Li Jianming, Sun Guotao וכו'.טכנולוגיית הנדסה חקלאית לגננות חממה2022-11-21 17:42 פורסם בבייג'ינג

בשנים האחרונות, תעשיית החממות התפתחה במרץ.פיתוח החממה לא רק משפר את שיעור ניצול הקרקע ואת תפוקת התוצרת החקלאית, אלא גם פותר את בעיית האספקה ​​של פירות וירקות מחוץ לעונה.עם זאת, גם החממה נתקלה באתגרים חסרי תקדים.המתקנים המקוריים, שיטות החימום והצורות המבניות יצרו עמידות לסביבה ולפיתוח.דרושים חומרים חדשים ועיצובים חדשים בדחיפות כדי לשנות את מבנה החממה, ומקורות אנרגיה חדשים נחוצים בדחיפות כדי להשיג את מטרות שימור האנרגיה והגנת הסביבה, ולהגדיל את הייצור וההכנסה.

מאמר זה דן בנושא "אנרגיה חדשה, חומרים חדשים, עיצוב חדש שיעזור למהפכה החדשה של החממה", כולל מחקר וחדשנות של אנרגיה סולארית, אנרגיה ביומסה, אנרגיה גיאותרמית ומקורות אנרגיה חדשים אחרים בחממה, המחקר והיישום של חומרים חדשים לחיפוי, בידוד תרמי, קירות וציוד אחר, וצפי עתידי וחשיבה של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חדש כדי לסייע לרפורמת החממות, כדי לספק התייחסות לתעשייה.

פיתוח חקלאות מתקנים היא הדרישה הפוליטית והבחירה הבלתי נמנעת ליישם את רוח ההנחיות החשובות ואת קבלת ההחלטות של השלטון המרכזי.בשנת 2020, השטח הכולל של החקלאות המוגנת בסין יהיה 2.8 מיליון hm2, וערך התפוקה יעלה על טריליון יואן.זוהי דרך חשובה לשיפור יכולת ייצור החממה לשיפור תאורת החממה וביצועי הבידוד התרמי באמצעות אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חממה חדש.ישנם חסרונות רבים בייצור חממה מסורתית, כגון פחם, מזוט ומקורות אנרגיה אחרים המשמשים לחימום וחימום בחממות מסורתיות, וכתוצאה מכך כמות גדולה של גז דו-חמצני, המזהם את הסביבה בצורה חמורה, בעוד גז טבעי, אנרגיה חשמלית ו מקורות אנרגיה אחרים מייקרים את עלות התפעול של חממות.חומרי אחסון חום מסורתיים לקירות חממה הם בעיקר חימר ולבנים, אשר צורכים הרבה וגורמים נזק חמור למשאבי הקרקע.יעילות השימוש בקרקע של חממה סולארית מסורתית עם קיר אדמה היא רק 40% ~ 50%, ולחממה הרגילה יש יכולת אחסון חום ירודה, כך שהיא לא יכולה לחיות את החורף כדי לייצר ירקות חמים בצפון סין.לכן, הליבה של קידום שינוי חממה, או מחקר בסיסי טמון בתכנון חממה, מחקר ופיתוח של חומרים חדשים ואנרגיה חדשה.מאמר זה יתמקד במחקר ובחדשנות של מקורות אנרגיה חדשים בחממה, יסכם את מצב המחקר של מקורות אנרגיה חדשים כגון אנרגיה סולארית, אנרגיה ביומסה, אנרגיה גיאותרמית, אנרגיית רוח וחומרי כיסוי שקופים חדשים, חומרי בידוד תרמי וחומרי קיר ב חממה, לנתח את היישום של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים בבניית חממה חדשה, ולצפות לתפקידם בפיתוח העתידי והשינוי של החממה.

מחקר וחדשנות של חממת אנרגיה חדשה

האנרגיה החדשה הירוקה בעלת פוטנציאל הניצול החקלאי הגדול ביותר כוללת אנרגיה סולארית, אנרגיה גיאותרמית ואנרגיה ביומסה, או ניצול מקיף של מגוון מקורות אנרגיה חדשים, כדי להשיג שימוש יעיל באנרגיה על ידי למידה מהצדדים החזקים של זה.

אנרגיה סולארית/כוח

טכנולוגיית אנרגיה סולארית היא מצב אספקת אנרגיה דל פחמן, יעיל ובר קיימא, והיא מרכיב חשוב בתעשיות המתעוררות האסטרטגיות של סין.זה יהפוך לבחירה בלתי נמנעת עבור השינוי והשדרוג של מבנה האנרגיה של סין בעתיד.מבחינת ניצול האנרגיה, החממה עצמה היא מבנה מתקן לניצול אנרגיה סולארית.באמצעות אפקט החממה, אנרגיית השמש נאספת בתוך הבית, הטמפרטורה של החממה מועלית, ומספק החום הדרוש לצמיחת היבול.מקור האנרגיה העיקרי לפוטוסינתזה של צמחי חממה הוא אור שמש ישיר, שהוא ניצול ישיר של אנרגיית השמש.

01 ייצור חשמל פוטו-וולטאי להפקת חום

הפקת חשמל פוטו-וולטאית היא טכנולוגיה הממירה ישירות אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית המבוססת על אפקט פוטו-וולטאי.המרכיב המרכזי בטכנולוגיה זו הוא תא סולארי.כאשר אנרגיית השמש זורחת על מערך הפאנלים הסולאריים בסדרה או במקביל, רכיבי מוליכים למחצה ממירים ישירות אנרגיית קרינת שמש לאנרגיה חשמלית.טכנולוגיה פוטו-וולטאית יכולה להמיר ישירות את אנרגיית האור לאנרגיה חשמלית, לאגור חשמל באמצעות סוללות ולחמם את החממה בלילה, אך העלות הגבוהה שלה מגבילה את המשך פיתוחה.קבוצת המחקר פיתחה מכשיר חימום גרפן פוטו-וולטאי, המורכב מלוחות פוטו-וולטאיים גמישים, מכונת בקרה הפוכה של הכל-באחד, סוללת אחסון ומוט חימום גרפן.לפי אורך קו השתילה, מוט החימום הגרפן קבור מתחת לשקית המצע.במהלך היום, הפאנלים הפוטו-וולטאיים סופגים קרינת שמש לייצור חשמל ומאחסנים אותו בסוללת האגירה, ולאחר מכן משתחרר החשמל בלילה עבור מוט החימום של הגרפן.במדידה בפועל, מאומץ מצב בקרת הטמפרטורה של התחלה ב-17℃ וסגירה ב-19℃.פועל בלילה (20:00-08:00 ביום השני) במשך 8 שעות, צריכת האנרגיה של חימום שורה בודדת של צמחים היא 1.24 קילוואט שעה, והטמפרטורה הממוצעת של שקית המצע בלילה היא 19.2℃, שהוא גבוה ב-3.5 ~ 5.3℃ מזה של הבקרה.שיטת חימום זו בשילוב עם ייצור חשמל פוטו-וולטאי פותרת את הבעיות של צריכת אנרגיה גבוהה וזיהום גבוה בחימום חממה בחורף.

