Li Jianming, Sun Guotao, etc.Tecnología de ingeniería agrícola hortícola de invernadero21/11/2022 17:42 Publicado en Pekín

En los últimos años, la industria de los invernaderos ha experimentado un vigoroso desarrollo. Su desarrollo no solo mejora la utilización del suelo y la producción agrícola, sino que también resuelve el problema del suministro de frutas y verduras fuera de temporada. Sin embargo, los invernaderos también se han enfrentado a desafíos sin precedentes. Las instalaciones, los métodos de calefacción y las formas estructurales originales han generado resistencia al medio ambiente y al desarrollo. Se necesitan urgentemente nuevos materiales y diseños para transformar la estructura de los invernaderos, así como nuevas fuentes de energía para lograr los objetivos de ahorro energético y protección ambiental, e incrementar la producción y los ingresos.

Este artículo analiza el tema de “nueva energía, nuevos materiales, nuevo diseño para ayudar a la nueva revolución de los invernaderos”, incluida la investigación e innovación de la energía solar, la energía de biomasa, la energía geotérmica y otras nuevas fuentes de energía en los invernaderos, la investigación y aplicación de nuevos materiales para cubiertas, aislamiento térmico, paredes y otros equipos, y la perspectiva futura y el pensamiento de nueva energía, nuevos materiales y nuevo diseño para ayudar a la reforma de los invernaderos, a fin de proporcionar una referencia para la industria.

El desarrollo de la agricultura de instalaciones es una exigencia política y una decisión inevitable para implementar las importantes instrucciones y la toma de decisiones del gobierno central. En 2020, la superficie total de agricultura protegida en China alcanzará los 2,8 millones de hectáreas (hm²), con un valor de producción superior al billón de yuanes. Es fundamental mejorar la capacidad de producción de invernaderos para optimizar la iluminación y el aislamiento térmico mediante nuevas energías, nuevos materiales y un nuevo diseño. La producción tradicional en invernaderos presenta numerosas desventajas, como el uso de carbón, fueloil y otras fuentes de energía para la calefacción, lo que genera una gran cantidad de dióxido de carbono, contaminando gravemente el medio ambiente. Por otro lado, el gas natural, la energía eléctrica y otras fuentes de energía aumentan los costos operativos. Los materiales tradicionales de almacenamiento de calor para las paredes de los invernaderos son principalmente arcilla y ladrillos, que consumen mucho y dañan gravemente los recursos del suelo. La eficiencia del uso del suelo de los invernaderos solares tradicionales con paredes de tierra es de solo entre el 40% y el 50%, y los invernaderos comunes tienen una capacidad de almacenamiento de calor deficiente, por lo que no pueden sobrevivir el invierno para producir hortalizas calientes en el norte de China. Por lo tanto, la clave para promover la transformación de los invernaderos, o la investigación básica, reside en el diseño de invernaderos, la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y nuevas energías. Este artículo se centrará en la investigación e innovación de nuevas fuentes de energía en invernaderos, resumirá el estado de la investigación en nuevas fuentes de energía como la energía solar, la energía de biomasa, la energía geotérmica, la energía eólica y nuevos materiales de recubrimiento transparentes, materiales de aislamiento térmico y materiales de pared para invernaderos. Analizará la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales en la construcción de nuevos invernaderos y analizará su papel en el futuro desarrollo y transformación de los invernaderos.

Investigación e Innovación de Nuevas Energías de Efecto Invernadero

La nueva energía verde con el mayor potencial de utilización agrícola incluye la energía solar, la energía geotérmica y la energía de la biomasa, o la utilización integral de una variedad de nuevas fuentes de energía, a fin de lograr un uso eficiente de la energía aprendiendo de los puntos fuertes de cada uno.

energía/energía solar

La tecnología de energía solar es un modo de suministro energético bajo en carbono, eficiente y sostenible, y un componente importante de las industrias emergentes estratégicas de China. Se convertirá en una opción ineludible para la transformación y modernización de la estructura energética de China en el futuro. Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, el invernadero en sí mismo es una estructura para el aprovechamiento de la energía solar. Mediante el efecto invernadero, la energía solar se acumula en el interior, se eleva la temperatura del invernadero y se proporciona el calor necesario para el crecimiento de los cultivos. La principal fuente de energía para la fotosíntesis de las plantas de invernadero es la luz solar directa, que es el aprovechamiento directo de la energía solar.

01 Generación de energía fotovoltaica para generar calor

La generación de energía fotovoltaica es una tecnología que convierte directamente la energía lumínica en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. El elemento clave de esta tecnología es la célula solar. Cuando la energía solar incide sobre un conjunto de paneles solares en serie o en paralelo, los componentes semiconductores convierten directamente la radiación solar en energía eléctrica. La tecnología fotovoltaica puede convertir directamente la energía lumínica en energía eléctrica, almacenar electricidad mediante baterías y calentar el invernadero por la noche, pero su elevado coste limita su desarrollo. El grupo de investigación desarrolló un dispositivo de calentamiento fotovoltaico de grafeno, compuesto por paneles fotovoltaicos flexibles, una máquina de control inverso integral, una batería de almacenamiento y una varilla de calentamiento de grafeno. Según la longitud de la línea de plantación, la varilla de calentamiento de grafeno se entierra bajo la bolsa de sustrato. Durante el día, los paneles fotovoltaicos absorben la radiación solar para generar electricidad y la almacenan en la batería de almacenamiento, que luego se libera por la noche para la varilla de calentamiento de grafeno. En la medición real, se adopta el modo de control de temperatura que inicia a 17 °C y cierra a 19 °C. Con un funcionamiento nocturno (de 20:00 a 8:00 del segundo día) durante 8 horas, el consumo de energía para calentar una sola hilera de plantas es de 1,24 kWh, y la temperatura promedio de la bolsa de sustrato durante la noche es de 19,2 °C, entre 3,5 y 5,3 °C más alta que la del grupo de control. Este método de calentamiento, combinado con la generación de energía fotovoltaica, soluciona los problemas de alto consumo energético y alta contaminación en la calefacción de invernaderos en invierno.

