CN104663266A - 一种植物工厂的太阳光综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物工厂的太阳光综合利用系统，包括聚光系统和分光系统；聚光系统包括N个菲涅尔透镜模块，分光系统包括N个分光模块；菲涅尔透镜模块对太阳光进行汇聚并照射到分光模块上；分光模块包括太阳能电池板、反射板和连接杆，太阳能电池板受光面与反射板反射面相对设置；在太阳能电池板受光面覆盖光学薄膜，光学薄膜用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；经光学薄膜的反射光反射到反射板上并经反射板二次反射用于植物生长，经光学薄膜的透射光照射到太阳能电池板上用于光伏发电。本发明的太阳光综合利用系统，满足了植物生长和太阳能光伏发电的双重功能，实现了植物工厂中太阳能的高效综合利用。

Description

一种植物工厂的太阳光综合利用系统
技术领域
本发明涉及太阳光综合利用技术领域，尤其涉及一种植物工厂的太阳光综合利用系统。
背景技术
随着经济发展水平的提高，人们对食品和环境的质量也提出了更高的要求，低碳生活、生态农业的概念应运而生，而植物工厂无疑是对生态农业的一个很好的诠释。长期以来，由于投资成本高、能耗高等问题限制了植物工厂的发展，其种植品种也主要是花卉、药草等。太阳光利用型植物工厂较人工光型植物工厂其投资成本、能耗等要小很多，便于我国现阶段大面积的推广种植。
业内普遍认为，红光、蓝光处于植物光合作用谱的两峰值处，两者是影响植物生长最主要的光源，也是植物需求量最大的光源，其他波长的光对光合作用等影响相对较小；有研究表明，绿光对某些植物的生长还具有一定的反向作用。尤其在夏季，很多时候强烈的阳光不但使农作物处于光抑制状态，还使农作物和土壤中的水分大量蒸发，对植物生长严重不利。
普通的太阳光利用型植物工厂是将接收到的全部太阳光用于种植；有些利用太阳能的植物工厂或太阳能发电站等，它们是将全部的太阳光都用于发电，再用所发的电能来驱动LED灯用植物照明，其光电转换效率很低，在使用直流电直接驱动LED的情况下其转化效率远小于50％，这对于红光、蓝光等对植物生长影响较大的光源来说造成了不必要的损失。
因此，如何开发出一种既可以兼顾植物生长、又可以达到太阳能回收利用的太阳光综合系统，已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种植物工厂的太阳光综合利用系统，满足了植物生长和太阳能光伏发电的双重功能，实现了植物工厂中太阳能的高效综合利用。
本发明提出的一种植物工厂的太阳光综合利用系统，包括聚光系统和分光系统；其中，聚光系统包括N个菲涅尔透镜模块，分光系统包括N个分光模块，N个菲涅尔透镜模块分别与N个分光模块一一对应；
菲涅尔透镜模块用于对太阳光进行汇聚并照射到分光模块上；
分光模块包括太阳能电池板、反射板和连接杆，太阳能电池板和反射板通过连接杆固定连接，太阳能电池板受光面与反射板反射面相对设置；
在太阳能电池板受光面覆盖光学薄膜，光学薄膜用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；经光学薄膜的反射光反射到反射板上并经反射板二次反射用于植物生长，经光学薄膜的透射光照射到太阳能电池板上用于光伏发电。
优选地，聚光系统为在有机材料板的一面注压成型N个菲涅尔透镜模块；优选地，菲涅尔透镜模块的焦距直径比大于等于1；优选地，有机材料板采用亚克力板或者PC板；优选地，有机材料板的另一面为光滑面，光滑面处于外侧用于接收太阳光；优选地，N个菲涅尔透镜模块均匀排布；优选地，N个菲涅尔透镜模块的尺寸相同；优选地，将聚光系统作为植物工厂的屋顶；优选地，聚光系统的有机材料板与水平面之间具有预定的倾角；优选地，对于北半球地区屋顶向南具有一个倾角，对于南半球地区屋顶向北具有一个倾角；优选地，倾角的数值为10°-25°，更优选地，倾角的数值为15°。
