când temperatura exterioară cea mai rece este -24,4 ℃, temperatura interioară poate ajunge la 5,4 și, respectiv, 4,2 ℃.În comparație cu plapuma izolatoare cu o singură pătură de paie, noua pilota izolatoare compozită are avantajele unei greutăți ușoare, a unei rate ridicate de izolare, a rezistenței puternice la apă și la îmbătrânire și poate fi folosită ca un nou tip de material de izolare de înaltă eficiență pentru sere solare.

În același timp, conform cercetărilor materialelor termoizolante pentru dispozitivele de colectare și stocare a căldurii în seră, se constată, de asemenea, că atunci când grosimea este aceeași, materialele termoizolante compozite multistrat au performanțe de izolare termică mai bune decât materialele individuale.Echipa profesorului Li Jianming de la Universitatea Northwest A&F a proiectat și a verificat 22 de tipuri de materiale termoizolante ale dispozitivelor de stocare a apei de seră, cum ar fi placă de vid, aerogel și bumbac de cauciuc, și a măsurat proprietățile termice ale acestora.Rezultatele au arătat că învelișul termoizolant de 80 mm + aerogel + materialul izolator din bumbac compozit termoizolant din cauciuc-plastic ar putea reduce disiparea căldurii cu 0,367 MJ pe unitate de timp în comparație cu bumbacul cauciuc-plastic de 80 mm, iar coeficientul său de transfer termic a fost de 0,283 W/(m2). ·k) când grosimea combinației de izolație a fost de 100mm.

Materialul cu schimbare de fază este unul dintre punctele fierbinți în cercetarea materialelor de seră.Universitatea Northwest A&F a dezvoltat două tipuri de dispozitive de stocare a materialelor cu schimbare de fază: unul este o cutie de depozitare din polietilenă neagră, care are o dimensiune de 50 cm × 30 cm × 14 cm (lungime × înălțime × grosime) și este umplută cu materiale de schimbare de fază, deci că poate stoca căldură și elibera căldură;În al doilea rând, este dezvoltat un nou tip de panou de perete cu schimbare de fază.Placa de perete cu schimbare de fază constă din material cu schimbare de fază, placă de aluminiu, placă de aluminiu-plastic și aliaj de aluminiu.Materialul cu schimbare de fază este situat în cea mai centrală poziție a panoului de perete, iar specificația sa este de 200mm×200mm×50mm.Este un solid sub formă de pulbere înainte și după schimbarea fazei și nu există niciun fenomen de topire sau curgere.Cei patru pereți ai materialului cu schimbare de fază sunt plăci de aluminiu și, respectiv, placă de aluminiu-plastic.Acest dispozitiv poate realiza funcțiile de stocare a căldurii în principal în timpul zilei și în principal de eliberare a căldurii noaptea.

Prin urmare, există unele probleme în aplicarea unui singur material termoizolant, cum ar fi eficiența scăzută a izolației termice, pierderile mari de căldură, timpul scurt de stocare a căldurii etc. Prin urmare, utilizarea materialului termoizolant compozit ca strat de izolare termică și izolație termică interioară și exterioară stratul de acoperire al dispozitivului de stocare a căldurii poate îmbunătăți eficient performanța de izolare termică a serei, poate reduce pierderea de căldură a serei și, astfel, obține efectul de economisire a energiei.

Cercetarea și aplicarea peretelui nou

Ca un fel de structură de incintă, peretele este o barieră importantă pentru protecția serelor împotriva frigului și păstrarea căldurii.În funcție de materialele și structurile peretelui, dezvoltarea peretelui nordic al serei poate fi împărțită în trei tipuri: peretele cu un singur strat din pământ, cărămizi etc. și peretele nordic stratificat din cărămizi de lut, cărămizi bloc, plăci de polistiren etc., cu stocare interioară a căldurii și izolație termică exterioară, iar majoritatea acestor pereți necesită timp și necesită multă muncă;Prin urmare, în ultimii ani, au apărut multe tipuri noi de pereți, care sunt ușor de construit și potriviți pentru asamblarea rapidă.

