本發(fā)明涉及一種基于光伏光熱的大棚蓄熱保溫系統(tǒng)及其工作方法，屬于太陽(yáng)能光電、光熱技術(shù)綜合利用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代文明發(fā)展的需要，大棚作為一種新型的農(nóng)業(yè)設(shè)施，因其綠色低碳、價(jià)格低廉和應(yīng)用范圍廣泛而備受關(guān)注。在寒冷地區(qū)的冬季或氣溫較低的夜晚，大棚內(nèi)單一依靠太陽(yáng)能無(wú)法滿足作物生長(zhǎng)所需的溫度，需要采用生物質(zhì)供暖、燃煤供暖和電供暖等供暖方式來(lái)保障溫室內(nèi)作物的正常生長(zhǎng)，這些供暖方式額外增加了燃料成本、人工成本和設(shè)備成本，生物質(zhì)與煤的燃燒還會(huì)帶來(lái)安全隱患和環(huán)境污染。因此有必要開發(fā)低成本的大棚供暖方式。

2、太陽(yáng)能是一種清潔、高效的可再生能源，在其多種利用方式中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱利用是當(dāng)前太陽(yáng)能利用的主要發(fā)展方向。太陽(yáng)能光伏發(fā)電的效率偏低，通常光伏電池效率低于15%，這意味著多數(shù)太陽(yáng)光被反射或被轉(zhuǎn)換成熱量。太陽(yáng)能晶硅電池輸出功率將隨自身溫度升高而下降，每升高1℃，發(fā)電效率約下降0.3%。太陽(yáng)能光伏光熱技術(shù)將光伏電池與太陽(yáng)能集熱技術(shù)相結(jié)合，利用集熱組件中的冷卻介質(zhì)將太陽(yáng)能光伏板的熱量帶走并加以利用，在提高光伏發(fā)電效率的同時(shí)利用了太陽(yáng)光的熱能，收集的這部分光熱品質(zhì)較低，低于50℃，如何高效利用光熱資源用于大棚保溫成為一個(gè)亟需解決的問題。

3、cn104025947b的發(fā)明專利公開了一種自循環(huán)大棚，利用雨水作為光伏光熱組件的傳熱工質(zhì)，通過保溫前墻和地下保溫層實(shí)現(xiàn)溫室的熱循環(huán)以及電能自給；cn114600678a的發(fā)明專利公開了一種光電光熱一體化溫室大棚，通過多個(gè)真空集熱管在大棚頂部接受太陽(yáng)照射，避免大棚內(nèi)溫度持續(xù)升高并通過水體儲(chǔ)存多余的熱量，在夜晚溫度降低時(shí)散熱來(lái)保持大棚內(nèi)的溫度；cn209359161u的實(shí)用新型專利公開了一種節(jié)能大棚恒溫系統(tǒng)，將大棚內(nèi)部與熱泵機(jī)組機(jī)體內(nèi)部連通并形成循環(huán)風(fēng)路，能夠滿足大棚內(nèi)部制冷和制熱的恒溫需求，同時(shí)能保證熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行；cn106613531b的發(fā)明專利提供了一種可實(shí)現(xiàn)季節(jié)性運(yùn)行模式的切換和提高熱利用效率的用于大棚的光伏光熱一體化循環(huán)系統(tǒng)，使用了熱泵機(jī)組，不需要外加輔助加熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)熱能和電能的自供給。

4、以上光伏光熱溫室大棚存在的問題如下：

5、（1）光伏光熱設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是降低光伏板溫度從而提高光伏發(fā)電效率，不是圍繞大棚蓄熱保溫來(lái)設(shè)計(jì)光伏光熱系統(tǒng)，造成的結(jié)果是光伏發(fā)電滿足了大棚的電能自給，但不能滿足大棚保溫的熱量自給，需要新增適用于大棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的太陽(yáng)能集熱技術(shù)。

6、（2）采用熱泵技術(shù)將光熱用于溫室大棚的保溫的經(jīng)濟(jì)性不高。熱泵機(jī)組消耗高品質(zhì)的電能用于提升低品質(zhì)的光熱用于大棚保溫，背離了“按質(zhì)用能”的能源利用原則，造成的結(jié)果是大棚保溫的能耗高和光伏發(fā)電的投資成本顯著增加。

