Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к животноводству и растениеводству защищенного грунта.
Известно, что в условиях защищенного грунта для повышения продуктивности растений производят дополнительную подкормку растений углекислым газом и растворами минеральных удобрений [1]. В качестве источников углекислого газа (СО2) используются сжиженная углекислота (в баллонах), твердая углекислота (сухой лед), продукты сжигания непосредственно в теплицах жидкого (керосин) или газообразного (пропан, метан) топлива, что требует значительных затрат.
Недостатком данного метода являются: одним из дешевых источников СО2 являются отходящие газы котельных, однако широкое внедрение этого метода подкормки растений СО2 сдерживается наличием в отходящих газах котельных вредных для человека и растений окислов азота; применение этого метода ограничено котельными, работающими только на природном газе, не содержащем сернистых соединений.
Известный способ подкормки тепличных культур двуокисью углерода с использованием отходящих газов горелочных устройств, включающий пропускание отходящих газов через водяной абсорбер с последующим разбрызгиванием продукта абсорбции в теплице, в водяном абсорбере создают давление 20-25 бар, насыщенную двуокисью углерода воду разбрызгивают в теплице в открытые желобки при атмосферном давлении, а сточную воду очищают от оставшихся газов десорбцией атмосферным воздухом и возвращают в абсорбер [2].
Недостатком предложенного способа являются: для его реализации требуется установка в теплицах абсорбера, работающего при повышенном давлении, разветвленной по всей теплице системы желобков и разбрызгивателей, очистка сточных вод десорбцией; не устраняется опасность загрязнения воздуха теплиц вредными для человека и животных окислами азота, так как некоторые из них могут поглощаться водой в абсорбере и выделяться в теплице путем испарения в открытых желобках.
Известен способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями [3], включающий подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения в теплицу, воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа, которая представляет собой почвенный слой теплицы, объем которого по подкормке растений углекислым газом определяют по формуле:
где Тc= 24 ч; G1K - выделение СО2 одним животным, кг/ч; N - количество животных на ферме; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м2•ч; тп - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4-6 ч; G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг; а его объем по поглощению азотных удобрений в аммонийной форме определяют по формуле:
где V - объем почвенного слоя в теплице, м3; G - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Тв - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П - потребление азота одним растением за период вегетации (ТВ дней), кг/шт.; n - количество растений, произрастающих на 1 м2 теплицы, шт. /м2; при этом окончательный объем почвенного слоя теплицы устанавливают по максимальному значению полученных объемов.
Недостатками данного способа являются: не согласован объем выделения углекислого газа и используемого углекислого газа; нет источника углекислого газа непосредственно рядом с теплицей; не утилизируются отходы биомассы растений; нет совместное производство электрической энергии, тепловой энергии и холода; нет возможности производства электроэнергии путем получения и использования биогаза.
Известен способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями [4], включающий подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения трубопроводами в теплицу, отличающийся тем, что смесь газов подают в систему аэрационного дренажа в теплице и пропускают через почвенный слой теплицы, объем которого по подкормке растений углекислым газом определяют по формуле:
где Тc= 24 ч - число часов в сутки; G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг; N - количество животных на ферме; G1k - выделение СО2 одним животным, кг/ч; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м2ч; Тп - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток – 4… 6 ч, а по поглощению азотных удобрений в аммонийной форме определяют по формуле
где V - объем почвенного слоя в теплице, м3; G' - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Тв - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П' - потребление азотных удобрений одним растением за весь период вегетации (Тв дней), кг/шт. ; n - количество растений, произрастающих на 1м2 теплиц, шт. /м2,
при этом объем почвенного слоя теплицы устанавливают по максимальному значению полученных объемов (Способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями.
Недостатками данного способа являются: не согласован объем выделения углекислого газа и используемого углекислого газа; нет источника углекислого газа не посредственно рядом с теплицей; не утилизируются отходы биомассы растений; нет возможности производства электроэнергии путем получения биогаза.