02 המרה פוטותרמית וניצול

המרה פוטותרמית סולארית מתייחסת לשימוש במשטח מיוחד לאיסוף אור שמש העשוי מחומרי המרה פוטותרמית כדי לאסוף ולספוג כמה שיותר אנרגיית שמש המוקרנת עליו ולהמירה לאנרגיית חום.בהשוואה ליישומים פוטו-וולטאיים סולאריים, יישומים פוטותרמיים סולאריים מגבירים את הספיגה של פס אינפרא אדום קרוב, כך שיש לו יעילות ניצול אנרגיה גבוה יותר של אור השמש, עלות נמוכה יותר וטכנולוגיה בוגרת, והיא הדרך הנפוצה ביותר לניצול אנרגיית השמש.

הטכנולוגיה הבוגרת ביותר של המרה וניצול פוטותרמית בסין היא קולט השמש, שמרכיב הליבה שלו הוא ליבת הצלחת סופגת החום עם ציפוי ספיגה סלקטיבי, שיכול להמיר את אנרגיית קרינת השמש העוברת דרך לוח הכיסוי לאנרגיית חום ולהעביר אותו למדיום העבודה סופג החום.ניתן לחלק את קולטי השמש לשתי קטגוריות לפי אם יש חלל ואקום בקולט או לא: קולטי שמש שטוחים וקולטי שמש צינור ואקום;ריכוז קולטי שמש וקולטי שמש לא מרוכזים לפי אם קרינת השמש בנמל תאורת היום משנה כיוון;וקולטי שמש נוזליים וקולטי שמש אוויר לפי סוג מצע העבודה של העברת חום.

ניצול אנרגיה סולארית בחממה מתבצע בעיקר באמצעות סוגים שונים של קולטי שמש.אוניברסיטת אבן זור במרוקו פיתחה מערכת חימום אנרגיה סולארית אקטיבית (ASHS) לחימום חממה, שיכולה להגדיל את סך ייצור העגבניות ב-55% בחורף.האוניברסיטה החקלאית של סין תכננה ופיתחה מערכת איסוף ופריקה של מצנן-מאוורר משטח, עם קיבולת איסוף חום של 390.6 ~ 693.0 MJ, והעלתה את הרעיון להפריד את תהליך איסוף החום מתהליך אגירת החום באמצעות משאבת חום.אוניברסיטת בארי באיטליה פיתחה מערכת חימום פולי-גנרית חממה, המורכבת ממערכת אנרגיה סולארית ומשאבת חום אוויר-מים, ויכולה להעלות את טמפרטורת האוויר ב-3.6% ואת טמפרטורת הקרקע ב-92%.קבוצת המחקר פיתחה מעין ציוד לאיסוף חום סולארי אקטיבי עם זווית נטייה משתנה לחממה סולארית, ומכשיר אחסון חום תומך לגוף מי החממה על פני מזג האוויר.טכנולוגיית איסוף חום סולארית אקטיבית עם נטייה משתנה פורצת את המגבלות של ציוד איסוף חום חממה מסורתי, כגון יכולת איסוף חום מוגבלת, הצללה ותפיסה של אדמה מעובדת.על ידי שימוש במבנה החממה המיוחד של חממה סולארית, השטח שאינו נטיעה של החממה מנוצל במלואו, מה שמשפר מאוד את יעילות הניצול של שטח החממה.בתנאי עבודה טיפוסיים שטופי שמש, מערכת איסוף חום השמש הפעילה עם נטייה משתנה מגיעה ל-1.9 MJ/(m2h), יעילות ניצול האנרגיה מגיעה ל-85.1% ושיעור החיסכון באנרגיה הוא 77%.בטכנולוגיית אגירת החום בחממה, נקבע מבנה אחסון החום רב-שלבי שינוי, יכולת אגירת החום של מכשיר אחסון החום מוגברת, ומתממשת שחרור איטי של חום מהמכשיר, כדי לממש את השימוש היעיל של החום שנאסף על ידי ציוד איסוף החום הסולארי של החממה.

אנרגיה מביומסה

מבנה מתקן חדש נבנה על ידי שילוב של התקן להפקת חום ביומסה עם החממה, וחומרי הגלם ביומסה כגון זבל חזירים, שאריות פטריות וקש עוברים קומפוסט לבישול חום, ואנרגיית החום שנוצרת מסופקת ישירות לחממה [ 5].בהשוואה לחממה ללא מיכל חימום תסיסה ביומסה, חממת החימום יכולה להעלות ביעילות את טמפרטורת הקרקע בחממה ולשמור על הטמפרטורה התקינה של שורשי הגידולים המעובדים באדמה באקלים הרגיל בחורף.ניקח לדוגמא חממת בידוד תרמי א-סימטרית חד-שכבתית בטווח של 17 מ' ואורך של 30 מ', הוספת 8 מ' של פסולת חקלאית (קש עגבניות וזבל חזיר מעורבב) לתוך מיכל התסיסה הפנימי לתסיסה טבעית מבלי להפוך את פח הערימה. להעלות את הטמפרטורה היומית הממוצעת של החממה ב-4.2 ℃ בחורף, והטמפרטורה היומית המינימלית הממוצעת יכולה להגיע ל-4.6 ℃.