7、（3）白天太陽(yáng)光照強(qiáng)時(shí)大棚內(nèi)不需要保溫或保溫消耗的電能和光熱能較少，光伏光熱用于溫室大棚保溫主要發(fā)生在夜間，白天光伏發(fā)電難以低成本存儲(chǔ)用于夜間驅(qū)動(dòng)熱泵，收集的光熱難以用于大棚夜間保溫，缺少將光伏電能和光熱熱能間合理匹配從而實(shí)現(xiàn)大棚的高效蓄熱保溫。

8、（4）多采用熱風(fēng)介質(zhì)，以空氣對(duì)流的傳熱方式對(duì)大棚內(nèi)的作物進(jìn)行保溫，造成的結(jié)果是熱空氣從作物莖部向上流動(dòng)，熱空氣沒有作用在作物生長(zhǎng)最需要保溫的根部，保溫對(duì)作物生長(zhǎng)的作用效果不佳，缺少針對(duì)大棚種植特殊性的保溫傳熱方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，提供一種集熱、蓄熱和電輔助加熱交替運(yùn)行、提高光伏發(fā)電效率和熱利用效率的光伏光熱一體化蓄熱保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)以大棚保溫為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，將光伏發(fā)電產(chǎn)生的熱量帶走直接用于蓄熱水箱的熱源，減少了光伏發(fā)電的電負(fù)荷和投資成本；采用蓄熱水箱和電加熱水箱，實(shí)現(xiàn)了將白天太陽(yáng)光伏光熱用于夜間的保溫；采用北墻布置相變集熱板，通過增加光熱熱量實(shí)現(xiàn)了光伏電能和光熱熱能間合理匹配，保證了大棚的高效蓄熱保溫，利用北墻豎壁空間實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚空間的高效利用，適用于大棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的集熱技術(shù)；將滴灌裝置用于作物根部保溫，提高了傳熱效率和保溫效果。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于光伏光熱的大棚蓄熱保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括蓄熱裝置、相變集熱裝置、滴灌裝置、地?zé)嵫b置、光伏光熱組件和卷簾機(jī)；

4、所述蓄熱裝置中蓄熱水箱依次經(jīng)光伏調(diào)節(jié)閥、光伏循環(huán)泵連接至光伏光熱組件，再經(jīng)管路連接回蓄熱水箱；

5、所述相變集熱裝置中相變集熱板依次為吸熱板、粘結(jié)劑、固體相變層、流體通道和保溫層；所述蓄熱水箱依次經(jīng)集熱調(diào)節(jié)閥、集熱循環(huán)泵連接至流體通道的進(jìn)口端，流體通道的出口端通過管路連接回蓄熱水箱；

6、所述地?zé)嵫b置中電加熱水箱依次經(jīng)地?zé)嵫h(huán)泵、地?zé)崆伴y連接至地?zé)峁艿囊欢?，地?zé)峁艿牧硪欢私?jīng)地?zé)岷箝y由管路連接回電加熱水箱；

7、所述滴灌裝置中滴灌水箱依次經(jīng)滴灌循環(huán)泵、滴灌調(diào)節(jié)閥連接至地?zé)峁埽責(zé)峁艿牡喂喑鏊谂c滴灌進(jìn)水口連接，滴灌進(jìn)水口連接的管路段設(shè)置電磁截流閥和滴灌口，管路的端部設(shè)置噴霧口；

8、所述蓄熱水箱與電加熱水箱之間設(shè)置導(dǎo)熱板9。

9、所述光伏光熱組件與電加熱水箱、光伏循環(huán)泵、集熱循環(huán)泵、地?zé)嵫h(huán)泵、滴灌循環(huán)泵、卷簾機(jī)、照明燈、蓄電池進(jìn)行電連接。