Известен способ переработки и утилизации отходов животноводческого комплекса путем сбора помета и подстилочного материала, сбраживания помета в анаэробной среде, сбора биогаза при сбраживании, сепарирования перебродившего помета на твердую и жидкую фазы и смешивания твердой фазы перебродившего помета и подстилочного материала в однородную массу в виде твердых органических удобрений, жидкую фазу перебродившего помета выпаривают до получения сухих концентрированных удобрений, пар при этом преобразуют в воду, которую используют на собственные и потребительские нужды, часть однородной массы сжигают, а биогаз очищают путем пропускания через воду, в процессе которого получают биометан с подачей потребителю, а воду насыщают органическими веществами и используют в качестве жидкого удобрения, воздух из производственных помещений собирают и поддерживают процесс горения однородной массы с повышением теплоотдачи, остаток после сжигания однородной массы используют как минеральное удобрение, а отходящий газ очищают от твердых летучих примесей путем пропускания через воду, при этом ее насыщают минеральными веществами и используют в качестве жидкого удобрения, очищенный отходящий газ используют для выработки электроэнергии, который после отработки подают в теплицу [5].
Недостатками данного способа являются: не предусмотрена работа в автономном режиме (требуется внешнее энергообеспечение) как животноводческого комплекса, так и теплицы (внешний источник электроэнергии); не совмещены животноводческий комплекс и теплица; не используется тепло, выделяемые животными, не предусмотрен резервное электро- и тепло обеспечение и возврат излишнего количества электрической и тепловой энергии сторонним потребителям.
Наиболее близкий к предлагаемому устройству является установка для переработки органических отходов растительного и животного происхождения [6], состоящая из метантенка с патрубками загрузки и разгрузки, парового котла и парового эжектора, причем метантенк связан с паровым котлом посредством линии подачи биогаза, паровой эжектор связан с паровым котлом линией подачи насыщенного пара, а с метантенком - посредством циркуляционного гидравлического контура, паровой котел снабжен устройством газификации органических отходов, состоящим из камеры газификации с зольником, бункера-дозатора органических отходов растительного происхождения, и пароперегревателем, связанным с метантенком линией подачи биогаза, паропоршневой машиной с электрогенератором и теплофикационным бло
ком, причем паровой котел с пароперегревателем, паропоршневая машина и теплофикационный блок связаны друг с другом посредством пароконденсатного контура, а патрубок разгрузки метантенка связан с зольником камеры газификации посредством смесителя, дополнительно введен двигатель внутреннего сгорания с теплоутилизатором и с дополнительным электрогенератором, связанный с метантенком посредством линии подачи биогаза, причем двигатель внутреннего сгорания с теплоутилизатором посредством пароконденсатной линии подключены к пароконденсатному контуру между теплофикационным блоком и паровым котлом.
Недостатками данного устройство являются следующие: исходные органические отходы, преимущественно животного происхождения (бесподстилочный навоз) необходимо транспортировать к устройству, в рабочем пространстве метантенка поддерживаются строгий анаэробиоз и термофильные условия (53-57°С) (для достижения этого необходима энергия (биогаз)), образовавшийся биогаз с теплотворной способностью не менее 22 МДж/м3 подводится в двигатель внутреннего сгорания с целью вырабатывания электроэнергии, осуществляемого посредством электрогенератора, вырабатываемая мощность неизвестно где используется, не вырабатывается холод для хранения молочной и овощной продукции, не находится в замкнутом цикле производства молочной продукции и продуктов растениеводства в защищенном грунте круглогодично.
Задача изобретения является повышение энергоэффективности сельскохозяйственного производства, в частности, в животноводстве и растениеводстве защищенного грунта, путем полной переработки и утилизации отходов животноводческой фермы и теплицы, с получением электроэнергии, тепловой энергии, холода и удобрений.
Поставленная задача решается за счет того, что автономная ферма-теплица, содержащая двигатель внутреннего сгорания, питающий биогазом и электрогенератор, в здании автономной фермы-теплицы на первом этаже размещена ферма для крупного рогатого скота и/или птицеферма, на втором этаже которого размещена теплица для выращивания саженцев растений и деревьев, из фермы для крупного скота через отверстие с крышкой в подвальное помещение поступает навоз с подстилкой, в который добавляется из емкости метанобразующие бактерии, при этом выделяемый биогаз при помощи вентилятора поступает в газоочистительную камеру для очистки от посторонних и вредных газов, который поступает в теплицу и на пятый вход двигателя внутреннего сгорания (ДВС), первый выход которого соединен с входом трехфазного генератора, выход которого соединен с входом автоматическое включение резерва и