Apariția pereților asamblați de tip nou promovează dezvoltarea rapidă a serelor asamblate, inclusiv pereții compoziți de tip nou cu materiale de suprafață exterioare impermeabile și anti-îmbătrânire și materiale precum pâslă, bumbac perlat, bumbac spațial, bumbac de sticlă sau bumbac reciclat ca căldură. straturi de izolare, cum ar fi pereții flexibili asamblați din bumbac lipit prin pulverizare în Xinjiang.În plus, alte studii au raportat, de asemenea, peretele de nord al serei asamblate cu strat de stocare a căldurii, cum ar fi blocul de mortar de coajă de grâu umplut cu cărămidă din Xinjiang.În același mediu extern, când cea mai scăzută temperatură exterioară este de -20,8 ℃, temperatura în sera solară cu perete compozit bloc de mortar de coajă de grâu este de 7,5 ℃, în timp ce temperatura în sera solară cu perete din cărămidă-beton este de 3,2 ℃.Timpul de recoltare a roșiilor în seră de cărămidă poate fi avansat cu 16 zile, iar randamentul unei sere individuale poate fi crescut cu 18,4%.

Echipa de la Universitatea Northwest A&F a propus ideea de a face paie, sol, apă, piatră și materiale de schimbare de fază în module de izolare termică și de stocare a căldurii din unghiul de lumină și de proiectare simplificată a pereților, ceea ce a promovat cercetarea aplicativă a asamblatelor modulare. perete.De exemplu, în comparație cu o seră obișnuită cu zid de cărămidă, temperatura medie în seră este cu 4,0 ℃ mai mare într-o zi însorită obișnuită.Trei tipuri de module de ciment anorganic cu schimbare de fază, care sunt fabricate din material cu schimbare de fază (PCM) și ciment, au acumulat căldură de 74,5, 88,0 și 95,1 MJ/m³, și a eliberat căldură de 59,8, 67,8 și 84,2 MJ/m³, respectiv.Au funcțiile de „tăiere de vârf” în timpul zilei, de „umplere a văii” noaptea, de a absorbi căldura vara și de a elibera căldura iarna.

Acești noi pereți sunt asamblați pe șantier, cu perioadă scurtă de construcție și durată lungă de viață, care creează condiții pentru construcția de sere prefabricate ușoare, simplificate și asamblate rapid și pot promova foarte mult reforma structurală a serelor.Cu toate acestea, există unele defecte în acest tip de perete, cum ar fi peretele de izolație termică din bumbac lipit prin pulverizare are o performanță excelentă de izolare termică, dar nu are capacitatea de stocare a căldurii, iar materialul de construcție cu schimbare de fază are problema costului ridicat de utilizare.În viitor, cercetarea aplicativă a peretelui asamblat ar trebui consolidată.

Noua energie, noi materiale și noi design-uri ajută la schimbarea structurii serei.

Cercetarea și inovarea energiei noi și a materialelor noi oferă fundația pentru inovarea designului de seră.Sera solară economisitoare de energie și șopronul cu arc sunt cele mai mari structuri de magazie din producția agricolă a Chinei și joacă un rol important în producția agricolă.Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea economiei sociale a Chinei, deficiențele celor două tipuri de structuri de facilități sunt din ce în ce mai prezentate.În primul rând, spațiul structurilor instalațiilor este mic, iar gradul de mecanizare este scăzut;În al doilea rând, sera solară cu economie de energie are o izolare termică bună, dar utilizarea terenului este scăzută, ceea ce echivalează cu înlocuirea energiei din seră cu pământ.Magazinul obișnuit cu arc nu numai că are spațiu mic, dar are și izolație termică slabă.Deși sera cu mai multe spații are spațiu mare, are o izolare termică slabă și un consum mare de energie.Prin urmare, este imperativ să se cerceteze și să se dezvolte structura de seră potrivită pentru nivelul social și economic actual al Chinei, iar cercetarea și dezvoltarea de noi energie și noi materiale va ajuta structura serei să se schimbe și să producă o varietate de modele sau structuri inovatoare de seră.