ניצול אנרגיה של תסיסה מבוקרת ביומסה היא שיטת תסיסה המשתמשת במכשירים וציוד לשליטה בתהליך התסיסה על מנת להשיג במהירות וביעילות אנרגיית חום ביומסה ודשן גז CO2, ביניהם אוורור ולחות הם גורמי המפתח לוויסות חום התסיסה והפקת גז של ביומסה.בתנאים מאווררים, מיקרואורגניזמים אירוביים בערימת התסיסה משתמשים בחמצן לפעילויות חיים, וחלק מהאנרגיה הנוצרת משמשת לפעילויות החיים שלהם, וחלק מהאנרגיה משתחררת לסביבה כאנרגיית חום, המועילה לטמפרטורה. עליית הסביבה.מים לוקחים חלק בכל תהליך התסיסה, מספקים חומרים מזינים מסיסים הכרחיים לפעילות מיקרוביאלית, ובמקביל משחררים את חום הערימה בצורה של אדים דרך המים, על מנת להפחית את טמפרטורת הערימה, להאריך את חיי הערימה. מיקרואורגניזמים ולהגדיל את הטמפרטורה בתפזורת של הערימה.התקנת מכשיר שטיפת קש ​​במיכל התסיסה יכולה להעלות את הטמפרטורה הפנימית ב-3 ~ 5℃ בחורף, לחזק את הפוטוסינתזה של הצמח ולהגדיל את יבול העגבניות ב-29.6%.

אנרגיה גיאותרמית

סין עשירה במשאבים גיאותרמיים.נכון לעכשיו, הדרך הנפוצה ביותר עבור מתקנים חקלאיים לנצל אנרגיה גיאותרמית היא להשתמש במשאבת חום מקורית, שיכולה להעביר מאנרגיית חום בדרגה נמוכה לאנרגיית חום בדרגה גבוהה על ידי הזנת כמות קטנה של אנרגיה בדרגה גבוהה (כגון אנרגיה חשמלית).בשונה מאמצעי חימום החממה המסורתיים, חימום משאבת חום מקורה בקרקע יכול לא רק להשיג אפקט חימום משמעותי, אלא יש לו גם את היכולת לקרר את החממה ולהפחית את הלחות בחממה.מחקר היישום של משאבת חום מקורית בתחום בניית דיור בשל.חלק הליבה המשפיע על יכולת החימום והקירור של משאבת חום מקורית הוא מודול חילופי החום התת-קרקעי, הכולל בעיקר צינורות קבורים, בארות תת-קרקעיות וכו'. איך לתכנן מערכת חילופי חום תת-קרקעית עם עלות והשפעה מאוזנים תמיד היה מוקד המחקר של חלק זה.במקביל, השינוי בטמפרטורה של שכבת הקרקע התת-קרקעית ביישום משאבת חום מקור קרקע משפיע גם על השפעת השימוש של מערכת משאבת חום.שימוש במשאבת החום הקרקעית לקירור החממה בקיץ ולאגירת אנרגיית החום בשכבת האדמה העמוקה יכול להקל על ירידת הטמפרטורה של שכבת הקרקע התת-קרקעית ולשפר את יעילות הפקת החום של משאבת החום הקרקעית בחורף.

נכון לעכשיו, במחקר של הביצועים והיעילות של משאבת חום מקור קרקע, באמצעות הנתונים הניסויים בפועל, נוצר מודל מספרי עם תוכנות כמו TOUGH2 ו-TRNSYS, ומסקנתם היא שביצועי החימום ומקדם הביצועים (COP ) של משאבת חום מקור קרקע יכולה להגיע ל 3.0 ~ 4.5, שיש לו אפקט קירור וחימום טוב.במחקר של אסטרטגיית הפעולה של מערכת משאבת החום, Fu Yunzhun ואחרים מצאו שבהשוואה לזרימת צד העומס, לזרימת הצד של מקור הקרקע יש השפעה גדולה יותר על ביצועי היחידה וביצועי העברת החום של הצינור הקבור. .בתנאי הגדרת הזרימה, ערך ה-COP המרבי של היחידה יכול להגיע ל-4.17 על ידי אימוץ תכנית הפעולה של הפעלה למשך שעתיים ועצירה למשך שעתיים;Shi Huixian et.אימצה מצב פעולה לסירוגין של מערכת קירור אחסון מים.בקיץ, כאשר הטמפרטורה גבוהה, ה-COP של כל מערכת אספקת האנרגיה יכול להגיע ל-3.80.

טכנולוגיית אחסון חום אדמה עמוקה בחממה

אחסון חום עמוק באדמה בחממה נקרא בחממה גם "בנק אגירת חום".נזקי קור בחורף וטמפרטורה גבוהה בקיץ הם המכשולים העיקריים לייצור החממה.בהתבסס על יכולת אגירת החום החזקה של אדמה עמוקה, קבוצת המחקר תכננה חממה תת קרקעית לאחסון חום עמוק.ההתקן הוא צינור דו-שכבתי מקביל להעברת חום הקבור בעומק של 1.5-2.5 מ' מתחת לאדמה בחממה, עם כניסת אוויר בחלק העליון של החממה ויציאת אוויר על הקרקע.כאשר הטמפרטורה בחממה גבוהה, האוויר הפנימי נשאב בכוח אל הקרקע על ידי מאוורר כדי לממש אגירת חום והפחתת טמפרטורה.כאשר טמפרטורת החממה נמוכה, מופק חום מהאדמה לחימום החממה.תוצאות הייצור והיישום מראות שהמכשיר יכול להעלות את טמפרטורת החממה ב-2.3℃ בליל החורף, להפחית את הטמפרטורה הפנימית ב-2.6℃ ביום הקיץ ולהגדיל את יבול העגבניות ב-1500 ק"ג ב-667 מ'².המכשיר עושה שימוש מלא במאפיינים של "חם בחורף וקריר בקיץ" ו"טמפרטורה קבועה" של אדמה תת-קרקעית עמוקה, מספק "בנק גישה לאנרגיה" לחממה, ומשלים באופן רציף את פונקציות העזר של קירור וחימום חממה. .