优选地，根据不同植物生长的光照需求设计光学薄膜的反射特性，反射特性包括反射光谱、反射光强、反射带宽。
优选地，光学薄膜反射预定波长范围的光包括红光和蓝光等其他有利于植物生长的光。
优选地，太阳能电池板与反射板平行布置；或者，太阳能电池板与反射板之间具有预定夹角α，其中α≤15°，优选地，α≤12°，优选地，α≤10°，优选地，α≤8°，优选地，α≤5°，优选地，α≤3°，优选地，α≤2°。
优选地，太阳能电池板与反射板错位布置，太阳能电池板的中心轴线与反射板的中心轴线不在同一直线上并保持预定距离；优选地，入射到太阳能电池板上光学薄膜的入射光线与光学薄膜的反射法线之间的夹角β＞0°，以使得入射光线与反射光线之间没有重叠部分；优选地，入射光线处于太阳能电池板与反射板之间；优选地，经反射板二次反射的反射光线处于太阳能电池板之外。
优选地，太阳能电池板采用单晶硅背栅电极太阳能电池或者宽光谱太阳能电池；优选地，宽光谱太阳能电池采用锑化镉或者铜铟镓硒；
优选地，反射板为可见光全光谱范围内全反射板；
优选地，连接杆为金属杆；优选地，金属杆与太阳能电池板上的管脚连接用于传输光伏发电电能。
优选地，还包括联动控制系统，联动控制系统与分光系统连接，联动控制系统用于根据太阳光的入射角度调整分光系统中分光模块的位置和角度。
优选地，联动控制系统包括平行四边形框架，平行四边形框架由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆围成，第一连杆与第三连杆相对设置并且其长度较长，第二连杆与第四连杆水平相对设置并且其长度较短，第一连杆与第三连杆的一端分别与第二连杆的两端铰接，第一连杆与第三连杆的另一端分别与第四连杆的两端铰接，N个反射板的两端分别铰接在第一连杆和第三连杆上，并且，N个反射板与第二连杆和第四连杆平行；
优选地，联动控制系统还包括支架，平行四边形框架安装在支架上，在支架与平行四边形框架之间设有驱动机构，驱动机构用于驱动平行四边形框架中第一连杆与第二连杆相对转动以调整反射板的位置与角度；
优选地，平行四边形框架中第一连杆或第三连杆的端部或中部固定在支架上，驱动机构与第二连杆或第四连杆连接；或者，平行四边形框架中第二连杆和第四连杆的端部或中部可转动地安装在支架上，驱动机构与平行四边形框架中任一连杆连接；
优选地，支架包括两根支腿，两根支腿高度可调；优选地，支腿由两个套筒套接而成，通过调节两个套筒的重合长度实现支腿高度可调；优选地，在支腿上设有锁紧机构用于两个套筒进行锁紧；
优选地，驱动机构为直线驱动机构，优选为气缸或油缸；优选地，驱动机构为转动驱动机构和钢丝牵引机构，优选为电机。
优选地，分光系统处于聚光系统所覆盖的密闭空间之内；优选地，联动控制系统处于聚光系统所覆盖的密闭空间之内。
本发明中，通过聚光系统对太阳光进行汇聚，并通过分光系统对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经过光学薄膜反射到反射板上进行二次反射之后用于植物生长，另一部分太阳光经过光学薄膜透射到太阳能电池板上进行光伏发电，兼顾了植物生长和太阳能光伏发电的双重功能，实现了植物工厂中太阳能的高效综合利用。进一步地，通过设置联动控制系统与分光系统连接，联动控制系统可以根据太阳光的入射角度来调整分光系统中分光模块的位置和角度，以实现分光系统的追日运行，实现了对太阳光能量利用的最大化。
附图说明
图1为本发明提出的一种植物工厂的太阳能综合利用系统的光学原理图。
图2为图1中分光模块的结构示意图。
