封闭式鸡舍风能回收系统的搭建及成效分析

胡陈明 ，杨礼，余春林，杜龙环，郑炜超，赖守勋，朱洪强，杨朝武*

（1.四川大恒家禽育种有限公司，四川成都 610066；2.四川省畜牧科学研究院，动物遗传育种四川省重点实验室，四川成都 610066；3.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；4.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；5.四川圣迪乐村生态食品股份有限公司，四川绵阳 622150；6.成都市晟兴牧业机械有限公司，四川成都 611230）

自2010年以来，国家大力提倡畜禽标准化养殖，启动实施畜禽养殖标准化示范创建活动，使我国家禽生产的设施化、规模化及标准化生产水平大幅度提高［1］。但另一方面，当前标准化鸡场的能源浪费较大，节能减排建设缺乏可循经验。有关家禽生产的国际前沿研究正朝着有效利用可再生能源方向发展［2-3］，而在我国相关研究较少，尤其是在养殖舍尾端风能的再回收方面鲜有报道。为回收鸡舍尾端风能，将其转化为可再利用的新能源，本试验结合养鸡舍结构，利用风力发电机平台来回收鸡舍末端风能，并对平台做成本与效益分析，以期为标准化鸡舍养殖业主探索一种节能减排、能源循环的新方式。

1 材料与方法

1.1 试验地点与时间 试验地点在四川大恒家禽育种有限公司。试验时间为2019年6月。试验舍为一栋全封闭式智能化祖代鸡舍，尺寸：40 m×9.2 m×2.5 m。

1.2 试验设备 养殖轴流风机（也称“负压风机”）4台，型号为1400型，额定通风量为43 000 m3/h，额定功率为1.1 kW/台，生产厂家为成都晟兴牧业机械有限公司，安装于鸡舍后端山墙上，用于封闭舍负压通风。水平轴风力发电机（HAWT）4台，总型号为M型，分型号为200 W、300 W、400 W和600 W型，生产厂家为江苏乃尔风电技术开发有限公司。垂直轴风力发电机（VAWT）1台（300 W），型号：300型，生产厂家为拓又达科技集团。其他：逆变器、电缆、电池等。

1.3 试验设备参数 各风力发电机规格参数见表1。

表1 试验用风力发电机参数

1.4 试验原理及方法 根据试验舍风机安装位置及尺寸大小，在鸡舍尾端设计1座全不锈钢+PC材料的聚风结构。聚风结构的出风口大小可变，使通风气流被聚风结构限制，并通过调整聚风墙的横截面积来控制气流流速，进而满足安装在聚风墙末端外风力发电机的发电风速。然后通过风力发电机叶片接受鸡舍轴流风机排放的风能推动，驱动发电机运行，进而将养殖舍原废气的通风风能转化为电能，储存至蓄电设备，最后由逆变器将直流电转换为交流电给鸡舍供电。

在聚风结构后端逐个安置各型号风力发电机进行5次风力回收试验，记录不同发电机的发电量，计算成本和收益。试验期间，鸡舍内4台风机同时开启。

累计盈利（元）＝累计发电收益（元）-当年平台残值（元）-累计维护费（元）

平台残值（元）＝平台投入（元）÷平台设计年限（年）×剩余可使用年限（年）

1.5 试验结构设计图 试验舍布局、聚风设计、风机布置设计及风能回收设计见图1～图3。

图1 试验鸡舍布局示意图

图2 鸡舍末端聚风系统风能回收示意图

图3 风能回收供电示意图

1.6 数据处理 试验数据由Excel进行综合处理，数据不涉及差异性比较内容。

2 试验结果

2.1 发电功率比较 试验期间各风力发电机的发电功率见表2。从表2可以看出，出风口开启越大，出风风速越低，与风力发电机发电额定风速差别越大。HAWT-300型风力发电机的发电功率最高，HAWT-200型次之。垂直轴风力发电机VAWT-300型的发电功率最低。