Cercetări inovatoare privind serele de bere asimetrice, controlate cu apă, de dimensiuni mari

Sera de bere asimetrică cu apă mare (număr de brevet: ZL 201220391214.2) se bazează pe principiul serei luminii solare, schimbând structura simetrică a serei obișnuite din plastic, mărind deschiderea de sud, mărind zona de iluminare a acoperișului sudic, reducând deschiderea nordică și reducerea zonei de disipare a căldurii, cu o deschidere de 18~24m și o înălțime a crestei de 6~7m.Prin inovarea designului, structura spațială a fost crescută semnificativ.În același timp, problemele de căldură insuficientă în seră în timpul iernii și izolarea termică slabă a materialelor termoizolante comune sunt rezolvate prin utilizarea noii tehnologii de producere a biomasei termice și a materialelor termoizolante.Rezultatele producției și cercetării arată că sera de producție asimetrică cu apă controlată, cu o temperatură medie de 11,7 ℃ în zilele însorite și 10,8 ℃ în zilele înnorate, poate satisface cererea de creștere a culturilor iarna și costul de construcție de sera este redusă cu 39,6%, iar rata de utilizare a terenului este crescută cu mai mult de 30% în comparație cu cea a serei cu zid de cărămidă din polistiren, care este potrivită pentru popularizare și aplicare în continuare în bazinul râului Huaihe Galben din China.

Sere de lumină solară asamblate

Sera de lumină solară asamblată preia coloanele și scheletul acoperișului ca structură portantă, iar materialul său de perete este în principal o carcasă termoizolantă, în loc de depozitare și eliberare de căldură pasivă.În principal: (1) se formează un nou tip de perete asamblat prin combinarea diferitelor materiale, cum ar fi folie acoperită sau placă de oțel colorată, bloc de paie, plapumă termoizolatoare flexibilă, bloc de mortar etc. (2) placă de perete compozită din placă de ciment prefabricată -placa de polistiren-placa de ciment;(3) Tip de asamblare ușoară și simplă a materialelor termoizolante cu sistem activ de stocare și eliberare a căldurii și sistem de dezumidificare, cum ar fi stocarea căldurii cu găleată pătrată din plastic și stocarea căldurii în conducte.Utilizarea diferitelor materiale noi de izolare termică și materiale de stocare a căldurii în loc de peretele tradițional de pământ pentru a construi sere solare are spațiu mare și inginerie civilă mică.Rezultatele experimentale arată că temperatura serei pe timp de noapte în timpul iernii este cu 4,5 ℃ mai mare decât cea a serei tradiționale din cărămidă, iar grosimea peretelui din spate este de 166 mm.În comparație cu sera cu zid de cărămidă de 600 mm grosime, suprafața ocupată a peretelui este redusă cu 72%, iar costul pe metru pătrat este de 334,5 yuani, ceea ce este cu 157,2 yuani mai mic decât cel al serei cu pereți de cărămidă, iar costul construcției a scăzut semnificativ.Prin urmare, sera asamblată are avantajele distrugerii terenurilor mai puțin cultivate, economisirii terenului, vitezei rapide de construcție și duratei de viață lungi și este o direcție cheie pentru inovarea și dezvoltarea serelor solare în prezent și în viitor.

Sere glisante de lumină solară

Sera solară de economisire a energiei, asamblată pe skateboard, dezvoltată de Universitatea Agricolă Shenyang, folosește peretele din spate al serei solare pentru a forma un sistem de stocare a căldurii pe perete care circulă apă pentru a stoca căldura și a crește temperatura, care este compus în principal dintr-o piscină (32 m).³), o placă de colectare a luminii (360m²), o pompă de apă, o conductă de apă și un controler.Cuvertura flexibilă de izolare termică este înlocuită cu un nou material ușor din oțel colorat din lână de rocă în partea de sus.Cercetările arată că acest design rezolvă eficient problema frontoanelor care blochează lumina și mărește zona de intrare a luminii a serei.Unghiul de iluminare al serei este de 41,5°, ceea ce este cu aproape 16° mai mare decât cel al serei de control, îmbunătățind astfel rata de iluminare.Distribuția temperaturii interioare este uniformă, iar plantele cresc îngrijit.Sera are avantajele de a îmbunătăți eficiența utilizării terenului, de a proiecta în mod flexibil dimensiunea serei și de a scurta perioada de construcție, ceea ce este de mare importanță pentru protejarea resurselor de teren cultivat și a mediului.

