CN102823458B - 太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，包括地面（1）、墙体（2）、大棚框架（3）；所述的农业大棚内铺设苗床（8）；所述的农业大棚上设有太阳能光伏电池（4）；所述的地面（1）和墙体（2）上设有电热终端（5）；所述的太阳能光伏电池（4）通过导电电路与所述的电热终端（5）直接连接；所述的电热终端（5）设有智能型电热器件和相变储能材料。上述技术方案采用非蓄电、非逆变太阳能光伏电热，在太阳能光热大棚温室效应的基础上，结合显热、潜热蓄能材料的蓄能，可以全不需要辅助互补能源；也可以与其他能源互补，而达到最完美的节能、环保和可再生能源、生态环境材料等技术的集成综合应用。

Description

太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚

技术领域

本发明属于农业生产技术的技术领域，涉及农业生产中的大棚技术，更具体地说，本发明涉及一种太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚。

背景技术

大棚的温室效应给寒冷地区或反季节的农业栽培提供了现代化农业生产的基本条件，但至今仍存在一些关键性技术瓶颈，制约着室内农业现代产业化的发展，特别是在高寒地区。

随着全球能源形势的日趋紧张，节能与环保成为当今世界各国关注的热点。传统的燃煤、燃气供热方式以及多种恒功率电热供热方式等，已无法满足现有城乡建筑、设施供热（暖）的环保、节能要求。

为了提高能源的利用效率和控制环境污染，近年来涌现出诸多供热新技术和新模式，例如利用低谷电的供热供暖技术，以及利用可再生能源的太阳能集热器和水源或空气源热泵并、串联供热技术等。

然而，现有新型供热方式各自仍存在一定缺陷，甚至是无法解决的致命缺陷，直接影响着可再生能源的利用和发展。

例如，低谷电供热方式虽然提高了能源的有效利用，但只能满足冬季供暖需求，更不用说非谷期电热供暖，同时也都还是以二次能源为主；

太阳能集热器受地区、昼夜、气候和季节日照采集率变化和储能输送方法等因素的影响，致使所提供热水的温度不稳定，即使采用大储罐进行显热储能储水，也达不到供热的要求，只能间接互补，储存效率较低，得不偿失；同时也带来几十吨甚至上千吨水箱的超重负荷，防冻、抗冻、分体与建筑结合难，以及各种器件存在无法克服或长期尚未克服的技术瓶颈；

水源热泵或空气源热泵易受水源或空气源的自然条件影响，特别是在低温制热、高温制冷时，其COP值并未达到、且很难达到“1∶1”；另外，自动化控制***愈加复杂，因此设计开发新一代的集成供热技术是非常必要的。

目前，国内外在几乎找不到任何适用于直流负载的情况下，只能通过蓄电、逆变技术将光电蓄电储存，通过两次转换，将转化后的基本稳定的直流变成交流，再并入电网，用电网充当虚拟负载。这两次转换，其转化的效率低，会产生高达20%的损失。

另外，逆变***存在诸如高压损坏、孤岛效应、并网同步等技术问题。而离网发电***又必须采用电化学储能装置（需要采用蓄电池或超级电容器等），将电能转化为化学能储存起来。蓄电池的介入非但没有降低应用难度，反而因蓄电池存在寿命和环境污染问题，使问题变得更为复杂。

总之，目前并网和离网发电***均存在成本高、效率低、环保隐患、应用不方便等缺陷。

发明内容

本发明提供一种太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，其目的是节能、环保和可再生能源的充分利用。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，包括地面、墙体、大棚框架；所述的农业大棚内铺设苗床；所述的农业大棚上设有太阳能光伏电池；所述的地面和墙体上设有电热终端；所述的太阳能光伏电池通过导电电路与所述的电热终端直接连接；所述的电热终端设有智能型电热器件和相变储能材料。

所述的智能型电热器件采用的发热材料是具有PTC效应的特种导电聚合物复合材料，所述的PTC效应为电阻正温度系数效应；所述的相变储能材料为高相变焓的固液相变储能材料。

