Investigación sobre la aplicación de la tecnología PVT en la calefacción agrícola y de invernaderos: Impulsando la tecnología para construir una "línea de defensa térmica" para la agricultura moderna.

Investigación sobre la aplicación de la tecnología PVT en la calefacción agrícola y de invernaderos: Impulsando la tecnología para construir una "línea de defensa térmica" para la agricultura moderna.

En el proceso de desarrollo de la agricultura moderna, la temperatura es uno de los factores clave que afectan el crecimiento, el rendimiento y la calidad de los cultivos, especialmente en el modelo de plantación en invernadero, que exige mayores requisitos de estabilidad, eficiencia energética y respeto al medio ambiente del sistema de calefacción. La calefacción tradicional en invernaderos se basa principalmente en calderas de carbón, gas o equipos de calefacción eléctrica, que no solo presentan problemas de alto consumo energético, altos costos operativos y altas emisiones de carbono, sino que también son vulnerables a las fluctuaciones en el suministro energético y dificultan la adaptación precisa a los requisitos de temperatura de las diferentes etapas de crecimiento de los cultivos. En este contexto, la tecnología integrada fotovoltaica-térmica (PVT), con su singular función dual de "generación de energía + calefacción", se ha convertido gradualmente en una tecnología clave para resolver los problemas de la calefacción agrícola y de invernaderos, impulsando la transformación ecológica y el desarrollo eficiente de la agricultura moderna.

El principio básico de la tecnología PVT es integrar una capa absorbente, canales de medio de transferencia de calor y una capa de aislamiento sobre la base de componentes tradicionales de generación de energía fotovoltaica, logrando un modo de utilización altamente eficiente de "una entrada de energía solar, salida simultánea de electricidad y calor" - los componentes fotovoltaicos convierten la energía solar en electricidad para satisfacer las necesidades de suministro de energía de los equipos de iluminación, ventilación y riego de agua y fertilizantes en el invernadero; la capa absorbente absorbe el calor residual generado durante el proceso de generación de energía de los componentes fotovoltaicos (alrededor del 60%-70% de la energía solar se convierte en energía térmica y se desperdicia en los componentes fotovoltaicos tradicionales), y transfiere el calor al sistema de calefacción del invernadero a través de medios de transferencia de calor como agua y aire, proporcionando una fuente de calor estable para el crecimiento de los cultivos. En comparación con la "aplicación separada" de la calefacción tradicional y los sistemas fotovoltaicos independientes, la tasa de utilización integral de energía de la tecnología PVT aumenta en más del 30%, no solo resolviendo el problema de la disminución de la eficiencia de generación de energía de los componentes fotovoltaicos debido a la alta temperatura, sino también evitando las deficiencias del alto consumo de energía y la alta contaminación de la calefacción tradicional, coincidiendo perfectamente con el concepto de desarrollo de la agricultura moderna de "conservación de energía, protección del medio ambiente y eficiencia".

La aplicación de la tecnología PVT en la agricultura no se limita a los escenarios de invernadero, sino que también se extiende a múltiples enlaces, como el aislamiento en la plantación de campo a gran escala, la calefacción en la cría de ganado y aves de corral, y la preservación de los productos agrícolas en almacenamiento, proporcionando protección de procesamiento completo para la producción agrícola de la producción agrícola desde "plantación final" hasta "final de almacenamiento". En la plantación de campo a gran escala, la baja temperatura en invierno y el resfriado en la primavera en las regiones del norte son los principales problemas que restringen la tasa de emergencia y la resistencia al estrés de los cultivos como el trigo y el maíz. Las medidas tradicionales de protección en frío se basan principalmente en cubrir películas de plástico y rociar agentes anti-congelación, que tienen efectos limitados y son difíciles de promover a gran escala. Sin embargo, el sistema PVT puede proporcionar calor continuo a las tuberías de calefacción enterradas en el campo a través del modo combinado de "suministro de calor con electricidad + calor", estabilizando la temperatura del suelo a 10-15 ℃, que es adecuada para la germinación de cultivos. Al mismo tiempo, utiliza la función de generación de energía para suministrar energía a los sensores de humedad del suelo y los equipos de riego automático, logrando la integración de "regulación de temperatura + gestión precisa". 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 achieving Los triples beneficios del "aumento de la producción, la conservación de la energía y la reducción del carbono".