02 Conversión y utilización fototérmica

La conversión solar fototérmica se refiere al uso de una superficie especial de captación de luz solar, fabricada con materiales de conversión fototérmica, para captar y absorber la mayor cantidad posible de energía solar radiada y convertirla en energía térmica. En comparación con las aplicaciones solares fotovoltaicas, las aplicaciones solares fototérmicas aumentan la absorción en el infrarrojo cercano, lo que las convierte en la forma más utilizada de aprovechar la energía solar, con un menor coste y una tecnología avanzada.

La tecnología más desarrollada para la conversión y utilización de energía fototérmica en China es el colector solar, cuyo componente principal es el núcleo de placa absorbente de calor con revestimiento de absorción selectiva, que convierte la energía de la radiación solar que atraviesa la placa de cubierta en energía térmica y la transmite al fluido de trabajo que la absorbe. Los colectores solares se dividen en dos categorías, según si presentan vacío: colectores solares planos y colectores solares de tubo de vacío; colectores solares de concentración y colectores solares no concentradores, según si la radiación solar en el puerto de luz natural cambia de dirección; y colectores solares líquidos y colectores solares de aire, según el tipo de fluido de trabajo que transfiere el calor.

El aprovechamiento de la energía solar en invernaderos se realiza principalmente mediante diversos tipos de colectores solares. La Universidad Ibn Zor de Marruecos ha desarrollado un sistema activo de calefacción solar (ASHS) para invernaderos, que puede aumentar la producción total de tomates en un 55 % en invierno. La Universidad Agrícola de China ha diseñado y desarrollado un sistema de recolección y descarga de calor con enfriador de superficie y ventilador, con una capacidad de recolección de calor de 390,6 a 693,0 MJ, y ha propuesto la idea de separar el proceso de recolección de calor del proceso de almacenamiento mediante una bomba de calor. La Universidad de Bari de Italia ha desarrollado un sistema de calefacción de poligeneración para invernaderos, que consta de un sistema de energía solar y una bomba de calor aire-agua, y puede aumentar la temperatura del aire en un 3,6 % y la temperatura del suelo en un 92 %. El grupo de investigación ha desarrollado un tipo de equipo activo de recolección de calor solar con ángulo de inclinación variable para invernaderos solares, y un dispositivo de almacenamiento de calor de apoyo para la masa de agua del invernadero en cualquier clima. La tecnología de captación solar activa con inclinación variable supera las limitaciones de los sistemas tradicionales de captación de calor en invernaderos, como la capacidad limitada, el sombreado y la ocupación de terrenos cultivados. Gracias a su estructura especial, se aprovecha al máximo el espacio no destinado a la siembra, lo que mejora considerablemente la eficiencia de uso del espacio. En condiciones típicas de sol, el sistema de captación solar activa con inclinación variable alcanza 1,9 MJ/(m²h), con una eficiencia energética del 85,1 % y un ahorro energético del 77 %. En la tecnología de almacenamiento de calor en invernaderos, se utiliza una estructura de almacenamiento de calor de cambio multifásico, se aumenta la capacidad del dispositivo y se consigue una liberación lenta del calor, lo que permite un uso eficiente del calor captado por el sistema de captación solar.

energía de biomasa

Se construye una nueva estructura de instalación combinando el dispositivo de producción de calor de biomasa con el invernadero. Las materias primas de biomasa, como el estiércol de cerdo, los residuos de hongos y la paja, se compostan para generar calor, y la energía térmica generada se suministra directamente al invernadero [5]. En comparación con el invernadero sin tanque de calentamiento de fermentación de biomasa, el invernadero de calentamiento puede aumentar eficazmente la temperatura del suelo en el invernadero y mantener la temperatura adecuada de las raíces de los cultivos cultivados en el suelo en el clima normal en invierno. Tomando como ejemplo un invernadero de aislamiento térmico asimétrico de una sola capa con una luz de 17 m y una longitud de 30 m, agregar 8 m de desechos agrícolas (paja de tomate y estiércol de cerdo mezclados) al tanque de fermentación interior para la fermentación natural sin voltear la pila puede aumentar la temperatura diaria promedio del invernadero en 4,2 ℃ en invierno, y la temperatura mínima diaria promedio puede alcanzar los 4,6 ℃.