תיאום רב אנרגטי

שימוש בשני סוגי אנרגיה או יותר לחימום החממה יכול לפצות ביעילות על החסרונות של סוג אנרגיה בודד, ולתת משחק לאפקט הסופרפוזיציה של "אחד ועוד אחד גדול משניים".שיתוף הפעולה המשלים בין אנרגיה גיאותרמית ואנרגיה סולארית הוא מוקד מחקר של ניצול אנרגיה חדשה בייצור חקלאי בשנים האחרונות.אמי et.חקר מערכת אנרגיה מרובת מקורות (איור 1), המצוידת בקולט שמש היברידי פוטו-וולטאי-תרמי.בהשוואה למערכת משאבת החום הנפוצה אוויר-מים, יעילות האנרגיה של מערכת האנרגיה מרובת המקורות משתפרת ב-16% ~ 25%.Zheng et.פיתח סוג חדש של מערכת אחסון חום משולבת של אנרגיה סולארית ומשאבת חום מקור קרקע.מערכת קולט השמש יכולה לממש אחסון עונתי איכותי של חימום, כלומר חימום איכותי בחורף וקירור איכותי בקיץ.מחליף החום של הצינור הקבור ומיכל אגירת החום לסירוגין יכולים לפעול היטב במערכת, וערך ה-COP של המערכת יכול להגיע ל-6.96.

בשילוב עם אנרגיה סולארית, מטרתו להפחית את צריכת החשמל המסחרית ולשפר את היציבות של אספקת החשמל הסולארית בחממה.Wan Ya et.הציג תכנית טכנולוגיית בקרה חכמה חדשה של שילוב ייצור חשמל סולארי עם חשמל מסחרי לחימום חממה, שיכול לעשות שימוש בכוח פוטו-וולטאי כאשר יש אור, ולהפוך אותו לכוח מסחרי כאשר אין אור, מה שמפחית מאוד את המחסור בכוח העומס. שיעור, והפחתת העלות הכלכלית ללא שימוש בסוללות.

אנרגיה סולארית, אנרגיה ביומסה ואנרגיה חשמלית יכולות לחמם יחד חממות, מה שיכול גם להשיג יעילות חימום גבוהה.Zhang Liangrui ואחרים שילבו איסוף חום של צינור ואקום סולארי עם מיכל מים לאחסון חום חשמל בעמק.למערכת חימום החממה יש נוחות תרמית טובה, ויעילות החימום הממוצעת של המערכת היא 68.70%.מיכל המים לאגירת חום חשמלי הוא מכשיר לאחסון מים לחימום ביומסה עם חימום חשמלי.הטמפרטורה הנמוכה ביותר של כניסת המים בקצה החימום נקבעת, ואסטרטגיית הפעולה של המערכת נקבעת בהתאם לטמפרטורת אגירת המים של חלק איסוף החום הסולארי וחלק אגירת החום של ביומסה, כדי להשיג טמפרטורת חימום יציבה ב- חימום מסיים ולחסוך אנרגיה חשמלית וחומרי אנרגיה ביומסה במידה המרבית.

מחקר חדשני ויישום של חומרי חממה חדשים

עם הרחבת שטח החממה, נחשפים יותר ויותר חסרונות היישום של חומרי חממה מסורתיים כגון לבנים ואדמה.לכן, על מנת לשפר עוד יותר את הביצועים התרמיים של חממה ולענות על צורכי הפיתוח של חממה מודרנית, ישנם מחקרים ויישומים רבים של חומרי כיסוי שקופים חדשים, חומרי בידוד תרמי וחומרי קיר.

מחקר ויישום של חומרי כיסוי שקופים חדשים

סוגי חומרי הכיסוי השקופים לחממה כוללים בעיקר סרט פלסטיק, זכוכית, פאנל סולארי ופאנל פוטו-וולטאי, ביניהם הסרט הפלסטי בעל שטח היישום הגדול ביותר.לסרט PE החממה המסורתי יש פגמים של חיי שירות קצרים, אי-השפלה ותפקוד יחיד.נכון לעכשיו, פותחו מגוון סרטים פונקציונליים חדשים על ידי הוספת ריאגנטים או ציפויים פונקציונליים.

סרט המרה קל:סרט המרת האור משנה את התכונות האופטיות של הסרט על ידי שימוש בחומרי המרת אור כגון אדמה נדירה וחומרי ננו, ויכול להמיר את אזור האור האולטרה סגול לאור כתום אדום ואור סגול כחול הנדרש על ידי פוטוסינתזה של צמחים, ובכך להגדיל את תפוקת היבול ולהפחית הנזק של אור אולטרה סגול לגידולים וסרטי חממה בחממות פלסטיק.לדוגמה, סרט החממה בפס רחב סגול לאדום עם חומר המרת אור VTR-660 יכול לשפר באופן משמעותי את העברת האינפרא אדום כאשר הוא מיושם בחממה, ובהשוואה לחממת הביקורת, יבול העגבניות לדונם, ויטמין C ותכולת הליקופן גדלו באופן משמעותי ב-25.71%, 11.11% ו-33.04% בהתאמה.עם זאת, נכון לעכשיו, עדיין יש ללמוד את חיי השירות, הפירוק והעלות של סרט המרת האור החדש.

זכוכית מפוזרת: זכוכית מפוזרת בחממה היא דפוס מיוחד וטכנולוגיה נגד השתקפות על פני הזכוכית, שיכולה למקסם את אור השמש לאור מפוזר ולהיכנס לחממה, לשפר את יעילות הפוטוסינתזה של גידולים ולהגדיל את תפוקת היבול.פיזור זכוכית הופך את האור הנכנס לחממה לאור מפוזר באמצעות דפוסים מיוחדים, וניתן להקרין את האור המפוזר בצורה שווה יותר לתוך החממה, ולבטל את השפעת הצל של השלד על החממה.בהשוואה לזכוכית צפה רגילה וזכוכית צפה אולטרה לבנה, תקן העברת האור של זכוכית מפזרת הוא 91.5%, ושל זכוכית צפה רגילה הוא 88%.על כל עלייה של 1% בהעברת האור בתוך החממה, ניתן להגדיל את היבול בכ-3%, ולהגדיל את הסוכר המסיס וויטמין C בפירות וירקות.פיזור זכוכית בחממה מצופה תחילה ולאחר מכן מחוסמת, ושיעור הפיצוץ העצמי גבוה מהתקן הלאומי ומגיע ל-2‰.