10、所述蓄熱水箱與電加熱水箱的外層設(shè)置氣凝膠保溫材料。

11、一種基于光伏光熱的大棚蓄熱保溫系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：

12、a、光伏光熱組件與蓄熱水箱相連，其中的石蠟溶液/氧化石墨烯相變流體流經(jīng)光伏光熱組件時(shí)進(jìn)行換熱，帶走的熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱水箱中；

13、b、相變集熱板與蓄熱水箱相連，相變集熱板中的吸熱層吸收太陽(yáng)輻射的熱量，由固體相變層儲(chǔ)存；

14、當(dāng)蓄熱水箱中的石蠟溶液/氧化石墨烯相變流體流經(jīng)流體通道時(shí)，進(jìn)行換熱，熱量被帶至蓄熱水箱2中儲(chǔ)存；

15、c、蓄熱水箱通過導(dǎo)熱板與電加熱水箱中的水進(jìn)行換熱，初步加熱電加熱水箱中的水；

16、d、電加熱水箱與地?zé)峁芟噙B，電加熱水箱內(nèi)的溫控系統(tǒng)根據(jù)棚內(nèi)的溫度需要，將經(jīng)過蓄熱水箱預(yù)熱的水自動(dòng)加熱到需要的水溫

17、e、電加熱水箱中的水通過水泵運(yùn)送到地?zé)峁埽瑹崃客ㄟ^地?zé)峁軅鬟f到植被層；

18、f、滴灌水箱、地?zé)峁堋⒌喂嘌b置相連，滴灌裝置的電磁截流閥開啟，調(diào)節(jié)滴灌口的開度，滴灌水箱的水經(jīng)地?zé)峁芎偷喂嘌b置對(duì)植被進(jìn)行滴灌；

19、g、當(dāng)棚內(nèi)溫度過高時(shí)，旋轉(zhuǎn)開啟噴霧口，進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻降溫。

20、一種基于光伏光熱的大棚蓄熱保溫系統(tǒng)的工作模式：

21、i）天氣晴朗的白天運(yùn)行模式：

22、打開光伏調(diào)節(jié)閥和集熱調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉地?zé)崆伴y、地?zé)岷箝y和滴灌調(diào)節(jié)閥，光伏光熱組件和相變集熱板中20～25℃的相變流體經(jīng)太陽(yáng)光照射后升溫至35～40℃，通過光伏循環(huán)泵和集熱循環(huán)泵將升溫后的相變流體輸送到蓄熱水箱儲(chǔ)存；

23、ii）溫度要求不高的夜晚運(yùn)行模式：

24、打開集熱調(diào)節(jié)閥和集熱水泵，關(guān)閉光伏調(diào)節(jié)閥、地?zé)崆伴y、地?zé)岷箝y和滴灌調(diào)節(jié)閥，蓄熱水箱中的30～35℃低溫相變流體將熱量傳遞給相變集熱板，相變集熱板通過對(duì)流換熱將熱量傳遞到大棚內(nèi)；

25、iii）氣溫較低且光照不足的運(yùn)行模式：

26、打開地?zé)崆伴y和地?zé)岷箝y，關(guān)閉光伏調(diào)節(jié)閥、集熱調(diào)節(jié)閥和滴灌調(diào)節(jié)閥，電加熱水箱中的水吸收蓄熱水箱中的熱量變成30℃±5℃的低溫?zé)崴M(jìn)一步經(jīng)電加熱處理到設(shè)定溫度，由地?zé)嵫h(huán)閥將加熱后的水運(yùn)送到地?zé)峁?，熱量通過地?zé)峁苌l(fā)到植被層；

27、iv）氣溫較低且日間光照充足的夜間運(yùn)行模式：

28、打開集熱調(diào)節(jié)閥、地?zé)崆伴y、地?zé)岷箝y，關(guān)閉光伏調(diào)節(jié)閥和滴灌調(diào)節(jié)閥，蓄熱水箱與電加熱水箱中的熱量分別通過相變集熱板和地?zé)峁軅鞯酱笈飪?nèi)；