所述的农业大棚设小功率蓄电池，所述的小功率蓄电池置于所述的电热终端中。

所述的农业大棚的内外设有多个温度控制器，所述的温度控制器均通过通过信号线路与计算机连接；或者，所述的温度控制器均通过通过信号线路与计算机网络控制***连接；所述的温度控制器设有CPU处理器、储存元器件、功能按键和显示屏；所述的温度控制器通过采暖控制器与所述的电热终端连接。

所述的电热终端还通过采暖控制器与民用电网连接。

所述的电热终端还通过采暖控制器与风力发电机连接。

所述的农业大棚内设有非逆变的LED照明器件。

所述的农业大棚内设有散热器。

本发明采用上述技术方案，采用非蓄电、非逆变太阳能光伏电热，在太阳能光热大棚温室效应的基础上，结合显热、潜热蓄能材料的蓄能技术；可以分棚实现基本控制；或进行近程或远程计算机网络集中分棚控制，远距离近况视屏显示；因地区太阳能辐照条件的优良，可以完全不需要辅助互补能源；如果阳光不足时，也可以与其他能源如民用电网、风力发电互补，而达到最完美的节能、环保和可再生能源、生态环境材料等光伏、光热、地热栽培领先技术的集成综合应用。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示结构的立体示意图

图3为本发明中的计算机网络***示意图；

图4为本发明的计算机控制的示意图；

图5为网络控制器与采暖电源的连接关系示意图。

图中标记为：

1、地面，2、墙体，3、大棚框架，4、太阳能光伏电池，5、电热终端，6、采暖控制器，7、温度控制器，8、苗床。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1和图2所表达的本发明的结构，是太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，包括地面1、墙体2、大棚框架3；所述的农业大棚内铺设苗床8。

墙体2的外表面为保温材料。上面与朝向阳光的前面形成一个整体，为倾斜的透光材料，其强度能承受温度变化、形状变化产生的应力，以及恶劣天气，如雨、雪、冰雹的压力、冲击力。其透光率高，导热性低，温室效应好。

一、本发明的核心技术方案及分析：

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现节能、环保和可再生能源的充分利用的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图1和图2所示，本发明所提供的太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，设有太阳能光伏电池4；所述的地面1和墙体2上设有电热终端5；所述的太阳能光伏电池4通过导电电路与所述的电热终端5直接连接；所述的电热终端5设有智能型电热器件和相变储能材料。

如图1所示，太阳能光伏电池4设在不易于遮挡太阳光的大棚顶部的后方。其也应倾斜设置，其倾斜方向与大棚顶部的透光材料的倾斜方向一致。

在有白天且为晴天时，太阳大棚吸收太阳能，足以使大棚内的温度保持在适宜的温度；同时，太阳能光伏电池4发电，使电热终端5产生热量，并被相变储能材料吸收，通过相变储能材料的形态变化，形成潜热，储存其能量备用，因为此时大棚内不需要太阳能光伏电池4提供热能；也不需要其它电源提供能量；

在没有太阳光的夜间或阴、雨雪天气，大棚无法吸收太阳光的热能，这时相变储能材料再通过相反的形态变化，将潜热转化为显热，给大棚内提供热量，使大棚内的温度升高。

本发明针对现有城乡建筑、设施供热***在节能环保方面所存在的瓶颈问题，特别是冬冷夏热的南方集中供暖的可行性问题提出了适用于区域建筑供热***的的新模式，可以做到在一年四季中，低谷电热转换与储存、非谷期电的利用。将新一代安全节能型变功率电热器件“特种专用自控温加热器”与“相变储能材料”及应用技术有机结合在一起作为变功率潜热、潜显热、显热蓄能电热转化体。

本发明提供的现代农业智能大棚，采用非蓄电、非逆变的太阳能光伏电热，在太阳能光热大棚温室效应的基础上，结合显热、潜热蓄能材料及蓄能技术；若地区太阳能辐照条件的优良，可以完全不需要辅助互补能源；也可以在太阳能不足的地区，与其他能源互补，从而实现完美的节能、环保和可再生能源的充分利用，因此本发明是生态环境材料等光伏、光热、地热栽培领先技术的集成综合应用。