מחקר ויישום של חומרי בידוד תרמי חדשים

חומרי הבידוד התרמי המסורתיים בחממה כוללים בעיקר מחצלת קש, שמיכת נייר, שמיכת בידוד תרמי לבד עם מחטים וכו', המשמשות בעיקר לבידוד תרמי פנימי וחיצוני של גגות, בידוד קירות ובידוד תרמי של חלק מהמכשירים לאגירת חום ואיסוף חום. .לרובם יש פגם של איבוד ביצועי בידוד תרמי עקב לחות פנימית לאחר שימוש ארוך טווח.לכן, ישנם יישומים רבים של חומרי בידוד תרמי גבוהים חדשים, ביניהם שמיכת הבידוד התרמי החדשה, התקני אחסון חום ואיסוף חום הם מוקד המחקר.

חומרי בידוד תרמי חדשים מיוצרים בדרך כלל על ידי עיבוד והרכבה של חומרים עמידים למים ועמידים בפני הזדקנות משטח כגון סרט ארוגים ולבד מצופה עם חומרי בידוד תרמי רכים כגון כותנה מצופה בהתזה, קשמיר שונות וכותנת פנינה.שמיכת בידוד תרמי מכותנה ארוגה מצופה בהתזה נבדקה בצפון מזרח סין.נמצא כי הוספת 500 גרם כותנה מצופה בהתזה שוות ערך לביצועי הבידוד התרמי של שמיכת בידוד תרמי לבד שחור 4500 גרם בשוק.באותם תנאים, ביצועי הבידוד התרמי של 700 גרם כותנה מצופה ריסוס שופרו ב-1 ~ 2℃ בהשוואה לזה של שמיכת בידוד תרמי מכותנה מצופה ריסוס של 500 גרם.במקביל, מחקרים אחרים מצאו גם כי בהשוואה לשמיכות הבידוד התרמי הנפוצות בשוק, השפעת הבידוד התרמי של כותנה מצופה ריסוס ושמיכות בידוד תרמי קשמיר שונות טובה יותר, עם שיעורי בידוד תרמי של 84.0% ו-83.3 % בהתאמה.כאשר הטמפרטורה החיצונית הקרה ביותר היא -24.4℃, הטמפרטורה הפנימית יכולה להגיע ל-5.4 ו-4.2℃ בהתאמה.בהשוואה לשמיכת הבידוד של שמיכת קש בודדת, לשמיכת הבידוד המרוכבת החדשה יש את היתרונות של משקל קל, קצב בידוד גבוה, עמידות חזקה למים ועמידות להזדקנות, והיא יכולה לשמש כסוג חדש של חומר בידוד ביעילות גבוהה לחממות סולאריות.

יחד עם זאת, על פי מחקר חומרי בידוד תרמי עבור התקני איסוף ואחסון חום חממה, נמצא גם שכאשר העובי זהה, לחומרי בידוד תרמי מרוכבים יש ביצועי בידוד תרמי טובים יותר מאשר חומרים בודדים.הצוות של פרופסור Li Jianming מאוניברסיטת Northwest A&F תכנן וסקר 22 סוגים של חומרי בידוד תרמי של התקני אחסון מים בחממה, כגון לוח ואקום, איירגל וכותנה גומי, ומדד את התכונות התרמיות שלהם.התוצאות הראו שציפוי בידוד תרמי באורך 80 מ"מ+אירוג'ל+חומר בידוד תרמי מכותנה מרוכבת גומי-פלסטיק יכול להפחית את פיזור החום ב-0.367MJ ליחידת זמן בהשוואה לכותנה גומי-פלסטיק של 80 מ"מ, ומקדם העברת החום שלו היה 0.283W/(m2) ·k) כאשר עובי שילוב הבידוד היה 100 מ"מ.

חומר לשינוי שלב הוא אחד הנקודות החמות בחקר חומרי החממה.Northwest A&F University פיתחה שני סוגים של התקני אחסון חומרים לשינוי פאזה: האחד הוא קופסת אחסון עשויה פוליאתילן שחור, שגודלה הוא 50 ס"מ × 30 ס"מ × 14 ס"מ (אורך × גובה × עובי) והיא מלאה בחומרי שינוי פאזה, כך שהוא יכול לאגור חום ולשחרר חום;שנית, פותח סוג חדש של לוחות לשינוי שלב.לוח הקיר לשינוי שלב מורכב מחומר לשינוי שלב, לוח אלומיניום, לוח אלומיניום-פלסטיק וסגסוגת אלומיניום.חומר שינוי השלב ממוקם במיקום המרכזי ביותר של לוח הקיר, והמפרט שלו הוא 200 מ"מ × 200 מ"מ × 50 מ"מ.זהו מוצק אבקתי לפני ואחרי שינוי פאזה, ואין תופעה של נמס או זרימה.ארבעת הקירות של חומר שינוי הפאזה הם פלטת אלומיניום וצלחת אלומיניום-פלסטיק, בהתאמה.מכשיר זה יכול לממש את הפונקציות של בעיקר אגירת חום במהלך היום ובעיקר שחרור חום בלילה.

לכן, ישנן כמה בעיות ביישום חומר בידוד תרמי יחיד, כגון יעילות בידוד תרמי נמוכה, איבוד חום גדול, זמן אחסון חום קצר וכו'. לכן, שימוש בחומר בידוד תרמי מרוכב כשכבת בידוד תרמי ובידוד תרמי פנימי וחיצוני שכבת כיסוי של מכשיר אחסון חום יכולה לשפר ביעילות את ביצועי הבידוד התרמי של החממה, להפחית את אובדן החום של החממה, ובכך להשיג את ההשפעה של חיסכון באנרגיה.