El aprovechamiento energético de la fermentación controlada de biomasa es un método que utiliza instrumentos y equipos para controlar el proceso de fermentación y obtener de forma rápida y eficiente la energía térmica de la biomasa y el fertilizante de CO2. La ventilación y la humedad son factores clave para regular la producción de calor y gas de la biomasa. En condiciones de ventilación, los microorganismos aeróbicos en la pila de fermentación utilizan el oxígeno para sus actividades vitales, y parte de la energía generada se utiliza para sus propias actividades vitales, mientras que otra parte se libera al ambiente en forma de energía térmica, lo que favorece el aumento de la temperatura. El agua participa en todo el proceso de fermentación, proporcionando los nutrientes solubles necesarios para la actividad microbiana y, al mismo tiempo, liberando el calor de la pila en forma de vapor, lo que reduce su temperatura, prolonga la vida de los microorganismos y aumenta su temperatura global. La instalación de un dispositivo de lixiviación de paja en el tanque de fermentación puede aumentar la temperatura interior entre 3 y 5 °C en invierno, potenciar la fotosíntesis de las plantas y aumentar la producción de tomates en un 29,6 %.

Energía geotérmica

China es rica en recursos geotérmicos. Actualmente, la forma más común en que las instalaciones agrícolas utilizan la energía geotérmica es mediante bombas de calor geotérmicas, que permiten transferir energía térmica de baja a alta calidad mediante el aporte de una pequeña cantidad de energía de alta calidad (como la energía eléctrica). A diferencia de las medidas tradicionales de calefacción de invernaderos, la calefacción mediante bombas de calor geotérmicas no solo logra un efecto de calentamiento significativo, sino que también permite enfriar y reducir la humedad del invernadero. La investigación sobre las aplicaciones de las bombas de calor geotérmicas en la construcción de viviendas está consolidada. El componente principal que afecta la capacidad de calefacción y refrigeración de las bombas de calor geotérmicas es el módulo de intercambio de calor subterráneo, que incluye principalmente tuberías enterradas, pozos subterráneos, etc. El diseño de un sistema de intercambio de calor subterráneo con un coste y una eficacia equilibrados ha sido siempre el foco de investigación de este componente. Al mismo tiempo, el cambio de temperatura de la capa subterránea del suelo durante la aplicación de las bombas de calor geotérmicas también afecta el efecto de uso del sistema. El uso de la bomba de calor de fuente terrestre para enfriar el invernadero en verano y almacenar la energía térmica en la capa profunda del suelo puede aliviar la caída de temperatura de la capa subterránea del suelo y mejorar la eficiencia de producción de calor de la bomba de calor de fuente terrestre en invierno.

En la actualidad, en la investigación del rendimiento y la eficiencia de la bomba de calor geotérmica, a través de datos experimentales reales, se establece un modelo numérico con software como TOUGH2 y TRNSYS, y se concluye que el rendimiento de calefacción y el coeficiente de rendimiento (COP) de la bomba de calor geotérmica pueden alcanzar 3.0 ~ 4.5, lo que tiene un buen efecto de refrigeración y calefacción. En la investigación de la estrategia de operación del sistema de bomba de calor, Fu Yunzhun y otros encontraron que, en comparación con el flujo del lado de carga, el flujo del lado de la fuente geotérmica tiene un mayor impacto en el rendimiento de la unidad y el rendimiento de transferencia de calor de la tubería enterrada. Bajo la condición de ajuste de flujo, el valor máximo de COP de la unidad puede alcanzar 4.17 adoptando el esquema de operación de funcionamiento durante 2 horas y parada durante 2 horas; Shi Huixian et. adoptaron un modo de funcionamiento intermitente del sistema de refrigeración de almacenamiento de agua. En verano, cuando la temperatura es alta, el COP de todo el sistema de suministro de energía puede alcanzar 3.80.

Tecnología de almacenamiento de calor en suelo profundo en invernaderos

El almacenamiento de calor en suelo profundo en invernaderos también se denomina "banco de almacenamiento de calor". Los daños causados ​​por el frío en invierno y las altas temperaturas en verano son los principales obstáculos para la producción en invernaderos. Basándose en la gran capacidad de almacenamiento de calor del suelo profundo, el grupo de investigación diseñó un dispositivo de almacenamiento de calor subterráneo para invernaderos. El dispositivo consiste en una tubería de transferencia de calor paralela de doble capa enterrada a una profundidad de 1,5 a 2,5 m en el invernadero, con una entrada de aire en la parte superior y una salida de aire en el suelo. Cuando la temperatura en el invernadero es alta, un ventilador bombea el aire interior al suelo para almacenar calor y reducir la temperatura. Cuando la temperatura del invernadero es baja, se extrae calor del suelo para calentarlo. Los resultados de producción y aplicación muestran que el dispositivo puede aumentar la temperatura del invernadero en 2,3 °C en la noche de invierno, reducir la temperatura interior en 2,6 °C en el día de verano y aumentar la producción de tomates en 1500 kg en 667 m².²El dispositivo aprovecha al máximo las características de "calor en invierno y fresco en verano" y la "temperatura constante" del suelo profundo, proporciona un "banco de acceso energético" para el invernadero y completa continuamente las funciones auxiliares de refrigeración y calefacción.

Coordinación multienergética

El uso de dos o más tipos de energía para calentar el invernadero puede compensar eficazmente las desventajas de un solo tipo de energía y aprovechar el efecto de superposición de "uno más uno es mayor que dos". La cooperación complementaria entre la energía geotérmica y la energía solar ha sido un foco de investigación en el uso de nuevas energías en la producción agrícola en los últimos años. Emmi et. estudió un sistema de energía multifuente (Figura 1), equipado con un colector solar híbrido fotovoltaico-térmico. En comparación con el sistema común de bomba de calor aire-agua, la eficiencia energética del sistema de energía multifuente mejora entre un 16% y un 25%. Zheng et. desarrolló un nuevo tipo de sistema acoplado de almacenamiento de calor de energía solar y bomba de calor geotérmica. El sistema de colector solar puede lograr un almacenamiento estacional de calefacción de alta calidad, es decir, calefacción de alta calidad en invierno y refrigeración de alta calidad en verano. El intercambiador de calor de tubo enterrado y el tanque de almacenamiento de calor intermitente pueden funcionar bien en el sistema, y ​​el valor COP del sistema puede alcanzar 6,96.