本发明可以分棚基本控制；或进行近程或远程计算机集中分棚控制，远距离近况视屏显示。

本发明集成的两项主要技术：

1、以低谷电与太阳能非蓄电、非逆变光伏电互补能源的、变功率分体蓄能供热技术；

2、结合建筑住宅区所处地理位置的特点，可以是非蓄电、非逆变“光电热”利用和非蓄电“风电热”利用，以及太阳能光热温室效应与非蓄电、非逆变光伏电热变功率蓄能利用。

本发明除了重点在全国部分城乡区域性住宅建筑中推广应用，更可以在广大农村，特别是西部现代农业温室大棚或特种养殖、畜牧等或边远无网电供应的地区进行推广应用，甚至可以是在高寒、南北极地区，对太阳能进行无蓄电池、无逆变器、光伏直接变功率电热利用，在国际上引领太阳能光伏集成供热技术的发展方向。

光伏发电作为可再生能源，已列入我国科技发展与高技术产业发展的优先领域。其特点是适应气候条件的改变，提供一个功率变化的电力供应***，而这种***只能与同样是变功率工作的接收***“负载”相匹配，才能充分发挥功效。

为此，本发明提供了非逆变、非蓄电的离网光伏电热变功率蓄能技术，即直接将变功率光伏电能，通过变功率电热转化积累性潜热、潜显热、显热大容量储能，满足建筑及生活设施的热需求，其中，尤其适用于现代农业温室大棚、养殖、畜牧等，是一项市场需求极大的新技术。本发明的技术已成功地应用于4000平米的科华研发中心和西部现代农业大棚的示范工程。可以使我国光伏产业走向健康发展之路。

二、智能型电热器件及相变储能材料的分析：

本发明所述的智能型电热器件采用的发热材料是具有PTC效应的特种导电聚合物复合材料，所述的PTC效应为电阻正温度系数效应；所述的相变储能材料为高相变焓的固液相变储能材料。

智能型电热器件技术：

本发明采用的智能型电热器件是特种专用自控温电热带，并不只是自限温电热带就可以，而是专用产品，所采用发热材料是具有PTC特性（即电阻正温度系数效应）的特种导电聚合物复合材料。

因此，自控温电热带的电阻会随着被加热体系温度的升高而增大，从而自动调节输出功率，以达到控温和节能的目的。与其它电热器件相比，具有以下优点：

1、交直流两用，±50%宽幅工作电压；

2、3-6000V交直流电压系列化等级可供选用；

3、低温加热快捷，电热转化效率高，可达100%转化；

4、可自动限制加热温度，具有开关特性和记忆特性等特点；

5、可任意切断或接长使用，安装使用简便；

6、产品内外材料为阻燃材料，承受温度高达160℃，自身不燃，安全可靠，使用寿命长，可达到50年。

鉴于此，必须采用这种与光伏器件匹配的专用变功率光伏电热转化器件：特种自控温电热带或电热器件为建筑（其中特别是农业温室大棚）及生活设施供热是非常理想的。

潜热蓄热技术：

潜热蓄热技术是利用无机、无毒、无害的高相变焓的相变储能材料的固液相变过程，来实现能量的贮存和释放，在能源的有效利用和全球气候保护方面发挥了重要作用。

相变潜热蓄能技术用于住宅建筑等相关领域呈现以下诸多优点：

1、相变潜热大，积累性蓄热能力强，相变时温度基本恒定，具有温度自控调节能力，从而减小室内空气温度波动，较长时间保持所需温度，提高人体舒适度，以及满足动植物的不同温度需求；

2、非供热时实现主动蓄能控温，供热时被动蓄能时序编程，通过吸热△T1与放热△T2的大小变化，可实现谷期（夜间）用电蓄热，非谷期（白天）停电供热；或白天的光伏电热蓄热，夜间释放利用；