מחקר ויישום של קיר חדש

כמעין מבנה מתחם, הקיר מהווה מחסום חשוב להגנת הקור ולשימור החום של החממה.על פי חומרי ומבני הקיר ניתן לחלק את פיתוח הקיר הצפוני של החממה לשלושה סוגים: הקיר החד-שכבתי העשוי מאדמה, לבנים וכו', והקיר הצפוני השכבתי מלבני חרס, לבני בלוקים, לוחות פוליסטירן וכו' עם אגירת חום פנימית ובידוד חום חיצוני, ורוב הקירות הללו גוזלים זמן ועבודה;לכן, בשנים האחרונות הופיעו הרבה סוגים חדשים של קירות, קלים לבנייה ומתאימים להרכבה מהירה.

הופעתם של קירות מורכבים מסוג חדש מקדמת את הפיתוח המהיר של חממות מורכבות, לרבות קירות מרוכבים מסוג חדש עם חומרים וחומרים חיצוניים אטומים למים ואנטי-אייג'ינג כגון לבד, כותנה פנינה, כותנת שטח, כותנה מזכוכית או כותנה ממוחזרת כחום. שכבות בידוד, כגון קירות מורכבים גמישים של כותנה מלוכדת בהתזה בשינג'יאנג.בנוסף, מחקרים אחרים דיווחו גם על הקיר הצפוני של חממה מורכבת עם שכבת אגירת חום, כמו בלוק מרגמה של קליפת חיטה מלאת לבנים בשינג'יאנג.תחת אותה סביבה חיצונית, כאשר הטמפרטורה החיצונית הנמוכה ביותר היא -20.8 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה בחממה הסולארית עם קיר מורכב של טיט מרגמה קליפת חיטה היא 7.5 מעלות צלזיוס, בעוד שהטמפרטורה בחממה הסולארית עם קיר בטון לבנים היא 3.2 מעלות.ניתן להקדים את זמן הקציר של עגבניות בחממה לבנים ב-16 ימים, וניתן להגדיל את התשואה של חממה בודדת ב-18.4%.

צוות המתקנים של Northwest A&F University העלה את רעיון העיצוב של הפיכת חומרים קש, אדמה, מים, אבן ושינוי פאזה למודולי בידוד תרמי ואחסון חום מהזווית של אור ועיצוב קיר פשוט, מה שקידם את מחקר היישום של מודולרי מורכב. קִיר.לדוגמה, בהשוואה לחממה רגילה של קיר לבנים, הטמפרטורה הממוצעת בחממה גבוהה ב-4.0 מעלות ביום שמש טיפוסי.שלושה סוגים של מודולי מלט שינוי פאזה אנאורגניים, העשויים מחומר שינוי פאזה (PCM) ומלט, צברו חום של 74.5, 88.0 ו-95.1 MJ/m³, וחום משוחרר של 59.8, 67.8 ו-84.2 MJ/m³, בהתאמה.יש להם פונקציות של "חיתוך שיא" בשעות היום, "מילוי עמק" בלילה, ספיגת חום בקיץ ושחרור חום בחורף.

הקירות החדשים הללו מורכבים במקום, עם תקופת בנייה קצרה וחיי שירות ארוכים, היוצרים תנאים לבניית חממות טרומיות קלות, פשוטות ומורכבות במהירות, ויכולים לקדם מאוד את הרפורמה המבנית בחממות.עם זאת, ישנם כמה פגמים בקיר מסוג זה, כגון קיר שמיכת בידוד תרמי מכותנה מלוכדת בריסוס יש ביצועי בידוד תרמי מצוינים, אך חסר יכולת אחסון חום, ולחומר הבניין שינוי השלב יש בעיה של עלות שימוש גבוהה.בעתיד, יש לחזק את מחקר היישום של קיר מורכב.

אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצובים חדשים עוזרים למבנה החממה לשנות.

המחקר והחדשנות של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים מהווים את הבסיס לחדשנות העיצובית של חממה.חממה סולארית וסככת קשת חסכונית באנרגיה הם מבני הסככות הגדולים ביותר בייצור החקלאי של סין, והם ממלאים תפקיד חשוב בייצור החקלאי.עם זאת, עם התפתחות הכלכלה החברתית של סין, החסרונות של שני סוגי מבני המתקנים מוצגים יותר ויותר.ראשית, שטח מבני המתקנים קטן ומידת המיכון נמוכה;שנית, לחממה הסולארית החסכונית באנרגיה יש בידוד תרמי טוב, אך השימוש בקרקע נמוך, מה שמקביל להחלפת אנרגיית החממה בקרקע.סככת קשת רגילה לא רק בעלת שטח קטן, אלא גם בעלת בידוד תרמי גרוע.למרות שלחממה רב-טווח יש שטח גדול, יש לה בידוד תרמי גרוע וצריכת אנרגיה גבוהה.לכן, הכרחי לחקור ולפתח את מבנה החממה המתאים לרמה החברתית והכלכלית הנוכחית של סין, ומחקר ופיתוח של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים יסייעו למבנה החממה לשנות ולייצר מגוון מודלים או מבנים חדשניים של חממה.

מחקר חדשני על חממת בירה א-סימטרית מבוקרת מים בטווח רחב

חממת הבירה הא-סימטרית הנשלטת במים בטווח רחב (מספר פטנט: ZL 201220391214.2) מבוססת על העיקרון של חממת אור השמש, משנה את המבנה הסימטרי של חממת פלסטיק רגילה, הגדלת הטווח הדרומי, הגדלת שטח התאורה של הגג הדרומי, צמצום הטווח הצפוני והקטנת אזור פיזור החום, עם טווח של 18~24 מ' וגובה רכס של 6~7 מ'.באמצעות חדשנות עיצובית, המבנה המרחבי הוגדל משמעותית.יחד עם זאת, הבעיות של חום לא מספיק בחממה בחורף ובידוד תרמי לקוי של חומרי בידוד תרמי נפוצים נפתרות על ידי שימוש בטכנולוגיה חדשה של חליטת חום ביומסה וחומרי בידוד תרמיים.תוצאות הייצור והמחקר מראים כי חממת הבירה הא-סימטרית המבוקרת במים, עם טמפרטורה ממוצעת של 11.7 מעלות בימי שמש ו-10.8 מעלות בימי מעונן, יכולה לענות על הדרישה של גידול יבול בחורף, ועלות הבנייה של החממה מצטמצמת ב-39.6% ושיעור ניצול הקרקע גדל ביותר מ-30% בהשוואה לזה של חממת קיר לבני פוליסטירן, המתאימה לפופולריות ויישום נוסף באגן הנהר הצהוב של סין.

