CN103026983A - 基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱 - Google Patents

基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，本发明使用了太阳能光-热转换和太阳能光-电转换技术，其中的太阳能光伏发电采用了手动调节+自动控制的太阳能跟踪系统，采用的基于上位机和下位机的单片机主从式控制系统不仅以较低的控制成本实现了太阳能跟踪，还以循环热水和电加热的方式适时实现了孵化箱内部孵化温度的互补，充分利用了太阳能较高的光-热转换效率和太阳能光伏发电易保存的优点，实现了完全依靠太阳能孵化家禽和鸟类的问题。

Description

基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱
技术领域
本发明涉及用于家禽与鸟类孵化的太阳能孵化箱，具体涉及一种基于光-热转换和光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱。
背景技术
为了应对全球所面临的能源危机、减少不可再生能源的消耗，促进人类社会的可持续发展，近年来世界上许多国家开展了太阳能热水器、太阳能光伏发电、太阳能光-热发电等研究，太阳能集热和太阳能光伏发电的研究相对成熟，目前已得到广泛的应用。由于水的热容较大，以光-热转换效率较高的太阳能集热技术实现太阳能的转换，将光-热转换得到的热水作为孵化箱加热的介质。在热水温度不足于维持孵化温度的情况下，光伏发电系统产生的电能作为孵化箱内部制热的互补热源，由于光伏发电控制系统采用了待机控制算法以及手动控制开关，因此能够以较低的功率消耗、较低的控制成本和较高的可靠性实现太阳能跟踪发电，并能够保证整个太阳能孵化箱系统长期稳定运行。太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池不仅能够满足控制系统对电能的需求，还能在热水制热能力不足的情况下提供互补。
常用孵化箱通常使用煤、石油、天然气以及木材等燃料维持孵化箱内部所需的温度，与常用的孵化箱有所不同，本发明采用太阳能集热和太阳能光伏发电相结合的方法维持孵化箱内部所需的温度，但目前在这方面并没有可靠、成熟的研究成果可以用来指导工程应用，因此，开展基于太阳能集热和太阳能光伏发电的孵化箱研制具有重要的现实意义和实用价值。 
为了实现低成本、高效率的太阳能光伏发电，本发明在现有太阳能跟踪发电装置的基础上进行了进一步的发展，开发了由上位单片机和下位单片机构成的低功耗、低成本和高可靠性的主从式控制系统，能够完成太阳能光伏发电电能储存、孵化箱内部的温度、湿度智能控制，在国内相关研究领域中，难以找出完全依靠太阳能实现孵化工作的装置，本发明针对这一难题提供了解决方案。
发明内容
本发明提供了一种基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱。
本发明的技术方案如下：
基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，包括有孵化箱，孵化箱中设有孵化槽，其特征在于：还包括有太阳能集热装置、光伏发电系统、储电与控制系统；所述孵化箱中设有电加热器、金属换热器、风扇、温度传感器、湿度传感器、加湿器；所述太阳能集热装置包括有支架、安装在支架上的若干太阳能集热管和水箱；所述光伏发电系统包括有太阳能电池板、金属托架、定位支架，太阳能电池板安装在金属托架上，金属托架的背面设有两个对称的挂耳，定位支架呈倒U型且固定在水平底板上，水平底板上还固定有步进电机，步进电机连接到蜗轮蜗杆组件的动力输入端，定位支架的顶部中间开有轴承座并设有滚动轴承，定位支架的顶部位于滚动轴承的两侧分别置有一个行程开关，滚动轴承中安装有垂直转动轴，垂直转动轴的上部的侧壁上安装有一个水平杆，水平杆可触碰到行程开关，垂直转动轴的下端贯穿定位支架连接到蜗轮蜗杆组件的动力输出端，垂直转动轴的上端沿径向开有一个通孔，垂直转动轴的上端伸至金属托架的两个挂耳之间通过手动调节机构固定；所述储电与控制系统包括有蓄电池、控制模块；所述金属换热器的进水端通过双层真空杜瓦管与太阳能集热装置的水箱的出水端连接，金属换热器的出水端通过双层真空杜瓦管与太阳能集热装置的水箱的进水端连接，金属换热器的出水端与太阳能集热装置的水箱之间的双层真空杜瓦管上设有电磁阀和循环泵；太阳能电池板的电源引出线接入控制模块，控制模块与蓄电池连接，蓄电池与电加热器连接，电加热器与蓄电池之间连接有电磁继电器，控制模块还与步进电机、电磁继电器、电磁阀、循环泵、加湿器、风扇控制连接，温度传感器、湿度传感器通过总线接入控制模块。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述杜瓦管采用双层真空杜瓦管，减小了热水流动过程中的热量损失。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述光伏发电控制系统采用了待机算法，节省了控制系统的电能消耗。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述两个行程开关分别置于太阳能电池板转动的起始位置和复位基准位置，太阳能电池板在行程开关、转动装置和控制模块的作用下可在白天的设定时间内实现太阳能跟踪。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述控制模块包括有基于上位机和下位机的单片机主从控制系统，从而简化了控制电路并提高了控制系统的可靠性。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述控制模块的太阳能跟踪控制电路上具有电源手动控制开关，可在阴天和夜间等光强较弱的状况下实现太阳能跟踪控制电路断电，从而进一步节省控制系统的电能消耗。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述太阳能电池板的电源引出线根部采用了防水密封胶进行密封，提高了电源引出线根部在下雨等潮湿环境下的抗氧化与抗腐蚀能力。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述太阳能电池板的电源引出线根部采用了镀金工艺，提高了电源引出线根部的抗