3、潜热蓄能***可以将峰期用电负荷向谷期转移，在电力上削峰填谷，缓解能量的供求矛盾，是国家用电政策“电力需求侧管理”鼓励节约用电的有效途径；

4、减轻建筑物的承载负荷，降低建筑造价；

5、白天光热温室效应与光伏电热变功率蓄热共存，白天供热、蓄能，夜间释放、供热。实现只要白天阳光充足时，24小时完全由太阳能光伏供热。

鉴于特种自控温电热器件具有交直流两用、变功率、宽幅电压、多级系列化工作电压、开关记忆特性，以及节能、安全、特别是安全低压、使用寿命长等特点，相变材料拥有蓄热（冷）能力强的优点，将二者有机结合起来，在“光伏利用”领域内进行变功率、积累性电热转换与积累性潜热、潜显热、显热储存，既解决了大面积离网发电、非蓄电、非逆变的光伏变功率电力直接利用问题，又大大提高了低谷电的利用率。

三、小功率蓄电池的补充作用：

本发明所述的农业大棚设小功率蓄电池，所述的小功率蓄电池置于所述的电热终端5中。

由于采用了上述蓄能终端，蓄电池置放于其中，这种优良的工作环境有利于使酸铅电池使用效率更好，寿命更长。满足在没有任何太阳能、风能、民用电源的极端情况下的补充电源需求。

四、计算机及其网络在本发明中的应用：

如图3和图4所示，本发明所述的农业大棚的内外设有多个温度控制器7，所述的温度控制器7均通过通过信号线路与计算机连接；所述的温度控制器7均通过通过信号线路与计算机网络控制***连接；所述的温度控制器7设有CPU处理器、储存元器件、功能按键和显示屏；所述的温度控制器7通过采暖控制器6与所述的电热终端5连接。

当太阳能采集率≥70%时，计算机网络控制***可以省略。

计算机网络控制***能够对非蓄电、非逆变太阳能光伏电与低谷电互补***的以下功能实现集中智能控制：变功率蓄能供热、地面辐射供暖质量、用电负荷特性、储放热随环境温度及时间变化特性的用电行为。通过“供暖网站、采暖服务器、网络控制器、数据交互机、室内外温度控制器、自限温蓄热地面终端”形成该智能控制***。

（一）、计算机网络控制主要功能包括：

授权许可申请功能；报表统计及分析功能；数据存储、备份功能；远程监视功能；入网校验功能；操作历史记录功能。

（二）、计算机***软件功能技术要求：

1、使用配置有CPU处理器和储存***的硬件设备，使智能判断得以实现，能通过户外温度、地面温度、变压器负载情况、温度异常变化等情况智能判断，使最需要供热的地方立即可以升温，使温度精确控制，使电能得利用，达到最佳化、合理化。

2、能在变压器负荷满载时释放部分压力，实现变压器负载自动调配。

3、设立供热优先级制度，实现用户信息储存化、供热信息数据化，能与企业管理建立erp***化，使供热***模块化。

（三）、计算机***温度控制技术要求：

1、控制器采用集中控制弱电***，分户（分棚）控制强电***（强弱电分离体系）的网状对应关系，并且一个户式控制器设计为对应一户的最终末端控制单位。

2、控制器应配有CPU处理器、储存***、功能按键和显示屏，可组合成实现温控器体系自身所不具备的智能***。

3、控制器能使温控器的功能与该户二级配电箱的作用进行整合，成为了一个设备。

4、控制器应在安装、维修、调试、升级等方面采用便捷、简单原则。

5、控制器一般安装于户（棚）外或隐蔽处，使棚内再无任何明装的强电设备和接线安装漏洞。

五、电能互补方案：

1、本发明所述的电热终端5还通过采暖控制器6与民用电网连接。

2、本发明所述的电热终端5还通过采暖控制器6与风力发电机连接。

如图5所示，采暖电源由网络控制器通过固态继电器控制其通断。

在相当长的时间里没有太阳光的时候，大棚无法吸收太阳光的热能，这时如果相变储能材料潜热已经消耗殆尽可以通过上述电源进行补充，给大棚内提供热量，使大棚内的温度升高。

也可以在任何时候将风能产生的电能通过相变储能材料转化为潜热储存起来，供没有阳光时提供热量。

六、照明方案：

本发明所述的农业大棚内设有非逆变的LED照明器件。采用非逆变LED照明技术来满足夜间照明之需要。

综上所述：

1、本发明的技术是当今国内外利用太阳能光伏电热（不用蓄电池，不用逆变器）、光热温室效应技术唯一领先集成应用技术，切实可行；

2、本发明的技术是一种可以不用辅助能源的太阳能光伏电热变功率蓄能技术，完全利用太阳能在我国西部（例如青海）、东北部地区太阳能光照条件很好时（太阳能采集率达到70%以上），将不再需要其他能源互补。仅仅在连续阴雨7-10天以上时，才会用其他能源互补；