En combinación con la energía solar, busca reducir el consumo de energía comercial y mejorar la estabilidad del suministro de energía solar en invernaderos. Wan Ya et al. presentaron un nuevo esquema de tecnología de control inteligente que combina la generación de energía solar con la energía comercial para la calefacción de invernaderos. Este esquema permite aprovechar la energía fotovoltaica en condiciones de luz natural y convertirla en energía comercial en ausencia de ella, reduciendo considerablemente la tasa de escasez de energía y el costo económico sin usar baterías.

La energía solar, la energía de biomasa y la energía eléctrica pueden calentar invernaderos conjuntamente, logrando una alta eficiencia térmica. Zhang Liangrui y otros combinaron la captación de calor mediante tubos de vacío solares con un tanque de almacenamiento de agua para la generación de calor en el valle. El sistema de calefacción del invernadero ofrece un buen confort térmico, con una eficiencia media del 68,70 %. El tanque de almacenamiento de agua para la generación de calor eléctrico es un dispositivo de almacenamiento de agua para la calefacción de biomasa con calefacción eléctrica. Se establece la temperatura mínima de entrada de agua en el extremo de calentamiento, y la estrategia de funcionamiento del sistema se determina en función de la temperatura de almacenamiento de agua de la parte de captación de calor solar y la parte de almacenamiento de calor de biomasa, para lograr una temperatura de calentamiento estable en el extremo de calentamiento y maximizar el ahorro de energía eléctrica y materiales de biomasa.

Investigación y aplicación innovadoras de nuevos materiales para invernaderos

Con la expansión de la superficie de los invernaderos, se revelan cada vez más las desventajas de los materiales tradicionales, como el ladrillo y la tierra. Por lo tanto, para mejorar aún más el rendimiento térmico de los invernaderos y satisfacer las necesidades de desarrollo de los invernaderos modernos, se están investigando y aplicando nuevos materiales transparentes para cubiertas, aislamientos térmicos y paredes.

Investigación y aplicación de nuevos materiales de recubrimiento transparentes

Los materiales de recubrimiento transparentes para invernaderos incluyen principalmente películas de plástico, vidrio, paneles solares y paneles fotovoltaicos, entre los cuales la película de plástico es la que tiene mayor aplicación. La película de PE tradicional para invernaderos presenta las desventajas de su corta vida útil, su resistencia a la degradación y su función limitada. Actualmente, se han desarrollado diversas películas funcionales nuevas mediante la adición de reactivos o recubrimientos funcionales.

Película de conversión de luz:La película de conversión de luz modifica sus propiedades ópticas mediante el uso de agentes de conversión de luz, como tierras raras y nanomateriales, y puede convertir la región de luz ultravioleta en luz rojo-naranja y azul-violeta, necesarias para la fotosíntesis de las plantas. Esto aumenta el rendimiento de los cultivos y reduce el daño de la luz ultravioleta a los cultivos y a las películas de invernadero en invernaderos de plástico. Por ejemplo, la película de invernadero de banda ancha de púrpura a rojo con agente de conversión de luz VTR-660 puede mejorar significativamente la transmitancia infrarroja al aplicarse en invernaderos. En comparación con el invernadero de control, el rendimiento de tomate por hectárea, el contenido de vitamina C y licopeno aumentan significativamente en un 25,71 %, 11,11 % y 33,04 %, respectivamente. Sin embargo, aún se deben estudiar la vida útil, la degradabilidad y el costo de la nueva película de conversión de luz.

Vidrio esparcidoEl vidrio disperso en invernaderos consiste en un patrón especial y tecnología antirreflejo en su superficie, que maximiza la luz solar en luz dispersa y la introduce en el invernadero, mejorando la eficiencia fotosintética de los cultivos y aumentando su rendimiento. El vidrio disperso transforma la luz que entra en el invernadero en luz dispersa mediante patrones especiales, lo que permite una irradiación más uniforme, eliminando así la sombra que proyecta el esqueleto. En comparación con el vidrio flotado convencional y el vidrio flotado ultrablanco, su transmitancia de luz es del 91,5%, mientras que la del vidrio flotado convencional es del 88%. Por cada 1% de aumento en la transmitancia de luz dentro del invernadero, se puede aumentar el rendimiento en aproximadamente un 3%, así como el azúcar soluble y la vitamina C en frutas y verduras. El vidrio disperso en invernaderos se recubre primero y luego se templa, y su tasa de autoexplosión es superior a la norma nacional, alcanzando el 2%.