חממת אור שמש מורכבת

חממת אור שמש מורכבת לוקחת עמודים ושלד גג כמבנה נושא עומס, וחומר הקיר שלה הוא בעיקר מתחם בידוד חום, במקום נושא ואחסון ושחרור חום פסיבי.בעיקר: (1) סוג חדש של קיר מורכב נוצר על ידי שילוב חומרים שונים כגון סרט מצופה או לוח פלדה צבעוני, בלוק קש, שמיכת בידוד תרמי גמיש, בלוק מרגמה וכו'. (2) לוח קיר מרוכב עשוי מלוח צמנט טרומי -לוח מלט פוליסטירן;(3) סוג הרכבה קל ופשוט של חומרי בידוד תרמיים עם מערכת אחסון ושחרור חום אקטיבית ומערכת הסרת לחות, כגון אחסון חום של דלי מרובע מפלסטיק ואחסון חום בצנרת.שימוש בחומרי בידוד חום חדשים וחומרי אחסון חום במקום חומת אדמה מסורתית לבניית חממה סולארית יש שטח גדול והנדסה אזרחית קטנה.תוצאות הניסוי מראות שטמפרטורת החממה בלילה בחורף גבוהה ב-4.5℃ מזו של החממה המסורתית עם קיר לבנים, ועובי הקיר האחורי הוא 166 מ"מ.בהשוואה לחממה עם קירות לבנים בעובי 600 מ"מ, השטח התפוס של הקיר מצטמצם ב-72%, והעלות למ"ר היא 334.5 יואן, שזה נמוך ב-157.2 יואן מזה של חממת הקיר לבנים, ועלות הבנייה. ירד משמעותית.לכן, לחממה המורכבת יש יתרונות של הרס קרקע מעובדת פחות, חיסכון בקרקע, מהירות בנייה מהירה וחיי שירות ארוכים, והיא מהווה כיוון מרכזי לחדשנות ופיתוח של חממות סולאריות בהווה ובעתיד.

חממת אור שמש הזזה

החממה הסולארית החסכונית באנרגיה המורכבת על סקייטבורד שפותחה על ידי האוניברסיטה החקלאית של שניאנג משתמשת בקיר האחורי של החממה הסולארית כדי ליצור מערכת אחסון חום במחזור המים לאחסון חום ולהעלאת הטמפרטורה, המורכבת בעיקר מבריכה (32 מטר).³), צלחת איסוף אור (360 מ'²), משאבת מים, צינור מים ובקר.שמיכת הבידוד התרמי הגמיש מוחלפת בחומר פלדה חדש בצבע צמר סלעים קל משקל בחלק העליון.המחקר מראה שתכנון זה פותר ביעילות את בעיית הגמלונים החוסמים אור, ומגדיל את שטח כניסת האור של החממה.זווית התאורה של החממה היא 41.5°, שהיא גבוהה בכמעט 16° מזו של חממת הבקרה, ובכך משפרת את קצב ההדלקה.חלוקת הטמפרטורה בתוך הבית אחידה, והצמחים גדלים בצורה מסודרת.לחממה יתרונות של שיפור יעילות השימוש בקרקע, תכנון גמיש של גודל החממה וקיצור תקופת הבנייה, שיש לו משמעות רבה להגנה על משאבי הקרקע המעובדת והסביבה.

חממה פוטו-וולטאית

חממה חקלאית היא חממה המשלבת ייצור חשמל פוטו-וולטאי סולארי, בקרת טמפרטורה חכמה ושתילת היי-טק מודרנית.הוא מאמץ מסגרת עצם מפלדה ומכוסה במודולים פוטו-וולטאיים סולאריים כדי להבטיח את דרישות התאורה של מודולי ייצור חשמל פוטו-וולטאיים ואת דרישות התאורה של החממה כולה.הזרם הישיר הנוצר על ידי אנרגיה סולארית משלים ישירות את האור של חממות חקלאיות, תומך ישירות בפעולה הרגילה של ציוד חממה, מניע את ההשקיה של משאבי מים, מגביר את טמפרטורת החממה ומקדם צמיחה מהירה של יבולים.מודולים פוטו-וולטאיים בדרך זו ישפיעו על יעילות התאורה של גג החממה, ולאחר מכן ישפיעו על הצמיחה הרגילה של ירקות החממה.לכן, הפריסה הרציונלית של לוחות פוטו-וולטאיים על גג החממה הופכת לנקודת המפתח של היישום.חממה חקלאית היא תוצר של השילוב האורגני של חקלאות סיור וגינון מתקנים, והיא תעשייה חקלאית חדשנית המשלבת ייצור חשמל פוטו-וולטאי, סיור חקלאי, גידולים חקלאיים, טכנולוגיה חקלאית, נוף ופיתוח תרבותי.

עיצוב חדשני של קבוצת חממות עם אינטראקציה אנרגטית בין סוגים שונים של חממות

Guo Wenzhong, חוקר באקדמיה למדעי החקלאות והיער בבייג'ינג, משתמש בשיטת החימום של העברת אנרגיה בין חממות כדי לאסוף את אנרגיית החום הנותרת בחממה אחת או יותר כדי לחמם חממה אחרת או יותר.שיטת חימום זו מיישמת את העברת אנרגיית החממה בזמן ובמרחב, משפרת את יעילות ניצול האנרגיה של אנרגיית החום הנותרת של החממה ומפחיתה את צריכת אנרגיית החימום הכוללת.שני סוגי החממות יכולים להיות סוגי חממה שונים או אותו סוג חממה לשתילת גידולים שונים, כמו חממות חסה ועגבניות.שיטות איסוף החום כוללות בעיקר הוצאת חום אוויר פנימי ויירט ישיר של קרינה תקרית.באמצעות איסוף אנרגיה סולארית, הסעה מאולצת על ידי מחליף חום ושאיבה מאולצת על ידי משאבת חום, הוצא עודפי החום בחממה עתירת אנרגיה לחימום חממה.

