Investigação sobre a aplicação da PVT no aquecimento agrícola e de estufas: capacitar a tecnologia para construir uma "linha de defesa quente" para a agricultura moderna

Investigação sobre a aplicação da PVT no aquecimento agrícola e de estufas: capacitar a tecnologia para construir uma "linha de defesa quente" para a agricultura moderna

No processo de desenvolvimento da agricultura moderna, a temperatura é um dos principais fatores que afetam o crescimento, a produtividade e a qualidade das culturas, especialmente no modelo de plantação em estufa, que exige maiores requisitos de estabilidade, eficiência energética e respeito pelo ambiente do sistema de aquecimento. O aquecimento tradicional em estufas depende principalmente de caldeiras a carvão, a gás ou de equipamentos de aquecimento elétrico, que não só apresentam problemas de elevado consumo de energia, elevados custos operacionais e grandes emissões de carbono, como também são vulneráveis ​​às flutuações no fornecimento de energia e difíceis de satisfazer com precisão as necessidades de temperatura das diferentes fases de crescimento das culturas. Neste contexto, a tecnologia integrada fotovoltaico-térmica (Fotovoltaico-Térmica, abreviada como PVT), com a sua dupla função exclusiva de "geração de energia + aquecimento", tornou-se gradualmente uma tecnologia-chave para resolver os pontos problemáticos da agricultura e do aquecimento em estufas, injetando um novo impulso à transformação verde e ao desenvolvimento eficiente da agricultura moderna.

O princípio básico da tecnologia PVT é integrar uma camada absorvedora, canais de meio de transferência de calor e camada de isolamento com base em componentes tradicionais de geração de energia fotovoltaica, alcançando um modo de utilização altamente eficiente de "uma entrada de energia solar, saída simultânea de eletricidade e calor" - os componentes fotovoltaicos convertem energia solar em eletricidade para satisfazer as necessidades de fornecimento de energia de iluminação, ventilação e equipamentos de irrigação de água e fertilizantes na estufa; a camada absorvedora absorve o calor residual gerado durante o processo de geração de energia dos componentes fotovoltaicos (cerca de 60% a 70% da energia solar é convertida em energia térmica e desperdiçada em componentes fotovoltaicos tradicionais) e transfere o calor para o sistema de aquecimento da estufa através de meios de transferência de calor, como a água e o ar, fornecendo uma fonte de calor estável para o crescimento da cultura. Em comparação com a "aplicação separada" dos sistemas de aquecimento tradicionais e fotovoltaicos independentes, a taxa de utilização abrangente de energia da tecnologia PVT é aumentada em mais de 30%, não só resolvendo o problema do declínio da eficiência de geração de energia dos componentes fotovoltaicos devido à alta temperatura, mas também evitando as deficiências de alto consumo de energia e alta poluição do aquecimento tradicional, combinando perfeitamente com o conceito de desenvolvimento da agricultura moderna de "conservação de energia, proteção ambiental e eficiência".

A aplicação da tecnologia de PVT na agricultura não se limita a cenários de efeito estufa, mas também se estende a vários vínculos, como isolamento no plantio de campo em larga escala, aquecimento na criação de gado e aves e preservação de produtos agrícolas em armazenamento, fornecendo proteção completa para a produção agrícola do "final de plantio" para "armazenamento". No plantio de campo em larga escala, a baixa temperatura no inverno e o estalo frio na primavera nas regiões do norte são os principais problemas que restringem a taxa de emergência e a resistência ao estresse de culturas como trigo e milho. As medidas tradicionais de proteção a frio dependem principalmente de cobrir filmes de plástico e pulverizar agentes anti-congelamento, que têm efeitos limitados e são difíceis de serem promovidos em larga escala. No entanto, o sistema PVT pode fornecer calor contínuo aos tubos de aquecimento enterrados no campo através do modo de combinação de "suprimento de calor acionado por eletricidade +", estabilizando a temperatura do solo a 10-15 ℃, adequada para a germinação de culturas. Ao mesmo tempo, ele usa a função de geração de energia para fornecer energia aos sensores de umidade do solo e equipamentos de irrigação automáticos, alcançando a integração "regulação da temperatura + gerenciamento preciso". Taking a wheat planting base in Northeast China as an example, after introducing the PVT large-scale field heating system in 2023, the spring wheat emergence rate of the base increased from 82% in previous years to 95%, the average yield per mu increased by 12%, and no coal was consumed during the winter heating period, reducing carbon emissions by about 80 tons per year and reducing operating costs by 40% compared with traditional electric heating methods, truly alcançar os benefícios triplos de "aumento da produção, conservação de energia e redução de carbono".

