物理知识在农业新能源领域的应用

刘海

摘要    国家经济的高速发展导致对能源的需求量日益增加，目前我国的可利用能源已日趋减少，因而开发新能源具有重要意义。农业新能源主要包括太阳能、水能、风能等，加大农业新能源的开发利用、发挥新能源的优势可以在很大程度上缓解目前能源匮乏的问题，同时还能减少环境污染，推进可持续发展。这些新能源的开发应用均与物理学密切相关，本文分析了物理知识在农业新能源方面的应用，以期为明确农业新能源未来发展方向提供参考。

关键词    物理知识;农业;新能源;应用

中图分类号    S181        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）19-0168-01                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

能源是经济发展的关键。我国是能源消费大国，但我国的能源利用效率还比较低，甚至比发达国家低约20%，产值能耗却是发达国家的2倍[1]，这导致我国经济增长受到限制并且产生一系列的环境问题。新能源的开发利用是基于更好地满足人们需求、进一步提升人们生活质量提出的，其在传统能源的基本功能上，可以达到减轻污染、节能减排的要求。我国是农业大国，农业生产能耗占有重要地位，传统的农业不可再生能源造成严重的环境污染问题。因此，发展农业新能源技术，走低能耗、低排放的可持续发展道路成为关键。

1    农业新能源应用形式

1.1    生物质能

生物质能是指以生物质材料为来源的各种形式的可再生能源，主要包括动植物及其排泄物等[2]。生物质能转换技术可以将生物质能转变成燃料物质，最终产物主要形式包括发电如沼气发电、秸秆直燃发电和供气如沼气供气、生物质集中供气等2种形式。沼气利用在生物质能利用中发挥重要作用，以农作物秸秆、牲畜粪便和有机生活垃圾为原料放入沼气池中进行发酵，产生的沼气可用于农户生产生活、发电，同时沼液、沼渣可作为肥料用于农田和温室种植，以减少化学肥料的使用。欧美现阶段已将沼气并入天然气网，用于沼气燃料电池、车用燃料等。农业秸秆是农业生产的重要产物，每年秸秆焚烧都会对环境造成恶劣影响。虽然国家已限制农村秸秆焚烧，但仍然存在一些问题，建造沼气池可以有效地解决该问题，缓解环境污染。

1.2    太阳能

太阳能是农业上最常见的一种可利用能源，太阳能发电可以结合现代农业种植、灌溉、病虫害、农业机械等，且应用形式趋于多样化。最常见的应用模式是光伏农业大棚，即通过设置不同透光率太阳能电池板或光伏薄膜解决大棚的光照问题，具有满足不同采光需求、节约土地资源等优点。

1.3    其他形式

其他形式的应用主要包括风能、水能、地热能等，风能主要应用于发电，用现代科技改进传统风车，替代传统的人力处理以实现风车现代化应用。此外，还有一种形式是采用离网型小型风力发电机，促进风能在农业上的应用[3]。水能的应用主要包括潮汐、河流水能、海流能、波浪能等能量资源，其中最常见且最成熟的是河流水能。地热能主要是应用于农业温室中，但目前该技术应用还存在一些问题并未形成产业化模式。

2    物理学知识在农业新能源中的应用

2.1    太阳能开发

可再生能源是一种新兴产业，具有巨大的开发利用潜力，但目前在我国该技术仍处于起步阶段，许多问题需要进一步研究。再生能源的开发利用，均以物理学知识作为基础理论背景，目前太阳能已应用在各个方面，如通过光—热、光—电、光—化学进行太阳能转化，根据转换形式的不同，可以将太阳能充分应用于各个方面[4]。其中太阳能利用光—热形式是最常见的一种转换形式，即通过传播、对流、辐射等基本方式进行传热并取得所需能量，然后再加以利用。这些传播过程中遵循最基本的物理学定理，即傅立叶定律、牛顿冷却定律及斯特藩-玻尔兹曼定律。例如，集热器直接将太阳辐射能转换为热能，任何不同的集热器在本质上都可以直接对太阳的辐射进行吸收，接着使传热介质能够在短时间内升温将水烧至人们需要的温度，减少煤炭等不可再生资源的利用;太阳能光—电转换主要利用光生伏打效应，直接将太阳辐射能转为电能;太阳能光—化学的转换主要是通过对光化学反应的研究来研制光化学电池。这里光化学电池的主要组成部分是半导体材料和电解液。太阳能的开发和利用还需要加大技术投入，以提高太阳能的利用效率，推进太阳能产业的发展。

2.2    生物质能开发

中国的生物质能资源量较大，其可以固化成型为高效燃料。在生物质能产业链中，许多物理问题至关重要，例如生物质燃烧过程中锅炉受热面会腐蚀，带来巨大安全隐患，研究腐蚀性机理及防治措施具有重要意義。此外，在垃圾燃烧发电过程中，不可燃烧物及燃烧生成有害气体的排放问题也亟待解决，燃烧前的物理处理成为减少有害气体、提升燃烧效率的关键问题。

2.3    资源勘探与开发

物理学知识在资源勘探、开发过程中发挥了重要作用，物探方法是利用地球表面的引力场、电磁场及弹性波场等进行测量与计算以获得地下地质结构信息的一种有效方法。

3    结语

能源问题是世界各国的焦点问题，我国面临能源约束等一系列问题，尤其在农业新能源的开发利用上。在农业领域推广新能源可以减少环境污染，推进农业可持续发展，但要使农业新能源利用形成一定市场规模，仍然面临诸多问题。物理学的进一步研究和发展会推进农业新能源的开发利用，而对能源的迫切需求也会促进物理学研究领域的发展，两者相辅相成。

4    参考文献

[1] 俞卫东.新能源在农业上的应用研究[J].农业装备技术，2014，40（5）：7-10.

[2] 唐维.发展农村新能源：一场节能的攻坚之战[J].节能与环保，2011（9）：30.

[3] 方玉强.浅论新能源产业经济在农业领域中的应用[J].农村经济与科技，2017，28（16）：159-160.

[4] 陈晓栋，褚庆全.基于健康农业理念的光伏生态农业园区规划研究[J].中国农业科技导报，2014，19（10）：45-51.