Investigación y aplicación de nuevos materiales de aislamiento térmico

Los materiales tradicionales de aislamiento térmico en invernaderos incluyen principalmente esteras de paja, colchas de papel, colchas de fieltro punzonado, etc., que se utilizan principalmente para el aislamiento térmico interno y externo de techos, paredes y dispositivos de almacenamiento y captación de calor. La mayoría de estos materiales presentan el inconveniente de perder su capacidad de aislamiento térmico debido a la humedad interna tras un uso prolongado. Por lo tanto, existen numerosas aplicaciones para nuevos materiales de alto aislamiento térmico, entre las que se centra la investigación en las nuevas colchas de aislamiento térmico y los dispositivos de almacenamiento y captación de calor.

Los nuevos materiales de aislamiento térmico se fabrican generalmente mediante el procesamiento y la combinación de materiales impermeables y resistentes al envejecimiento, como la película tejida y el fieltro recubierto, con materiales de aislamiento térmico esponjosos, como el algodón recubierto en aerosol, la cachemira miscelánea y el algodón perlado. Se probó una colcha de aislamiento térmico de algodón recubierto en aerosol con película tejida en el noreste de China. Se descubrió que la adición de 500 g de algodón recubierto en aerosol era equivalente al rendimiento de aislamiento térmico de una colcha de aislamiento térmico de fieltro negro de 4500 g disponible en el mercado. En las mismas condiciones, el rendimiento de aislamiento térmico de una colcha de algodón recubierto en aerosol de 700 g mejoró en 1~2 ℃ en comparación con la de una colcha de aislamiento térmico de algodón recubierto en aerosol de 500 g. Al mismo tiempo, otros estudios también encontraron que, en comparación con las colchas de aislamiento térmico comúnmente utilizadas en el mercado, el efecto de aislamiento térmico de las colchas de algodón recubierto en aerosol y la cachemira miscelánea es mejor, con índices de aislamiento térmico del 84,0 % y el 83,3 %, respectivamente. Cuando la temperatura exterior más fría es de -24,4 °C, la temperatura interior puede alcanzar los 5,4 y 4,2 °C, respectivamente. En comparación con el aislamiento de manta de paja simple, el nuevo aislamiento compuesto ofrece las ventajas de ligereza, alta tasa de aislamiento, alta impermeabilidad y resistencia al envejecimiento, y puede utilizarse como un nuevo tipo de material aislante de alta eficiencia para invernaderos solares.

Al mismo tiempo, según la investigación de materiales de aislamiento térmico para dispositivos de recolección y almacenamiento de calor de invernaderos, también se encontró que cuando el espesor es el mismo, los materiales de aislamiento térmico compuestos multicapa tienen un mejor rendimiento de aislamiento térmico que los materiales individuales. El equipo del profesor Li Jianming de la Universidad Northwest A&F diseñó y analizó 22 tipos de materiales de aislamiento térmico para dispositivos de almacenamiento de agua de invernadero, como paneles de vacío, aerogel y algodón de caucho, y midió sus propiedades térmicas. Los resultados mostraron que el material de aislamiento compuesto de algodón de caucho-plástico con revestimiento de aislamiento térmico de 80 mm + aerogel + aislamiento térmico de caucho-plástico podría reducir la disipación de calor en 0,367 MJ por unidad de tiempo en comparación con el algodón de caucho-plástico de 80 mm, y su coeficiente de transferencia de calor fue de 0,283 W/(m²·k) cuando el espesor de la combinación de aislamiento fue de 100 mm.

El material de cambio de fase es uno de los puntos calientes en la investigación de materiales de invernadero. La Universidad Northwest A&F ha desarrollado dos tipos de dispositivos de almacenamiento de material de cambio de fase: uno es una caja de almacenamiento hecha de polietileno negro, que tiene un tamaño de 50 cm × 30 cm × 14 cm (largo × alto × grosor) y está llena de materiales de cambio de fase, de modo que puede almacenar calor y liberar calor; En segundo lugar, se ha desarrollado un nuevo tipo de tablero de yeso de cambio de fase. El tablero de yeso de cambio de fase está compuesto de material de cambio de fase, placa de aluminio, placa de aluminio-plástico y aleación de aluminio. El material de cambio de fase está ubicado en la posición más central del tablero de yeso, y su especificación es de 200 mm × 200 mm × 50 mm. Es un sólido en polvo antes y después del cambio de fase, y no hay fenómeno de fusión o flujo. Las cuatro paredes del material de cambio de fase son placa de aluminio y placa de aluminio-plástico, respectivamente. Este dispositivo puede realizar las funciones de almacenar calor principalmente durante el día y liberar calor principalmente por la noche.

Por lo tanto, existen algunos problemas en la aplicación de un solo material de aislamiento térmico, como baja eficiencia de aislamiento térmico, gran pérdida de calor, corto tiempo de almacenamiento de calor, etc. Por lo tanto, el uso de material de aislamiento térmico compuesto como capa de aislamiento térmico y capa de cubierta de aislamiento térmico interior y exterior del dispositivo de almacenamiento de calor puede mejorar efectivamente el rendimiento de aislamiento térmico del invernadero, reducir la pérdida de calor del invernadero y así lograr el efecto de ahorro de energía.

Investigación y aplicación del nuevo muro

Como estructura de cerramiento, el muro es una barrera importante para la protección contra el frío y la conservación del calor del invernadero. Según los materiales y la estructura de los muros, el muro norte del invernadero se puede dividir en tres tipos: el muro de una sola capa, hecho de tierra, ladrillos, etc., y el muro norte de varias capas, hecho de ladrillos de arcilla, bloques de ladrillo, paneles de poliestireno, etc., con almacenamiento de calor interno y aislamiento térmico externo. La mayoría de estos muros requieren mucho tiempo y mano de obra. Por lo tanto, en los últimos años han surgido nuevos tipos de muros, fáciles de construir y de rápido montaje.