Sere fotovoltaice

Sera agricolă este o seră care integrează generarea de energie solară fotovoltaică, controlul inteligent al temperaturii și plantarea modernă de înaltă tehnologie.Adoptă un cadru osos de oțel și este acoperit cu module solare fotovoltaice pentru a asigura cerințele de iluminare ale modulelor de generare a energiei fotovoltaice și cerințele de iluminare ale întregii sere.Curentul continuu generat de energia solară completează în mod direct lumina serelor agricole, susține direct funcționarea normală a echipamentelor de sere, conduce irigarea resurselor de apă, crește temperatura serelor și promovează creșterea rapidă a culturilor.Modulele fotovoltaice în acest fel vor afecta eficiența luminii acoperișului cu seră și apoi vor afecta creșterea normală a legumelor din seră.Prin urmare, amenajarea rațională a panourilor fotovoltaice pe acoperișul serei devine punctul cheie de aplicare.Sera agricolă este produsul combinației organice de agricultură turistică și grădinărit în facilități și este o industrie agricolă inovatoare care integrează generarea de energie fotovoltaică, vizitarea obiectivelor agricole, culturile agricole, tehnologia agricolă, peisajul și dezvoltarea culturală.

Design inovator al grupului de sere cu interacțiune energetică între diferite tipuri de sere

Guo Wenzhong, cercetător la Academia de Științe Agricole și Silvice din Beijing, folosește metoda de încălzire a transferului de energie între sere pentru a colecta energia termică rămasă într-una sau mai multe sere pentru a încălzi o altă sau mai multe sere.Această metodă de încălzire realizează transferul energiei cu efect de seră în timp și spațiu, îmbunătățește eficiența de utilizare a energiei a energiei termice de seră rămase și reduce consumul total de energie de încălzire.Cele două tipuri de sere pot fi tipuri diferite de sere sau același tip de seră pentru plantarea diferitelor culturi, precum sere de salată verde și roșii.Metodele de colectare a căldurii includ în principal extragerea căldurii din aerul din interior și interceptarea directă a radiațiilor incidente.Prin colectarea energiei solare, convecție forțată prin schimbător de căldură și extracție forțată prin pompă de căldură, surplusul de căldură din seră cu energie ridicată a fost extras pentru încălzirea serei.

rezuma

Aceste noi sere solare au avantajele asamblarii rapide, perioadei de construcție scurte și ratei îmbunătățite de utilizare a terenului.Prin urmare, este necesar să se exploreze în continuare performanța acestor noi sere în diferite zone și să se ofere posibilitatea popularizării și aplicării pe scară largă a noilor sere.În același timp, este necesară întărirea continuă a aplicării de noi energie și materiale noi în sere, astfel încât să se asigure puterea pentru reforma structurală a serelor.

Perspectivă și gândire de viitor

Serele tradiționale au adesea unele dezavantaje, cum ar fi consumul ridicat de energie, rata scăzută de utilizare a terenului, consumatoare de timp și forță de muncă, performanță slabă etc., care nu mai pot satisface nevoile de producție ale agriculturii moderne și sunt obligate să fie treptat. eliminat.Prin urmare, este o tendință de dezvoltare de a folosi noi surse de energie, cum ar fi energia solară, energia din biomasă, energia geotermală și energia eoliană, noi materiale de aplicare a serelor și noi modele pentru a promova schimbarea structurală a serei.În primul rând, noua seră condusă de energie nouă și materiale noi nu trebuie doar să răspundă nevoilor de funcționare mecanizată, ci și să economisească energie, teren și costuri.În al doilea rând, este necesar să se exploreze în mod constant performanța noilor sere în diferite zone, pentru a oferi condiții pentru popularizarea pe scară largă a sere.În viitor, ar trebui să căutăm în continuare energie nouă și materiale noi potrivite pentru aplicarea în seră și să găsim cea mai bună combinație de energie nouă, materiale noi și seră, astfel încât să facem posibilă construirea unei sere noi cu costuri reduse, construcție scurtă. perioada, consumul redus de energie și performanța excelentă, ajută la schimbarea structurii serelor și promovează dezvoltarea modernizării serelor în China.

