基于“双碳目标”下养猪场多能互补系统设计与实现

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2023.04.004

智能化农业装备学报（中英文） ›› 2023, Vol. 4 ›› Issue (4): 26-32.DOI: 10.12398/j.issn.2096-7217.2023.04.004

基于“双碳目标”下养猪场多能互补系统设计与实现

王冉冉¹(), 李寒晓¹, 齐凯², 陈怡卓³, 张文娟⁴, 申小冉⁴, 张稳¹()

^1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，271018
^2.山东五洲电气股份有限公司，山东潍坊，261000
^3.山东农业大学国际交流学院，山东泰安，271018
^4.山东碧蓝生物科技有限公司，山东泰安，271000

收稿日期:2023-07-14 修回日期:2023-09-22 出版日期:2023-11-15 发布日期:2023-11-15
通讯作者: 张稳，女，1988年生，山东泰安人，博士，副教授；研究方向为电力系统安全稳定运行、畜禽设施与智能化。E-mail： wenzhang098@sdau.edu.cn
作者简介:王冉冉，男，1979年生，山东淄博人，博士，副教授；研究方向为农业机械化。E-mail： wranran@163.com
基金资助:
山东省重点研发计划（乡村振兴科技提振行动计划）(2022TZXD0041)

Design and implementation of a multi energy complementary system for pig farms based on “dual carbon goals”

WANG Ranran¹(), LI Hanxiao¹, QI Kai², CHEN Yizhuo³, ZHANG Wenjuan[Author]) AND 1[Journal]) AND year[Order])" target="_blank">ZHANG Wenjuan⁴, SHEN Xiaoran⁴, ZHANG Wen¹()

^1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Agricultural University，Tai’an 271018，China
^2.Wuzhou Electric Co. ，Ltd. ，Weifang 261000，China
^3.School of International Exchange，Shandong Agricultural University，Tai’an 271018，China
^4.Shandong Greenblue Biotechnology Co. ，Ltd. ，Tai’an 271000，China

Received:2023-07-14 Revised:2023-09-22 Online:2023-11-15 Published:2023-11-15
Contact: ZHANG Wen，Professor.E-mail： wenzhang098@sdau.edu.cn
About author:WANG Ranran，Professor.E-mail：wranran@163.com

摘要/Abstract

摘要：

全世界温室气体很大部分来自畜禽的饲养和粪便等，联合国粮食及农业组织FAO的调查报告指出，畜牧业是所有产业中对温室效应“贡献”最大的产业。在当前“碳达峰、碳中和”目标背景下，针对规模化养猪场造成的能源浪费和环境污染问题，构建以清洁能源为主的养猪场多能互补系统，具有节能减排、提高能效水平的重要意义。结合多能互补与能源梯级利用的思想，根据养猪场自身条件，考虑到养猪场具备丰富的生物质能和太阳能，且日常用电量大，冬季热负荷高，构建了养猪场多能互补系统结构。基于某养猪场实际的规模概况和负荷需求选择合适的配套设备，基于PVsyst软件进行光伏发电的模拟计算。综合考虑系统的投资成本、设备运维成本、电热负荷需求、季节性需求，最终计算得到养猪场在行业基准收益率为8%的基础上仍可收益158.57万元，动态投资回收期约为7.3年，与传统养猪场从电网购电相比，每年可减少二氧化碳排放量204.29 t，表明该系统能为养猪场带来良好的经济效益，且具有显著的节能减排和绿色环保优势，能够为养鸡场、养牛场等其他养殖场提供新的经营思路。

关键词: 养猪场, 多能互补, 太阳能, 生物质能, 经济效益

Abstract:

A large part of the world’s greenhouse gases comes from livestock and poultry breeding and manure. A survey report by the Food and Agriculture Organization of the United Nations （FAO） pointed out that animal husbandry is the industry that contributes the most to the greenhouse effect among all industries. Against the backdrop of the current goal of achieving “carbon peak and carbon neutrality”， in order to address the energy waste and environmental pollution caused by large-scale pig farms， building a multi energy complementary system for pig farms with clean energy as the main focus is of great significance in energy conservation， emission reduction， and improving energy efficiency. Inthelight of multi-energy complementation and energy cascade utilization， a multi-energy complementary system in pig farm has been constructed based on the pig farm’s own conditions that the pig farm has abundant biomass energy and solar energy， and it also has large daily electricity consumption and high heat load in winter. Based on the scale overview and load demand of the pig farm， appropriate supporting equipment was selected， the simulation calculation of photovoltaic power generation was conducted using PVsyst software. Taking into account the investment cost， equipment operation and maintenance cost， electric heating load demand， and seasonal demand of the system. Taking into account the system investment cost， equipment operation and maintenance cost， electric heating load demand， and seasonal demand， the final calculation showed that the pig farm can still earn 1.585 7 million yuan based on the industry benchmark return rate of 8%， and the dynamic investment recovery period is approximately 7.3 years. Compared with traditional pig farms purchasing electricity from the grid， it can reduce carbon dioxide emissions by 204.29 tons per year， indicating that the system can bring good economic benefits to pig farms and has significant energy-saving， emission reduction， and green environmental protection advantages. It can provide new business ideas for other farms such as chicken farms and cattle farms.

Key words: pig farm, multi energy complementary, solar energy, biomass energy, economic benefits

中图分类号:

S24： TK6

王冉冉, 李寒晓, 齐凯, 陈怡卓, 张文娟, 申小冉, 张稳. 基于“双碳目标”下养猪场多能互补系统设计与实现[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2023, 4(4): 26-32.

WANG Ranran, LI Hanxiao, QI Kai, CHEN Yizhuo, ZHANG Wenjuan, SHEN Xiaoran, ZHANG Wen. Design and implementation of a multi energy complementary system for pig farms based on “dual carbon goals”[J]. Journal of Intelligent Agricultural Mechanization, 2023, 4(4): 26-32.

图/表 9

图1 多能互补系统流程图

Figure 1 Multi energy complementary system structure

表1 养猪场概况

Tabel 1 Overview of pig farms

类别	公猪	母猪	仔猪	育肥猪
存栏数/头	20	500	800	4 000
粪/ $(k g ∙ 头 - 1 ∙ d - 1)$	6.42	5.55	0.82	2.17
尿/ $(k g ∙ 头 - 1 ∙ d - 1)$	9.71	9.28	1.45	2.95

表1 养猪场概况

Tabel 1 Overview of pig farms

类别	公猪	母猪	仔猪	育肥猪
存栏数/头	20	500	800	4 000
粪/ $(k g ∙ 头 - 1 ∙ d - 1)$	6.42	5.55	0.82	2.17
尿/ $(k g ∙ 头 - 1 ∙ d - 1)$	9.71	9.28	1.45	2.95

图2 养猪场各季节典型日电负荷

Figure 2 Typical electricity load of pig farms in different seasons

图3 养猪场典型日热负荷

Figure 3 Typical daily heat load of pig farms

图4 电池板安装示意图

Figure 4 Installation diagram of battery board

图5 发电量仿真结果

Figure 5 Power generation simulation results

表2 各设备投入成本

Table 2 Input costs of each equipment

设备	投资成本/万元
合计	293
燃气内燃机	10
光伏设备	92
余热回收设备	8
燃气锅炉	14
搅拌机	4
蓄电池	30.6
储气设备	36.4
厌氧发酵罐	86
其他	12

表3 系统收益明细

Table 3 System revenue details

类别	产量	消耗量	销售量	时间/d	收益/万元
春季	光伏：1 787 kW·h 沼气：1 800 kW·h	1 520 kW·h	光伏：267 kW·h 沼气：1 800 kW·h	90	13.33
夏季	光伏：1 787 kW·h 沼气：1 800 kW·h	2 570 kW·h	沼气：1 017 kW·h	90	6.86
秋季	光伏：1 787 kW·h 沼气：1 800 kW·h	1 490 kW·h	光伏：297 kW·h 沼气：1 800 kW·h	90	13.46
冬季	光伏：1 787 kW·h	1 040 kW·h	光伏：747 kW·h	90	3.29
沼渣沼液	9.3 t	0	9.3 t	360	33.48
总计					70.42

表4 系统二氧化碳减排量

Table 4 System carbon dioxide reduction

项目	二氧化碳量/(t·年^-1)
传统养猪场电网购电碳排放量	903.59
具有多能互补系统的养猪场碳排放量	699.3
二氧化碳减排量	204.29

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基于“双碳目标”下养猪场多能互补系统设计与实现

Design and implementation of a multi energy complementary system for pig farms based on “dual carbon goals”

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