3、本发明的一次投资较大，主要是光伏电池板投资额较大。而如果利用本发明的技术向当地省市有关政府部门或国家***申报可再生能源利用的项目立项，可获得9元/W的政策补贴。此时，应用本发明技术进行投资的任何单位和个人皆可承受，可提高项目投资的回报。20年内无维护费用，也无运行费用。无污染，安全电压无隐患。

4、当太阳能采集率较低地区，本发明采用计算机远程集中分棚控制，低谷电互补实现了产业化现代农业自动化水平的要求。

本发明的技术极具发展潜力，能全面推动可再生能源利用行业与时俱进的创新性发展。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.太阳能光伏电热变功率蓄能农业大棚，包括地面(1)、墙体(2)、大棚框架(3)；所述的农业大棚内铺设苗床(8)；

所述的农业大棚上设有太阳能光伏电池(4)；

所述的地面(1)和墙体(2)上设有电热终端(5)；

所述的太阳能光伏电池(4)通过导电电路与所述的电热终端(5)直接连接；

所述的电热终端(5)设有智能型电热器件和相变储能材料；

所述的智能型电热器件采用的发热材料是具有PTC效应的特种导电聚合物复合材料，所述的PTC效应为电阻正温度系数效应；

所述的相变储能材料为高相变焓的固液相变储能材料；

所述的农业大棚设小功率蓄电池，所述的小功率蓄电池置于所述的电热终端(5)中；

其特征在于：

所述的农业大棚的内外设有多个温度控制器(7)，所述的温度控制器(7)均通过信号线路与计算机连接；或者所述的温度控制器(7)均通过信号线路与计算机网络控制***连接；

所述的温度控制器(7)设有CPU处理器、储存元器件、功能按键和显示屏；

所述的温度控制器(7)通过采暖控制器(6)与所述的电热终端(5)连接；

所述的电热终端(5)还通过采暖控制器(6)与民用电网连接；

所述的电热终端(5)还通过采暖控制器(6)与风力发电机连接；

所述的农业大棚内设有非逆变的LED照明器件；

所述的农业大棚内设有散热器；

墙体(2)的外表面为保温材料；上面与朝向阳光的前面形成一个整体，为倾斜的透光材料；

太阳能光伏电池(4)设在大棚顶部的后方，也倾斜设置，其倾斜方向与大棚顶部的透光材料的倾斜方向一致；

采用分棚基本控制；或进行近程或远程计算机集中分棚控制，远距离近况视屏显示；

计算机网络控制***主要功能包括：

授权许可申请功能；报表统计及分析功能；数据存储、备份功能；远程监视功能；入网校验功能；操作历史记录功能；

计算机网络控制***的软件功能技术要求：使用配置有CPU处理器和储存***的硬件设备，使智能判断得以实现，通过户外温度、地面温度、变压器负载情况、温度异常变化情况智能判断，使最需要供热的地方立即可以升温；使温度精确控制，使电能的利用达到最佳化、合理化；在变压器负荷满载时释放部分压力，实现变压器负载自动调配；设立供热优先级制度，实现用户信息储存化、供热信息数据化，与企业管理建立erp***化，使供热***模块化；

计算机网络控制***温度控制的技术要求：控制器采用集中控制弱电***，分户或分棚控制强电***或强弱电分离体系的网状对应关系，并且一个户式控制器设计为对应一户的最终末端控制单位；控制器组合成实现温控器体系自身所不具备的智能***；控制器与用户二级配电箱整合成为了一个设备；

控制器安装于户外或棚外隐蔽处，使棚内再无任何明装的强电设备和接线安装漏洞；

当太阳能采集率≥70％时，省略计算机网络控制***。