La aparición de nuevos tipos de paredes ensambladas promueve el rápido desarrollo de invernaderos ensamblados, incluyendo nuevos tipos de paredes compuestas con materiales de superficie externos impermeables y antienvejecimiento, y materiales como fieltro, algodón perlado, algodón espacial, algodón de fibra de vidrio o algodón reciclado como capas de aislamiento térmico, como las paredes ensambladas flexibles de algodón pulverizado en Xinjiang. Además, otros estudios también han reportado la pared norte de invernadero ensamblado con capa de almacenamiento de calor, como el bloque de mortero de cáscara de trigo relleno de ladrillo en Xinjiang. Bajo el mismo entorno externo, cuando la temperatura exterior mínima es de -20.8 ℃, la temperatura en el invernadero solar con pared compuesta de bloques de mortero de cáscara de trigo es de 7.5 ℃, mientras que la temperatura en el invernadero solar con pared de ladrillo-hormigón es de 3.2 ℃. La época de cosecha del tomate en invernadero de ladrillo puede adelantarse 16 días y el rendimiento de un solo invernadero puede aumentarse en un 18.4%.

El equipo de instalaciones de la Universidad Northwest A&F propuso la idea de diseño de convertir paja, tierra, agua, piedra y materiales de cambio de fase en módulos de aislamiento térmico y almacenamiento de calor desde la perspectiva de la luz y el diseño simplificado de las paredes, lo que impulsó la investigación de aplicaciones de paredes modulares ensambladas. Por ejemplo, en comparación con un invernadero convencional con paredes de ladrillo, la temperatura promedio en el invernadero es 4,0 °C más alta en un día soleado típico. Tres tipos de módulos de cemento inorgánico de cambio de fase, fabricados con material de cambio de fase (PCM) y cemento, han acumulado calor de 74,5, 88,0 y 95,1 MJ/m².³, y liberó calor de 59,8, 67,8 y 84,2 MJ/m³, respectivamente. Cumplen las funciones de "corte de picos" durante el día, "relleno de valles" durante la noche, absorción de calor en verano y liberación de calor en invierno.

Estos nuevos muros se ensamblan in situ, tienen un corto período de construcción y una larga vida útil, lo que facilita la construcción de invernaderos prefabricados ligeros, simplificados y de rápido montaje, y pueden promover considerablemente la reforma estructural de invernaderos. Sin embargo, este tipo de muro presenta algunas deficiencias, como el excelente aislamiento térmico de la pared de algodón con aislamiento térmico proyectado, pero su escasa capacidad de almacenamiento de calor, y el alto costo de uso del material de construcción de cambio de fase. En el futuro, se debe intensificar la investigación sobre las aplicaciones de los muros prefabricados.

Nuevas energías, nuevos materiales y nuevos diseños ayudan a cambiar la estructura del invernadero.

La investigación e innovación en nuevas energías y materiales sienta las bases para la innovación en el diseño de invernaderos. Los invernaderos solares de bajo consumo y los invernaderos de arco son las estructuras de invernadero más grandes en la producción agrícola china y desempeñan un papel importante en ella. Sin embargo, con el desarrollo de la economía social china, las deficiencias de ambos tipos de estructuras se presentan cada vez más. En primer lugar, el espacio de las estructuras es reducido y el grado de mecanización es bajo; en segundo lugar, el invernadero solar de bajo consumo ofrece un buen aislamiento térmico, pero requiere poco uso del suelo, lo que equivale a reemplazar la energía del invernadero con tierra. Los invernaderos de arco convencionales no solo son pequeños, sino que también presentan un aislamiento térmico deficiente. Si bien los invernaderos de varios tramos ofrecen un espacio amplio, presentan un aislamiento térmico deficiente y un alto consumo energético. Por lo tanto, es imperativo investigar y desarrollar estructuras de invernadero adecuadas al nivel socioeconómico actual de China. La investigación y el desarrollo de nuevas energías y nuevos materiales contribuirán a la transformación de las estructuras de invernadero y a la producción de diversos modelos o estructuras de invernadero innovadores.

Investigación innovadora sobre invernaderos de gran tamaño para elaboración de cerveza con control de agua y asimétricos

El invernadero asimétrico de gran envergadura para elaboración de cerveza con control de agua (número de patente: ZL 201220391214.2) se basa en el principio de invernadero solar, modificando la estructura simétrica de los invernaderos de plástico convencionales: aumenta la envergadura sur, aumenta el área de iluminación del tejado sur, reduce la envergadura norte y reduce el área de disipación de calor. Su envergadura es de 18 a 24 m y la altura de la cumbrera de 6 a 7 m. Gracias a la innovación en el diseño, se ha mejorado significativamente la estructura espacial. Al mismo tiempo, se han solucionado los problemas de calor insuficiente en el invernadero en invierno y el aislamiento térmico deficiente de los materiales aislantes térmicos comunes mediante el uso de nuevas tecnologías de materiales aislantes térmicos y de calor para elaboración de cerveza con biomasa. Los resultados de producción e investigación muestran que el invernadero de elaboración de cerveza asimétrico de gran tamaño con control de agua, con una temperatura promedio de 11,7 ℃ en días soleados y 10,8 ℃ en días nublados, puede satisfacer la demanda de crecimiento de cultivos en invierno, y el costo de construcción del invernadero se reduce en un 39,6% y la tasa de utilización de la tierra aumenta en más del 30% en comparación con la del invernadero de pared de ladrillo de poliestireno, que es adecuado para una mayor popularización y aplicación en la cuenca del río Amarillo Huaihe de China.