No campo da criação de gado e aves, a temperatura estável afeta diretamente a taxa de sobrevivência, a taxa de crescimento e a resistência a doenças de gado e aves-a temperatura de crescimento adequada para leitões é de 28-32 ℃ e para filhotes é 33-35 ℃. O aquecimento tradicional da criação usa principalmente fogões de carvão e fogões de ar quente, que não apenas têm grandes flutuações de temperatura (os erros podem atingir ± 5 ℃), mas também produzem facilmente poluentes, como monóxido de carbono e poeira, aumentando o risco de doenças respiratórias em gado e aves. The application of PVT systems in the aquaculture scenario, through the design of "centralized heating + zonal temperature control", can precisely adjust the heating intensity according to the temperature requirements of different aquaculture areas (breeding rooms, brooding rooms, fattening rooms), and at the same time utilize the power generation function to supply power to temperature control sensors, ventilation fans, and manure treatment equipment, creating a "constant temperature, clean, and intelligent" Ambiente de aquicultura. Os dados de uma fazenda de porcos em larga escala em Shandong mostram que, após a introdução do sistema de aquecimento PVT, a taxa de sobrevivência de leitões aumentou de 90% para 98%, o período comercializável do porco engordado foi reduzido em 7 dias e o consumo anual de carvão foi reduzido em 150 toneladas. A concentração de poeira na oficina de criação diminuiu 60%e a incidência de doenças caiu 35%. Isso não apenas reduziu o custo de reprodução, mas também melhorou a qualidade dos produtos de gado e aves, fornecendo suporte técnico para a criação verde. No cenário central do plantio de estufa, a aplicação da tecnologia PVT demonstrou as vantagens de "personalização, precisão e eficácia a longo prazo". De acordo com os requisitos de ciclo de crescimento e temperatura de diferentes culturas (vegetais, frutas, flores), uma solução de aquecimento madura foi formada. O ponto principal do plantio de estufa está nas diferenças significativas nos requisitos de temperatura para diferentes culturas e diferentes estágios de crescimento-por exemplo, a temperatura adequada para mudas de tomate é de 20 a 25 ℃ e precisa ser aumentada para 25-28 ℃ durante o período de frutificação; A temperatura adequada para Phalaenopsis durante o período de crescimento é de 18 a 25 ℃ e precisa ser estabilizada em 20-22 ℃ durante o período de floração. Os sistemas de aquecimento tradicionais são difíceis de obter controle preciso "zonal e baseado no tempo", e os custos operacionais são altos, especialmente em regiões frias de inverno, onde o custo de aquecimento das estufas podem representar 30% a 50% do custo total de plantio. O sistema de aquecimento de estufa em PVT, através do design "Fonte de alimentação fotovoltaica + aquecimento de calor residual + design de três em one de pico de armazenamento de energia", resolve perfeitamente esse problema. Em primeiro lugar, o sistema converte energia solar em eletricidade através de componentes de PVT instalados no telhado, priorizando a demanda de energia em tempo real de equipamentos de estufa, como iluminação, máquinas de integração de água e fertilizantes e ventiladores de circulação. A eletricidade restante é armazenada em baterias para uso à noite ou em dias nublados, alcançando "auto-geração e auto-uso, com excesso de eletricidade armazenada", reduzindo o consumo de eletricidade comprada. Em segundo lugar, o calor residual gerado pelos componentes da PVT é transportado para os dissipadores de calor, tubos enterrados ou unidades de bobina de ventilador dentro da estufa através de um sistema de circulação de água, fornecendo uma fonte de calor estável para a estufa. Ao mesmo tempo, os sensores de temperatura monitoram a temperatura interna da estufa em tempo real. Quando a temperatura excede o valor definido, o sistema reduz automaticamente a intensidade do aquecimento e armazena o excesso de calor no tanque de água de isolamento. Quando a temperatura é menor que o valor definido, o sistema libera automaticamente o calor armazenado para garantir que a flutuação da temperatura na estufa seja controlada em ± 1 ℃, correspondendo precisamente aos requisitos de crescimento das culturas. Finalmente, para resolver o problema do suprimento insuficiente de luz e calor no inverno, o sistema pode estar ligado a uma pequena quantidade de equipamento de aquecimento auxiliar de gás (ativado apenas em clima extremamente frio), formando um "aquecimento de PVT como o aquecimento auxiliar principal como o modo de suplemento", minimizando o consumo de energia. Tomando uma base inteligente de plantio de morango de estufa em Jiangsu como exemplo, a base construiu uma área total de 5.000 metros quadrados de sistema de aquecimento de estufa em PVT em 2022, alcançando um ciclo autônomo de "geração de energia + aquecimento" através da instalação de 2.000 metros quadrados de componentes de PVT no telhado. Os dados mostram que a geração média diária de energia do sistema no inverno pode atingir 800 kWh, atendendo totalmente à demanda de energia dos equipamentos de efeito estufa, e a eletricidade restante pode ser armazenada em baterias de armazenamento de energia para uso à noite para aquecimento. O suprimento médio diário de calor pode atingir 12.000 MJ, estabilizando a temperatura da estufa de 22 a 25 ℃, atendendo totalmente aos requisitos de temperatura do período de frutificação de morango. Comparado ao aquecimento tradicional de gás, a base reduz o consumo de gás em 2.000 metros cúbicos por ano, reduz os custos de aquecimento em 45%, aumenta o rendimento médio por MU de morangos em 18%e melhora a doçura de frutas em 1,5 pontos percentuais. Também reduz as emissões de carbono em aproximadamente 1,8 toneladas por ano, alcançando a unificação de "benefícios econômicos, benefícios ambientais e benefícios sociais". Além disso, a aplicação da tecnologia de PVT no aquecimento de estufa também tem as vantagens