En el campo de la cría de ganado y aves de corral, la temperatura estable afecta directamente la tasa de supervivencia, la tasa de crecimiento y la resistencia a las enfermedades del ganado y las aves de corral: la temperatura de crecimiento adecuada para lechones es de 28-32 ℃, y para los pollitos es 33-35 ℃. El calentamiento de la reproducción tradicional utiliza principalmente estufas de carbón y estufas de aire caliente, que no solo tienen grandes fluctuaciones de temperatura (los errores pueden alcanzar ± 5 ℃), sino que también producen fácilmente contaminantes como el monóxido de carbono y el polvo, lo que aumenta el riesgo de enfermedades respiratorias en la ganadería y la Poultry. 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 entorno de acuicultura inteligente ". Los datos de una granja de cerdos a gran escala en Shandong muestran que después de introducir el sistema de calentamiento PVT, la tasa de supervivencia de los lechones aumentó del 90% al 98%, el período comercializable del cerdo engordado se acortó en 7 días, y el consumo anual de carbón se redujo en 150 toneladas. La concentración de polvo en el taller de reproducción disminuyó en un 60%, y la incidencia de enfermedades disminuyó en un 35%. Esto no solo redujo el costo de reproducción, sino que también mejoró la calidad del ganado y los productos avícolas, proporcionando soporte técnico para la reproducción verde. En el escenario central de la siembra de invernadero, la aplicación de la tecnología PVT ha demostrado las ventajas de "personalización, precisión y efectividad a largo plazo". Según el ciclo de crecimiento y los requisitos de temperatura de diferentes cultivos (verduras, frutas, flores), se ha formado una solución de calentamiento madura. El punto de dolor central de la siembra de invernadero radica en las diferencias significativas en los requisitos de temperatura para diferentes cultivos y diferentes etapas de crecimiento, por ejemplo, la temperatura adecuada para las plántulas de tomate es de 20-25 ℃, y debe elevarse a 25-28 ℃ durante el período de fructificación; La temperatura adecuada para Phalaenopsis durante el período de crecimiento es de 18-25 ℃, y debe estabilizarse a 20-22 ℃ durante el período de floración. Los sistemas de calefacción tradicionales son difíciles de lograr un control preciso "zonal y basado en el tiempo", y los costos operativos son altos, especialmente en las regiones frías de invierno, donde el costo de calefacción de los invernaderos puede representar el 30% -50% del costo total de siembra. El sistema de calefacción de invernadero PVT, a través del diseño de tres en uno "Fuente de alimentación fotovoltaica + calefacción de calor de residuos + afeitado pico de almacenamiento de energía", resuelve perfectamente este problema. En primer lugar, el sistema convierte la energía solar en electricidad a través de componentes PVT instalados en el techo, priorizando la demanda de energía en tiempo real de equipos de invernadero, como iluminación, agua y máquinas de integración de fertilizantes, y ventiladores de circulación. La electricidad restante se almacena en baterías para su uso por la noche o en días nublados, logrando "autogeneración y uso autoalimentado, con exceso de electricidad almacenada", reduciendo el consumo de electricidad comprada. En segundo lugar, el calor de los residuos generado por los componentes PVT se transporta a los disipadores de calor, tuberías enterradas o unidades de bobina de ventilador dentro del invernadero a través de un sistema de circulación de agua, proporcionando una fuente de calor estable para el invernadero. Al mismo tiempo, los sensores de temperatura monitorean la temperatura interna del invernadero en tiempo real. Cuando la temperatura excede el valor establecido, el sistema reduce automáticamente la intensidad de calentamiento y almacena el exceso de calor en el tanque de agua de aislamiento. Cuando la temperatura es más baja que el valor establecido, el sistema libera automáticamente el calor almacenado para garantizar que la fluctuación de temperatura en el invernadero se controle dentro de ± 1 ℃, que coincide con precisión los requisitos de crecimiento de los cultivos. Finalmente, para abordar el problema del suministro insuficiente de luz y calor en invierno, el sistema se puede vincular con una pequeña cantidad de equipo de calefacción de gas auxiliar (solo activado en clima extremadamente frío), formando una "calefacción PVT como la calefacción principal y auxiliar como el modo de suplemento", minimizando el consumo de energía. Tomando una base de plantación de fresas de invernadero inteligente en Jiangsu como ejemplo, la base construyó un área total de 5,000 metros cuadrados de sistema de calefacción de invernadero PVT en 2022, logrando un ciclo autónomo de "generación de energía + calefacción" a través de la instalación de 2,000 metros cuadrados de componentes PVT en el techo. Los datos muestran que la generación de energía diaria promedio del sistema en invierno puede alcanzar 800 kWh, satisfaciendo completamente la demanda de energía de los equipos de invernadero, y la electricidad restante se puede almacenar en baterías de almacenamiento de energía para su uso por la noche para calentar. El suministro de calor diario promedio puede alcanzar 12,000 MJ, estabilizando la temperatura del invernadero a 22-25 ℃, cumpliendo completamente los requisitos de temperatura del período de fructificación de fresa. En comparación con el calentamiento de gas tradicional, la base reduce el consumo de gas en 2,000 metros cúbicos por año, reduce los costos de calentamiento en un 45%, aumenta el rendimiento promedio por MU de las fresas en un 18%y mejora la dulzura de la fruta en 1,5 puntos porcentuales. También reduce las emisiones de carbono en aproximadamente 1,8 toneladas por año, logrando la unificación de "beneficios económicos, beneficios ambientales y beneficios sociales". Además, la aplicación de la tecnología PVT en la calefacción de invernadero también tiene las ventajas