Invernadero solar ensamblado

El invernadero solar ensamblado toma columnas y esqueleto de techo como estructura portante, y su material de pared es principalmente un recinto de aislamiento térmico, en lugar de soporte y almacenamiento y liberación pasiva de calor. Principalmente: (1) un nuevo tipo de pared ensamblada se forma combinando varios materiales como película revestida o placa de acero de color, bloque de paja, colcha flexible de aislamiento térmico, bloque de mortero, etc. (2) tablero de pared compuesto hecho de tablero de cemento prefabricado-tablero de poliestireno-tablero de cemento; (3) Tipo de montaje ligero y simple de materiales de aislamiento térmico con sistema activo de almacenamiento y liberación de calor y sistema de deshumidificación, como almacenamiento de calor de cubo cuadrado de plástico y almacenamiento de calor de tubería. El uso de diferentes materiales nuevos de aislamiento térmico y materiales de almacenamiento de calor en lugar de la pared de tierra tradicional para construir un invernadero solar tiene un gran espacio y una pequeña ingeniería civil. Los resultados experimentales muestran que la temperatura del invernadero por la noche en invierno es 4,5 ℃ más alta que la del invernadero tradicional de pared de ladrillo, y el espesor de la pared trasera es de 166 mm. En comparación con el invernadero de pared de ladrillo de 600 mm de espesor, la superficie ocupada por la pared se reduce en un 72%, el costo por metro cuadrado es de 334,5 yuanes, 157,2 yuanes menos que el de este último, y el costo de construcción se ha reducido significativamente. Por lo tanto, el invernadero ensamblado ofrece las ventajas de una menor destrucción de tierras cultivadas, ahorro de terreno, rápida construcción y larga vida útil, y constituye una línea clave para la innovación y el desarrollo de los invernaderos solares, tanto en la actualidad como en el futuro.

Invernadero solar deslizante

El invernadero solar de ahorro de energía ensamblado con patineta desarrollado por la Universidad Agrícola de Shenyang utiliza la pared trasera del invernadero solar para formar un sistema de almacenamiento de calor de pared de circulación de agua para almacenar calor y elevar la temperatura, que se compone principalmente de una piscina (32 m³), una placa colectora de luz (360m²), una bomba de agua, una tubería de agua y un controlador. El acolchado flexible de aislamiento térmico se sustituye por una nueva placa de acero ligera de color lana de roca en la parte superior. La investigación demuestra que este diseño soluciona eficazmente el problema del bloqueo de la luz en los frontones y aumenta la zona de entrada de luz del invernadero. El ángulo de iluminación del invernadero es de 41,5°, casi 16° mayor que el del invernadero de control, lo que mejora la tasa de iluminación. La distribución de la temperatura interior es uniforme y las plantas crecen de forma ordenada. El invernadero ofrece las ventajas de mejorar la eficiencia del uso del suelo, diseñar el tamaño del invernadero con flexibilidad y acortar el plazo de construcción, lo cual es fundamental para la protección de los recursos de las tierras de cultivo y el medio ambiente.

invernadero fotovoltaico

El invernadero agrícola integra la generación de energía solar fotovoltaica, el control inteligente de temperatura y la tecnología de plantación avanzada. Adopta una estructura de acero y está cubierto con módulos solares fotovoltaicos para garantizar la iluminación de los módulos y la de todo el invernadero. La corriente continua generada por la energía solar complementa la luz de los invernaderos agrícolas, facilita el funcionamiento de los equipos, impulsa el riego de los recursos hídricos, aumenta la temperatura del invernadero y promueve el rápido crecimiento de los cultivos. De esta manera, los módulos fotovoltaicos afectan la eficiencia de la iluminación del techo del invernadero y, por consiguiente, el crecimiento normal de las hortalizas. Por lo tanto, la disposición racional de los paneles fotovoltaicos en el techo del invernadero se convierte en un punto clave de aplicación. El invernadero agrícola es el resultado de la combinación orgánica de la agricultura turística y la jardinería, y constituye una industria agrícola innovadora que integra la generación de energía fotovoltaica, el turismo agrícola, los cultivos, la tecnología agrícola, el paisaje y el desarrollo cultural.

Diseño innovador de grupo de invernaderos con interacción energética entre diferentes tipos de invernaderos

Guo Wenzhong, investigador de la Academia de Ciencias Agrícolas y Forestales de Beijing, utiliza el método de calentamiento por transferencia de energía entre invernaderos para recolectar la energía térmica restante en uno o más invernaderos y calentar otro o más. Este método de calentamiento realiza la transferencia de energía del invernadero en el tiempo y el espacio, mejora la eficiencia de utilización de la energía térmica restante del invernadero y reduce el consumo total de energía para calefacción. Los dos tipos de invernaderos pueden ser diferentes o el mismo tipo de invernadero para plantar diversos cultivos, como invernaderos de lechuga y tomate. Los métodos de recolección de calor incluyen principalmente la extracción de calor del aire interior y la interceptación directa de la radiación incidente. A través de la recolección de energía solar, la convección forzada por intercambiador de calor y la extracción forzada por bomba de calor, se extrajo el calor excedente en el invernadero de alta energía para calentar el invernadero.

resumir

Estos nuevos invernaderos solares ofrecen ventajas como un montaje rápido, un plazo de construcción más corto y una mejor utilización del terreno. Por lo tanto, es necesario explorar más a fondo su rendimiento en diferentes áreas y ofrecer la posibilidad de su popularización y aplicación a gran escala. Al mismo tiempo, es necesario fortalecer continuamente la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales en los invernaderos para impulsar su reforma estructural.

