新技术！太阳能，未来水产养殖发展的一大利器！但是要用好它，需要...

水产养殖在世界粮食中起着至关重要的作用，为人类提供了43%的水产品。包括鱼类、甲壳类、软体动物和其他类。水产养殖产品，在2019年产值达到319.4亿美元，有预测称，在2020-2027年之间，将以超过7.1%增长率增长。根据联合国粮农组织《2020》的报告，2018年世界水产养殖产量再创历史新高，达到1.145亿吨，销售总额达到2636亿美元。





一、水产养殖，所能利用能源的成本，越来越高


目前，一些主流能源，包括石油、柴油和化石燃料，大量用于水产养殖，但是成本和碳排放影响正引起人们的广泛关注。Tyedmers和Pelletier的研究表明，能量依赖性与水产养殖的强度相关。一般来说，国家电网为陆上养殖场提供电力，而网箱养殖场则使用柴油和化石燃料。从世界地区水产养殖使用能源强度来看，欧洲和中亚地区水产养殖能源消耗强度最高，其他地区次之，其中，集约化养殖或陆基养殖占据很大的比例。



特别是在海洋水产养殖行业当中，水泵、增氧系统、灯、机器、冰箱、制冰等设备都对能源都有要求。从2002年到2030年，60%的一次能源的需求每年增加1.7%。根据经济合作与发展组织(OECD)的数据，发达国家每年人均需4.4吨石油，而其他发展中国家正在迎头赶上。煤、石油和天然气是目前的主要能源形式的化石燃料，但是最大的担忧是，人类无法长期从化石燃料中获取能源。

在过去的30年里，温室气体(GHG)的排放一直在增加，目前占温室气体总量的60%。据估计，来自煤炭、天然气和石油的二氧化碳排放比例分别为44%、20%和35%，以及大量其他温室气体排放，如：甲烷和二氧化氮。据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)称，化石燃料的二氧化碳排放是导致气候变化的主要因素。这是一个关系到全世界的大问题。



太阳能是最清洁的能源之一，它对环境很友好，也不会引起全球变暖，它可以用来代替石油和煤。目前，太阳能光伏组件（PV）和聚光太阳能（CSP）是两种主要的太阳能技术。PV操作的原理是PV电池板吸收阳光，然后通过原子的运动将其转化为电能。然而，CSP将阳光聚焦在镜子上，然后将其转化为蒸汽来推动涡轮机，从而产生电力。



太阳能光伏组件（PV）是由几个光伏设备组成的。而光伏设备是利用半导体材料，将太阳能转化为电能，并通过通过电池间的相互连接，形成光伏组件。光伏系统有几个部分，包括逆变器、电池、电气元件和安装系统。每个光伏系统都与另一个系统相连，以将电力容量从几瓦增加到100千瓦。



聚光太阳能 (CSP) 技术可以通过聚集太阳辐射来加热蒸汽轮机，从而产生电力。最近，一些 CSP 技术得到了改进。例如：循环熔盐是一种有效的材料，因为它可以在发电前储存几天。这意味着可以在没有阳光的日子或夜间里发电。



太阳能也是世界上许多国家水产养殖的能源之一，包括：中国、美国、加拿大、德国、韩国和越南。可以适用于淡水、海水等多种水生生物的养殖。例如，将光伏发电用于鱼塘增氧系统，将新能源应用于孵化场的生产。此外，太阳能发电支持了远洋水产养殖的发展。

图1：太阳能在水产养殖中的应用。

二、目前，水产养殖利用太阳能的概述


1、水产养殖能源利用现状


水产养殖产量急剧的增加，消耗的能源就越密集，特别是来自不可再生资源的能源。随着能源价格的上涨，它会对水产养殖业产生强烈影响，这可能会影响地方、区域和全球层面的粮食安全。

在水产养殖中，能源消耗的强度取决于养殖品种、规模、系统、技术、生产和当地条件。Toner和mathes的一项实验，估计了三个内陆水产养殖场的能量消耗：一个太平洋牡蛎养殖场，一个虹鳟鱼养殖场，和一个循环养殖的海鱼养殖场。结果表明，太平洋牡蛎养殖场的净化系统使用的电力最多，其次是池塘曝气池，分别为33.6千瓦时(kWh)/周和15.4千瓦时/周。虹鳟养殖场的曝气系统(23.8 kWh/周)和海鱼养殖场的循环系统(13.440 kWh/周)消耗的能源最大。





2、太阳能在水产养殖中的应用现状


目前，利用太阳能进行水产养殖具有运行成本低、生命周期长、环境友好、无CO2排放、土壤污染低等优点，因此，在水产养殖中得到了越来越多的应用。太阳能在水产养殖中有几个主要的应用场景，如：太阳能发电、太阳能增氧机、太阳能饲料分配器、太阳能泵和太阳能热水系统。



在密集养殖系统中，南美白对虾和鱼类耗费的能源是最大的，因为这些水生动物需要增氧系统来维持溶解氧的水平。Applebaum et al.的研究构建了一个利用光伏发电的增氧系统，用于驱动桨轮增氧机的转动，以维持池塘中溶解氧的水平。这是以色列第一个光伏增氧系统。他们用光伏阵列、电动机、齿轮系统、桨轮、电池和控制器来建造这个系统。