29、v）滴灌模式：

30、打開滴灌調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉地?zé)崆伴y、地?zé)岷箝y，滴灌裝置的電磁截流閥開啟，調(diào)節(jié)滴灌口的開度，滴灌水箱的水經(jīng)過地?zé)峁芎偷喂嘌b置對(duì)植被進(jìn)行滴灌；當(dāng)棚內(nèi)溫度過高時(shí)，旋轉(zhuǎn)開啟滴灌裝置的噴霧口，進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻降溫。

31、進(jìn)一步地，所述地?zé)峁芗绕鸬絺鬟f熱量的作用，又起到灌溉的作用，當(dāng)灌溉時(shí)，連接電加熱水箱的閥門關(guān)閉，連接滴灌水箱的閥門打開，滴灌裝置的電磁閥門打開，水泵將滴灌水箱中的水送到滴灌裝置進(jìn)行灌溉；當(dāng)傳遞熱量時(shí)，連接滴灌水箱的閥門關(guān)閉，連接電加熱水箱的閥門打開，通過水泵將加熱的水送到地?zé)峁苓M(jìn)行換熱。

32、所述相變集熱板通過水泵與蓄熱水箱相連，收集太陽(yáng)輻射的熱量，加熱蓄熱水箱中的流體介質(zhì)，當(dāng)夜晚或光照不充分的白天，相變集熱板還可充當(dāng)散熱板，將蓄熱水箱內(nèi)的熱量通過對(duì)流換熱的方式傳到棚內(nèi)。

33、進(jìn)一步，所述光伏光熱組件置于大棚的后方，不妨礙大棚的操作，不對(duì)棚內(nèi)植被產(chǎn)生遮光影響，方便拆卸維修；光伏板背面為由吹脹鋁板工藝制成的網(wǎng)格型流體通道，提高了傳熱效率；

34、進(jìn)一步，所述光伏光熱組件，相變集熱板和蓄熱水箱內(nèi)的流體介質(zhì)為石蠟溶液/氧化石墨烯復(fù)合相變材料，相比于水，有更好導(dǎo)熱性能和更高的蓄熱密度；

35、進(jìn)一步，所述蓄熱水箱和電加熱水箱外部有氣凝膠保溫材料，電加熱水箱內(nèi)有溫控系統(tǒng)，根據(jù)棚內(nèi)的溫度需要，自動(dòng)加熱到需要的水溫；

36、進(jìn)一步，所述滴灌裝置通過橡膠頭與地?zé)峁芟噙B，在接口處的后面有一個(gè)控制開閉的電磁閥，通過水帶與滴灌桿相連，滴灌桿可以根據(jù)植被的位置安放，底部的錐頭插入土中起固定作用，滴灌桿上有可調(diào)節(jié)大小的滴灌口，滴灌桿的頂部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)開閉的噴霧嘴，當(dāng)棚內(nèi)溫度過高時(shí)，通過直接蒸發(fā)冷卻的方式進(jìn)行降溫。

37、本發(fā)明的有益效果是：

38、（1）無(wú)需外界提供電力或消耗燃料，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電和光熱熱量實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚保溫，大幅度降低大棚保溫的成本。

39、（2）依據(jù)大棚保溫的要求合理匹配光伏電能和光熱熱能，以光伏發(fā)電的光熱和相變集熱板的低品質(zhì)光熱作為大棚保溫的主要熱源，收集的光熱無(wú)需消耗高品質(zhì)電能而是直接存儲(chǔ)到蓄熱水箱用于大棚保溫，光伏發(fā)電加熱電加熱水箱輔助用于大棚保溫，將光熱和光電分別存儲(chǔ)于蓄熱水箱和電加熱水箱，實(shí)現(xiàn)了將白天太陽(yáng)能低成本用于夜間大棚保溫。

40、（3）利用北墻豎壁空間大和滴灌裝置直接與作物根部接觸的大棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開發(fā)適用于大棚的光熱保溫技術(shù)，在北墻豎壁布置相變集熱板，既能充分利用太陽(yáng)光提高光熱收集效率，又節(jié)省了大棚內(nèi)作物種植空間，利用既有的滴灌裝置用作大棚保溫的地?zé)峁埽瑹崃恐苯觽鬟f給作物的根部提高了保溫的效果和傳熱速率。