氧化和抗腐蚀能力，并进一步减小了接头电阻，从而降低了电能的损耗。
所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述的手动调节机构为相互配合的螺栓与螺母，螺栓贯穿金属托架背面的两个挂耳与垂直转动轴上端的通孔，将垂直转动轴与金属托架固定在一起，金属托架可在垂直转动轴上俯仰活动。
本发明的原理：
太阳能孵化箱的孵化温度的维持依靠光-热转换集热器产生的热水和太阳能光伏发电系统产生的电能。太阳能集热管根据光-热转换原理将水箱中的冷水进行加热；太阳能集热器与孵化箱之间的双层杜瓦管降低了热水的热量损失，孵化箱内部的金属换热器具有较高的热交换能力；孵化箱内部的电加热器、温度传感器、湿度传感器与加湿器、循环泵、电磁阀与单片机组成的闭环控制系统共同维持孵化箱内所需的孵化温度与湿度。
本发明的优点是：
本发明能实现孵化箱在设定的温度、湿度传感与加湿器范围内可靠、连续的工作；本发明不仅以太阳能集热产生的热水实现孵化箱的制热，还以太阳能光伏发电、储电系统实现孵化箱的保温以及在集热不足情况下的互补制热；具有太阳能跟踪功能的发电系统采用了手动调节+自动控制的跟踪方式，简化了跟踪装置的结构并降低了跟踪动作的电能消耗，以上位单片机和下位单片机构建的主从式控制系统实现了太阳能发电与储电系统的控制，以及孵化箱内所需温度、湿度的控制与调节。
附图说明
图1是本发明的组装总体示意图。
图2是本发明的结构分解示意图。
具体实施方式
参见图1所示，一种基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，一组太阳能电池板1支撑在金属托架2上，金属托架2通过手动调节机构3与垂直转动轴4连接，垂直转动轴4上焊接有一个水平杆5，水平杆5与倒U型定位支架6上的行程开关7接触后确定太阳能电池板1的起始和返回位置，垂直转动轴4的下部与滚动轴承8配合安装，滚动轴承8固定在倒U型定位支架6上，倒U型定位支架6通过螺栓连接到水平底板9上，固定在水平底板9上的步进电机10连接到蜗轮蜗杆组件的动力输入端，垂直转动轴4的下端连接到蜗轮蜗杆组件的动力输出端，太阳能电池板电源引出线11连接到由单片机构成的太阳能跟踪、蓄电池充电与放电、孵化控制模块12，蓄电池13除了为控制模块12提供工作电源，还为孵化箱14内部电加热器15提供制热所需的电源，控制模块12对电磁继电器16的控制实现电加热器15电源的接通和断开，连接到孵化箱14内部金属换热器17的双层真空杜瓦管18来自支架19、太阳能集热管20和水箱21组成的太阳能集热装置，热水由水箱21流经双层真空杜瓦管18直到孵化箱14内部的金属换热器17，热水通过金属换热器17后经过电磁阀22和循环泵23返回水箱21，当孵化箱14内的温度超过设定的孵化温度，孵化箱内部的风扇24转动达到散热的目的，同时控制模块控制循环泵23减小热水的流量，当孵化箱14内部由于夜间或者太阳能光强较弱造成热水温度低于所需的孵化温度，控制模块12在自动关闭水循环系统的同时开启由蓄电池13驱动的位于孵化箱内部的电加热器15，孵化箱14内部的温度传感器25和湿度传感与加湿器26实现温度和湿度的测量与控制，孵化槽27实现了被孵化蛋类的存放。
太阳能电池板1及其金属托架2安装在具有太阳能跟踪功能的装置上，该装置能够实现太阳能电池板1绕水平轴的手动调节，以及太阳能电池板1绕垂直轴的自动调节。跟踪装置中的蜗轮蜗杆组件不仅可以实现垂直转动轴4的平稳转动，还可以实现垂直转动轴4在风等外载荷作用下的自锁；跟踪装置中的行程开关7是太阳能电池板1实现太阳能跟踪的起点和复位的初始位置；跟踪装置的单片机主从控制系统具有定时转动和待机控制功能，通过控制系统的手动控制开关，可以实现夜间和阴天等光线较弱条件下关闭太阳能跟踪装置的控制系统，从而进一步降低控制系统的电能消耗。太阳能集热器产生的热水流经孵化箱内部的金属换热器并返回热水箱，在储水箱内的水温低于孵化温度的情况下，通过蓄电池对孵化箱内部的加热器通电实现互补加热。
参见图2所示，手动调节+自动控制的太阳能跟踪系统简化了跟踪系统的结构，降低了跟踪系统的电能消耗和建造成本，提高了跟踪系统的可靠性。当杜瓦管内的热水流经换热器产生的制热温度低于孵化温度，蓄电池中储存的电能对孵化箱内的电加热器加热，从而实现孵化温度的互补。太阳能集热装置与孵化箱之间的双层真空杜瓦管降低了热水流动过程中的热量损失，孵化箱内的温度、湿度传感与加湿器以及单片机主从式控制系统实现了孵化箱内温度、湿度的调控。
本发明可应用于太阳能丰富地区但缺乏市电的山区、海岛、沙漠等偏远地区的家禽与鸟类孵化。为了节省煤、石油、天然气等不可再生资源，利用可再生的太阳能作为孵化能源，基于太阳能光-热转换和太阳能光伏发电技术，结合单片机控制技术和传感器技术等交叉学科发展了具有实用价值的太阳能孵化箱。在结构上，本发明采用了模块化的结构，便于拆装与运输。
以上所述仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明的任何形式上的限制。事实上，只要是期望利用太阳能的光-热转换、光-电转换实现家禽与鸟类的孵化，以及利用太阳能的光-热转换、光-电转换实现容器的恒温、恒湿控制，都可以参考本发明的技术方案予以设计。但凡是未脱离本发明的技术方案的内容，仅是依据本发明的技术实质对所述基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱的简单修改，或是等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围之内。