Deși aplicarea de noi energii, noi materiale și noi modele în construcția de sere este o tendință inevitabilă, există încă multe probleme de studiat și de depășit: (1) Costul construcției crește.În comparație cu încălzirea tradițională cu cărbune, gaz natural sau petrol, aplicarea de noi energie și materiale noi este ecologică și lipsită de poluare, dar costul construcției este semnificativ crescut, ceea ce are un anumit impact asupra redresării investițiilor în producție și exploatare. .În comparație cu utilizarea energiei, costul materialelor noi va crește semnificativ.(2) Utilizarea instabilă a energiei termice.Cel mai mare avantaj al utilizării noii energie este costul de operare scăzut și emisia scăzută de dioxid de carbon, dar furnizarea de energie și căldură este instabilă, iar zilele înnorate devin cel mai mare factor limitator în utilizarea energiei solare.În procesul de producere a căldurii din biomasă prin fermentare, utilizarea eficientă a acestei energii este limitată de problemele energiei termice de fermentație scăzută, management și control dificil și spațiu mare de depozitare pentru transportul materiilor prime.(3) Maturitatea tehnologiei.Aceste tehnologii utilizate de noi energie și noile materiale sunt cercetări avansate și realizări tehnologice, iar domeniul de aplicare și domeniul lor de aplicare sunt încă destul de limitate.Nu au trecut de multe ori, multe site-uri și verificări practice pe scară largă și există inevitabil unele deficiențe și conținuturi tehnice care trebuie îmbunătățite în aplicare.Utilizatorii neagă adesea progresul tehnologiei din cauza deficiențelor minore.(4) Rata de penetrare a tehnologiei este scăzută.Aplicarea pe scară largă a unei realizări științifice și tehnologice necesită o anumită popularitate.În prezent, noua energie, noua tehnologie și noua tehnologie de proiectare a serelor sunt toate în echipa de centre de cercetare științifică din universități cu o anumită capacitate de inovare, iar majoritatea solicitanților tehnici sau designerilor încă nu știu;În același timp, popularizarea și aplicarea noilor tehnologii sunt încă destul de limitate deoarece echipamentele de bază ale noilor tehnologii sunt brevetate.(5) Integrarea energiei noi, a noilor materiale și a designului structurii de seră trebuie consolidată în continuare.Deoarece energia, materialele și proiectarea structurii de seră aparțin a trei discipline diferite, talentelor cu experiență în proiectarea de seră le lipsește adesea cercetarea privind energia și materialele legate de seră și invers;Prin urmare, cercetătorii care țin de cercetarea în domeniul energiei și materialelor trebuie să consolideze investigarea și înțelegerea nevoilor reale ale dezvoltării industriei cu efect de seră, iar proiectanții structurali ar trebui să studieze, de asemenea, materiale noi și energie nouă pentru a promova integrarea profundă a celor trei relații, astfel încât să se realizeze scopul tehnologiei practice de cercetare cu efect de seră, costuri reduse de construcție și efect de utilizare bună.Pe baza problemelor de mai sus, se sugerează ca statul, guvernele locale și centrele de cercetare științifică să intensifice cercetarea tehnică, să efectueze cercetări comune în profunzime, să consolideze publicitatea realizărilor științifice și tehnologice, să îmbunătățească popularizarea realizărilor și să realizeze rapid obiectivul de energie nouă și materiale noi pentru a ajuta la noua dezvoltare a industriei cu efect de seră.

Informații citate

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin.Noua energie, noi materiale și noul design ajută la noua revoluție a serelor [J].Legume, 2022,(10):1-8.