לְסַכֵּם

לחממות סולאריות חדשות אלו יתרונות של הרכבה מהירה, קיצור תקופת הבנייה ושיפור קצב ניצול הקרקע.לכן, יש צורך להמשיך ולחקור את הביצועים של חממות חדשות אלה באזורים שונים, ולספק את האפשרות לפופולריות ויישום בקנה מידה גדול של חממות חדשות.יחד עם זאת, יש צורך בחיזוק מתמשך של יישום אנרגיה חדשה וחומרים חדשים בחממות, כדי לספק כוח לרפורמה המבנית בחממות.

סיכוי וחשיבה לעתיד

לחממות מסורתיות יש לעתים קרובות כמה חסרונות, כגון צריכת אנרגיה גבוהה, קצב ניצול נמוך של קרקע, זמן רב וצורך עבודה, ביצועים גרועים וכו', שאינם יכולים עוד לענות על צורכי הייצור של החקלאות המודרנית, וחייבים להיות בהדרגה. חוסלו.לכן, זוהי מגמת פיתוח להשתמש במקורות אנרגיה חדשים כגון אנרגיה סולארית, אנרגיה ביומסה, אנרגיה גיאותרמית ואנרגיית רוח, חומרים חדשים ליישום חממה ועיצובים חדשים לקידום השינוי המבני של החממה.קודם כל, החממה החדשה המונעת על ידי אנרגיה חדשה וחומרים חדשים צריכה לא רק לענות על צורכי הפעולה הממוכנת, אלא גם לחסוך באנרגיה, בקרקע ובעלות.שנית, יש צורך לחקור כל הזמן את הביצועים של חממות חדשות באזורים שונים, כדי לספק תנאים לפופולריות בקנה מידה גדול של חממות.בעתיד, עלינו להמשיך לחפש אנרגיה חדשה וחומרים חדשים המתאימים ליישום חממה, ולמצוא את השילוב הטוב ביותר של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים וחממה, כדי לאפשר בניית חממה חדשה בעלות נמוכה וקצרה. תקופה, צריכת אנרגיה נמוכה וביצועים מצוינים, עוזרים למבנה החממה לשנות ולקדם את פיתוח המודרניזציה של חממות בסין.

למרות שיישום אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצובים חדשים בבניית חממות הוא מגמה בלתי נמנעת, עדיין ישנן בעיות רבות שצריך ללמוד ולהתגבר עליהן: (1) עלות הבנייה עולה.בהשוואה לחימום המסורתי עם פחם, גז טבעי או נפט, היישום של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים הוא ידידותי לסביבה וללא זיהום, אך עלות הבנייה גדלה באופן משמעותי, מה שיש לו השפעה מסוימת על התאוששות ההשקעה בייצור ותפעול. .בהשוואה לניצול אנרגיה, העלות של חומרים חדשים תגדל משמעותית.(2) ניצול לא יציב של אנרגיית החום.היתרון הגדול ביותר של ניצול אנרגיה חדשה הוא עלות תפעול נמוכה ופליטת פחמן דו חמצני נמוכה, אך אספקת האנרגיה והחום אינה יציבה, וימים מעוננים הופכים לגורם המגביל הגדול ביותר בניצול אנרגיית השמש.בתהליך הפקת חום ביומסה על ידי תסיסה, ניצול יעיל של אנרגיה זו מוגבל על ידי בעיות של אנרגיית חום נמוכה בתסיסה, ניהול ובקרה קשים ושטח אחסון גדול להובלת חומרי גלם.(3) בגרות טכנולוגית.טכנולוגיות אלו המשמשות אנרגיה חדשה וחומרים חדשים הן הישגי מחקר וטכנולוגיים מתקדמים, ותחום היישום והיקפם עדיין מוגבלים למדי.הם לא עברו הרבה פעמים, אתרים רבים ואימות תרגול בקנה מידה גדול, ויש בהכרח כמה ליקויים ותכנים טכניים שצריך לשפר ביישום.משתמשים לעתים קרובות מכחישים את התקדמות הטכנולוגיה בגלל הליקויים הקלים.(4) שיעור חדירת הטכנולוגיה נמוך.היישום הרחב של הישג מדעי וטכנולוגי דורש פופולריות מסוימת.נכון לעכשיו, אנרגיה חדשה, טכנולוגיה חדשה וטכנולוגיה חדשה לעיצוב חממה נמצאים כולם בצוות של מרכזי מחקר מדעיים באוניברסיטאות עם יכולת חדשנות מסוימת, ורוב הדורשים או המעצבים הטכניים עדיין לא יודעים;יחד עם זאת, הפופולריות והיישום של טכנולוגיות חדשות עדיין מוגבלות למדי מכיוון שציוד הליבה של טכנולוגיות חדשות מוגן בפטנט.(5) יש לחזק עוד יותר את השילוב של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ותכנון מבנה חממה.מכיוון שאנרגיה, חומרים ותכנון מבני חממה שייכים לשלוש דיסציפלינות שונות, כישרונות בעלי ניסיון בתכנון חממה חסרים לרוב מחקר על אנרגיה וחומרים הקשורים לחממה, ולהיפך;לכן, חוקרים הקשורים לחקר אנרגיה וחומרים צריכים לחזק את החקירה וההבנה של הצרכים האמיתיים של פיתוח תעשיית החממות, ומעצבי מבניים צריכים גם ללמוד חומרים חדשים ואנרגיה חדשה כדי לקדם את האינטגרציה העמוקה של שלוש מערכות היחסים, כדי להשיג המטרה של טכנולוגיית חקר חממה מעשית, עלות בנייה נמוכה ואפקט שימוש טוב.בהתבסס על הבעיות הנ"ל, מוצע שהמדינה, הממשלות המקומיות ומרכזי המחקר המדעיים יתגברו את המחקר הטכני, יבצעו מחקר משותף לעומק, יחזקו את הפרסום של הישגים מדעיים וטכנולוגיים, ישפרו את הפופולריות של ההישגים, ויממשו במהירות את ההישגים המדעיים והטכנולוגיים. מטרה של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים כדי לסייע בפיתוח החדש של תעשיית החממות.

מידע מצוטט

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin.אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חדש עוזרים למהפכה החדשה של החממה [J].ירקות, 2022,(10):1-8.