Perspectiva y pensamiento sobre el futuro

Los invernaderos tradicionales suelen presentar desventajas, como un alto consumo de energía, una baja tasa de utilización del terreno, una gran cantidad de tiempo y mano de obra, y un bajo rendimiento, entre otras, que ya no satisfacen las necesidades de producción de la agricultura moderna, por lo que su eliminación gradual está destinada a ser definitiva. Por lo tanto, es una tendencia en desarrollo el uso de nuevas fuentes de energía como la energía solar, la energía de biomasa, la energía geotérmica y la energía eólica, así como nuevos materiales y diseños para promover la transformación estructural de los invernaderos. En primer lugar, los nuevos invernaderos, impulsados ​​por nuevas energías y nuevos materiales, no solo deben satisfacer las necesidades de operación mecanizada, sino también ahorrar energía, terreno y costos. En segundo lugar, es necesario explorar constantemente el rendimiento de los nuevos invernaderos en diferentes áreas, a fin de propiciar las condiciones para su popularización a gran escala. En el futuro, debemos seguir buscando nuevas energías y nuevos materiales adecuados para la aplicación de invernaderos, y encontrar la mejor combinación de nuevas energías, nuevos materiales e invernaderos, a fin de hacer posible la construcción de un nuevo invernadero con bajo costo, corto período de construcción, bajo consumo de energía y excelente rendimiento, ayudar al cambio de estructura de invernaderos y promover el desarrollo de la modernización de los invernaderos en China.

Si bien la aplicación de nuevas energías, nuevos materiales y nuevos diseños en la construcción de invernaderos es una tendencia inevitable, aún existen numerosos problemas por estudiar y superar: (1) Aumento del costo de construcción. En comparación con la calefacción tradicional con carbón, gas natural o petróleo, la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales es respetuosa con el medio ambiente y no contamina, pero el costo de construcción aumenta significativamente, lo que repercute en la recuperación de la inversión en producción y operación. En comparación con el uso de energía, el costo de los nuevos materiales aumentará significativamente. (2) Uso inestable de la energía térmica. La principal ventaja del uso de nuevas energías es el bajo costo operativo y las bajas emisiones de dióxido de carbono, pero el suministro de energía y calor es inestable, y los días nublados se convierten en el principal factor limitante para el uso de la energía solar. En el proceso de producción de calor de biomasa por fermentación, el uso efectivo de esta energía se ve limitado por los problemas de baja energía térmica de fermentación, la dificultad de gestión y control, y el gran espacio de almacenamiento para el transporte de materias primas. (3) Madurez tecnológica. Estas tecnologías, que utilizan nuevas energías y nuevos materiales, representan avances en investigación y tecnología, y su área y alcance de aplicación aún son bastante limitados. No han pasado muchas veces, muchos sitios y verificación práctica a gran escala, y hay inevitablemente algunas deficiencias y contenidos técnicos que necesitan ser mejorados en la aplicación. Los usuarios a menudo niegan el avance de la tecnología debido a las deficiencias menores. (4) La tasa de penetración de la tecnología es baja. La amplia aplicación de un logro científico y tecnológico requiere una cierta popularidad. En la actualidad, la nueva energía, la nueva tecnología y la nueva tecnología de diseño de invernaderos están todas en el equipo de centros de investigación científica en universidades con cierta capacidad de innovación, y la mayoría de los demandantes técnicos o diseñadores aún lo saben; Al mismo tiempo, la popularización y aplicación de nuevas tecnologías todavía son bastante limitadas porque el equipo central de las nuevas tecnologías está patentado. (5) La integración de nueva energía, nuevos materiales y diseño de estructura de invernadero necesita ser fortalecida aún más. Debido a que la energía, los materiales y el diseño de estructura de invernadero pertenecen a tres disciplinas diferentes, los talentos con experiencia en diseño de invernaderos a menudo carecen de investigación en energía y materiales relacionados con los invernaderos, y viceversa; Por lo tanto, los investigadores en energía y materiales deben profundizar en la investigación y la comprensión de las necesidades reales del desarrollo de la industria de invernaderos. Los diseñadores estructurales también deben estudiar nuevos materiales y nuevas energías para promover la integración profunda de estas tres relaciones, con el fin de lograr el objetivo de una tecnología práctica de investigación en invernaderos, un bajo costo de construcción y un uso eficiente. Con base en estos problemas, se recomienda que los gobiernos estatales, locales y los centros de investigación científica intensifiquen la investigación técnica, realicen investigaciones conjuntas exhaustivas, fortalezcan la difusión de los logros científicos y tecnológicos, mejoren su divulgación y alcancen rápidamente el objetivo de nuevas energías y nuevos materiales para impulsar el desarrollo de la industria de invernaderos.

Información citada

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nuevas energías, nuevos materiales y un nuevo diseño impulsan la nueva revolución de los invernaderos [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.