2.2 回收成本与效益 试验平台成本主要由聚风结构、地基、风力发电机、逆变器和维护成本组成。其中，聚风结构成本为7 500元（一次性投入），地基成本为3 500元（一次性投入），风力发电机成本为850元/台，逆变器成本为400元/台，维护成本预估为300元/年，平台搭建合计总成本约12 550元。

表2 风力发电机峰值比较

实测HAWT-200型和HAWT-300型水平轴发电效率最高，其中HAWT-300型发电量最大，因此以HAWT-300型风力发电机为例。试验平台效益按照全年鸡舍风机平均使用时长（约7 680 h/年，鸡舍风机启动时长即为发电时长）计算，则全年总发电量为2 074 kW·h，由于试验场地为农业用电，电价为0.54元/kW·h，那么该平台全年电费收益折合约1 120元。

试验平台使用年限设计为20年，风力发电机设计年限为10～15年，其中风力发电机及电池损耗更换在维护费用中已体现。风力回收逐年经济效益见图4。从图4可以看出，该试验平台理论上从第9年开始盈利。

3 分析与讨论

3.1 发电运行 水平轴风力发电机在我国使用范围最广，大型风力发电厂均以水平轴发电机为主。鸡舍出风风速大小也决定着发电机发电功率的高低。本试验平台实测HAWT-200型和HAWT-300型水平轴发电机的发电效率最高，其中HAWT-300型的发电量最大。由于水平轴发电机在200 W和300 W水平上成本差异不大（100元人民币内），因此试验选用HAWT-300型进行后续效益分析。而垂直轴发电机（VAWT-300）对风速要求较高，本次试验数据不作采用，将会在后续试验中跟进测试。

3.2 成本与效益 本次试验平台的建设主要以采集数据和做可行性论证为主，为初级试验平台，后续试验中的平台设计和成本效益核算还需不断改进完善。聚风平台在搭建时以任意局部点能同时站3～4人操作为标准建设，因此材料上选择了厚度为2.2 mm的不锈钢方管作全部支撑，用5 mm的PC板作风道密封。由于全不锈钢方管架与PC板属于价格较贵的材料，且为零星采购所得，因此单个试验平台搭建的成本较高。在后期实际生产中，平台设计将会更趋成熟，再进行批量搭建，且一旦搭建完成，几乎不用人维护，加上4个风机产生的风压对风道密封结构的压力值较低，平台完全可以用镀锌矩管或角钢等作为支撑主材搭建，并适当减少底部支持梁个数，再用PVC或多层板等价格较低的硬质板作聚风密封。这样一来，单个聚风平台成本至少可降低至原平台的一半以下，其预期风力回收逐年经济效益参见图5。从图5可以看出，在现有试验平台的基础上，第9年才可收回的所有投资成本，在批量平台上理论上最晚第5年即可实现盈利。

在初级试验平台下，单日回收电力已可供试验鸡舍当日全部照明用电（5 W×60个LED灯×16 h，约耗5 kW/h）。若将此平台继续改进升级，使其推广至单栋容量5万只或10万只养殖舍（单舍轴流负压通风风机数可达20个以上［4］）中，甚至是推广至具有轴流风机的标准化养猪场使用，其回收效益将会更加可观。

图4 试验平台风力回收逐年经济效益

4 结论

本试验表明，在养鸡舍尾端进行风能回收是可行的，后期再将风能回收与养殖舍尾端除尘技术、有害气体消除技术相结合，不但可使标准化养鸡舍做到零排放，而且还能为养殖业主减少部分成本投入。本次试验虽然仅为初级试验平台，但通过此次初级风力回收试验测定，寻找到了一种较为可行的封闭舍废弃能源回收方法，本项目组将跟随国际新能源发展的前沿步伐进一步开展后续研究，为实现我国畜禽业高效、绿色、可持续发展提供一些参考。