Tanveer和Mayilsamy的研究提出了一种用于水产养殖场的太阳能增氧系统，该系统包括光伏太阳能电池(最大100千瓦)，直流逆变器，光伏电池，一个曝气器(桨轮或螺旋型)和一个功率表（图1显示了光伏板如何吸收太阳能发电）。逆变器是将电池的直流电转换成交流电的工具，电池是一种以化学反应的形式储存电的工具，功率表用于检测系统的功耗（整个系统如图2所示）。对于养殖户来说，这是一种有效的方法。

图2：太阳能增氧系统应用于水产养殖池塘。

Liu et al.的研究设计了一种以太阳能为主要能源的淡水池塘水质调控装置。机器可以在水面上行走，收集池塘底部的污泥。系统的电源来自两块1.6m×0.8m的光伏板，一个24V的输出功率和一个直流电机。系统如图3所示。

图3：池塘水质太阳能调控装置



Hendarti et al.研究了影响石斑鱼生长所需的照度、浮动网箱结构和太阳能电池板类型。结果表明，200 lux和1150 lux是石斑鱼网箱内适宜的光照范围。此外，与透明的太阳能面板和完全覆盖太阳能面板相比，透明的太阳能电池面板是最合适的光伏面板(图4)。



图4：在网箱中，选择适合石斑鱼生长的光伏板试验。



Kirihara等人研究了日本正在进行的将可再生能源用于鱼和海参养殖系统的工作。该系统的能量可以维持一个良好的养殖环境，使鱼类和海参在一个合适的环境中地生活。该系统包括：太阳能面板、小型风力发电装置和电池。

图5：太阳能养殖场的概念



Nguyen研究了在养虾场，建立一个利用可持续能源系统。虾池增氧系统主要采用太阳能，其他系统包括小型风力涡轮机、光伏阵列、电池、碱性电解槽、PEM(质子交换)、燃料电池、氧气和氢气存储系统、微泡生成系统、水处理系统以及养虾场的相关负载(图6)。

图6：可以应用于虾池的太阳能系统

Tous-Zamora 等人，提出了一个利用太阳能构建的鱼菜共生系统，以便在不发达国家也可以进行水产养殖。太阳能：包括光伏板、PC-AC电池系统和逆变器，产生的电力可以满足5个泵、一个增氧机、一个紫外线过滤器和LED灯。经过试验，改系统的总发电量为24.204Wh/天，可以满足鱼菜共生系统连续运行7天。


图7：太阳能鱼菜共生养殖系统。



Babiyola和Selva建立了一个太阳能+电能混合水产养殖的系统，包括一种开发太阳能光伏多晶面板的方法，覆盖面积为8000平方英尺。这种类型的面板产生纯粹的直接动力，为水产养殖场产生电力。将直流-交流变换器和双输入逆变器组合成一个熔丝盒。使用逆变器输出连接到进出口仪表线，这种可再生能源输出直接连接到水产养殖的配电电源线，减少化石燃料消耗。

图8：太阳能+电能混合水产养殖的系统



Cornejo-Ponce等人提出了一种利用太阳能在循坏水养虾的系统。该系统包括三个主要部分：太阳能处理厂、水循环系统和光伏电池。光伏电站利用太阳能发电，并为集成的水循环系统分配电力。据估计，太阳能水处理厂系统每天处理9立方米的处理水和1立方米的废液。在循环水养殖系统中，处理过的水供应给鳟鱼和虾池，所有系统及其方向如图9所示。

图9：循环水养殖再系统装置。



3、太阳能在水产养殖中的应用前景


太阳能在自然资源中最大的可再生能源，因为它来自太阳发出的热辐射。根据Mahesh和Shoba Jasmin 以及Liu等人的研究，在晴朗的中午和充足的阳光下，太阳辐射在几个小时内产生约1000W/平方米，太阳能的=输出范围为1575至49837EJ/年。此外，到2030年可产生4500亿千瓦/年的可再生能源，预计到2050年光伏发电量将达到4572太瓦时。



与此同时，光伏太阳能市场占总容量627GW的12%（相当于115GW）。在洪都拉斯，太阳能发电厂占太阳能总发电量的10.7%，与意大利（8.6%）、希腊（8.3%）、德国（8.2%）和智利（8.1%）等许多其他国家相当，到今年年底，太阳能发电量，可以占全球发电量2.8%。目前，非洲和亚洲的光伏太阳能电站项目不断增加，根据Solangi et al.的研究（如图10所示)，到2030年，随着美国、欧洲和日本等许多国家的发展和安装，光伏发电是未来水产养殖的最佳动力来源。

图10：太阳能光伏发电(兆瓦机组)的开发和安装。

三、结论

由于太阳能的好处，许多国家正在开发越来越多利用太阳能进行水产养殖的项目，太阳能是一种可再生资源，是可持续的，很难随天气或季节而改变。而且它可以通过两种主要类型的技术（聚光太阳能和太阳能光伏）产生能源，用于多种场景。值得注意的是，与化石燃料或煤炭发电相比，太阳能不仅相对简单，而且更加环保。 随着全球对能源消耗的需求逐年增加，改用可再生太阳能是一个可行的解决方案。

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