Claims (9)

1.基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，包括有孵化箱，孵化箱中设有孵化槽，其特征在于：还包括有太阳能集热装置、光伏发电系统、储电与控制系统；所述孵化箱中设有电加热器、金属换热器、风扇、温度传感器、湿度传感器、加湿器；所述太阳能集热装置包括有支架、安装在支架上的若干太阳能集热管和水箱；所述光伏发电系统包括有太阳能电池板、金属托架、定位支架，太阳能电池板安装在金属托架上，金属托架的背面设有两个对称的挂耳，定位支架呈倒U型且固定在水平底板上，水平底板上还固定有步进电机，步进电机连接到蜗轮蜗杆组件的动力输入端，定位支架的顶部中间开有轴承座并设有滚动轴承，定位支架的顶部位于滚动轴承的两侧分别置有一个行程开关，滚动轴承中安装有垂直转动轴，垂直转动轴的上部的侧壁上安装有一个水平杆，水平杆可触碰到行程开关，垂直转动轴的下端贯穿定位支架连接到蜗轮蜗杆组件的动力输出端，垂直转动轴的上端沿径向开有一个通孔，垂直转动轴的上端伸至金属托架的两个挂耳之间通过手动调节机构固定；所述储电与控制系统包括有蓄电池、控制模块；所述金属换热器的进水端通过双层真空杜瓦管与太阳能集热装置的水箱的出水端连接，金属换热器的出水端通过双层真空杜瓦管与太阳能集热装置的水箱的进水端连接，金属换热器的出水端与太阳能集热装置的水箱之间的双层真空杜瓦管上设有电磁阀和循环泵；太阳能电池板的电源引出线接入控制模块，控制模块与蓄电池连接，蓄电池与电加热器连接，电加热器与蓄电池之间连接有电磁继电器，控制模块还与步进电机、电磁继电器、电磁阀、循环泵、加湿器、风扇控制连接，温度传感器、湿度传感器通过总线接入控制模块。
2.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述光伏发电控制系统采用了待机算法。
3.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述杜瓦管采用双层真空杜瓦管。
4.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述两个行程开关分别置于太阳能电池板转动的起始位置和复位基准位置。
5.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述控制模块包括有基于上位机和下位机的单片机主从控制系统。
6.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述控制模块的太阳能跟踪控制电路上具有电源手动控制开关，可在阴天和夜间等光强较弱的状况下实现太阳能跟踪控制电路断电。
7.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述太阳能电池板的电源引出线根部采用了防水密封胶进行密封。
8.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述太阳能电池板的电源引出线根部采用了镀金工艺。
9.根据权利要求1所述的基于光-热转换与光伏发电、储电系统的太阳能孵化箱，其特征在于：所述的手动调节机构为相互配合的螺栓与螺母，螺栓贯穿金属托架背面的两个挂耳与垂直转动轴上端的通孔，将垂直转动轴与金属托架固定在一起，金属托架可在垂直转动轴上俯仰活动。
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