图3为图2中分光模块的反射光学原理图。
图4为图1中联动控制系统的结构示意图。
图5为图1中分光系统与联动控制系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，图1为本发明提出的一种植物工厂的太阳能综合利用系统的光学原理图，图2为图1中分光模块的结构示意图，图3为图2中分光模块的反射光学原理图，图4为图1中联动控制系统的结构示意图，图5为图1中分光系统与联动控制系统的结构示意图。
参照图1，本发明实施例提出的一种植物工厂的太阳光综合利用系统，包括聚光系统和分光系统；其中，聚光系统包括N个菲涅尔透镜模块1，分光系统包括N个分光模块2，N个菲涅尔透镜模块1分别与N个分光模块2一一对应；
菲涅尔透镜模块1用于对太阳光进行汇聚并照射到分光模块2上；
参照图2和图3，分光模块2包括太阳能电池板21、反射板22和连接杆23，太阳能电池板21和反射板22通过连接杆23固定连接，太阳能电池板21受光面与反射板22反射面相对设置；
在太阳能电池板21受光面覆盖光学薄膜24，光学薄膜24用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；太阳光经过汇聚之后照射到太阳能电池板21的光学薄膜24上进行分光，经光学薄膜24的反射光反射到反射板22上并经反射板22二次反射用于植物生长，经光学薄膜24的透射光照射到太阳能电池板21上用于光伏发电。
在本发明实施例中，通过聚光系统对太阳光进行汇聚，并通过分光系统对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经过光学薄膜反射到反射板上进行二次反射之后用于植物生长，另一部分太阳光经过光学薄膜透射到太阳能电池板上进行光伏发电，兼顾了植物生长和太阳能光伏发电的双重功能，实现了植物工厂中太阳能的高效综合利用。
在本发明实施例中，可以将聚光系统制作成太阳光利用型植物工厂的屋顶，并将分光系统设在聚光系统所覆盖的密闭空间之内，从而便于对植物工厂中温度、湿度等环境参数的调节与控制。
在聚光系统中以有机材料板作为基体，以有机材料板作为植物工厂的屋顶；在有机材料板的一面注压成型N个均匀排布并且尺寸相同的菲涅尔透镜模块1，有机材料板的另一面为光滑面，光滑面处于外侧用于接收太阳光，这样易于保持屋顶清洁的同时，也可以减少堆积的灰尘、水珠等对菲涅尔透镜模块1聚光特性的影响。在聚光系统的选材方面，有机材料应保证具有较高的透光率、稳定性和机械强度，例如，有机材料板可采用亚克力板或者PC板等。
在聚光系统的安装过程中，为了接收更多的太阳光，作为植物工厂屋顶的有机材料板与水平面之间具有预定的倾角；对于倾角的设置方向与其所处地区相关，对于北半球地区而言，正午时分太阳偏南，将屋顶设置为东西方向平行，并且屋顶向南具有一个倾角，对于南半球地区而言，其与北半球地区刚好相反，设置屋顶向北具有一个倾角。关于倾角的数值，可以在10°-25°之间进行选择，其中以15°为佳；基于太阳光的入射角度在不同地区的差别较大，对于纬度较高的地区不同季节太阳光入射角度的差距也较大，因此，对于倾角的具体数值可以更加不同地区所处的实际情况进行选择，其不做精确的要求。通过将聚光系统的有机材料板倾斜设置，还方便对屋顶表面进行清洁，提高了清洁的可操作性和清洁效果。
聚光系统的菲涅尔透镜模块1将入射截面较大的太阳光汇聚成光斑并照射到分光模块2的太阳能电池板21上，并通过太阳能电池板21上的光学薄膜24进行分光。考虑到太阳能电池板21上光学薄膜24的入射光线的入射立体角是由菲涅尔透镜模块1所决定的，因此选择菲涅尔透镜模块1具有较大的焦距直径比，例如菲涅尔透镜模块1的焦距直径比大于等于1，具体地其焦距直径比可以为1、2或其他大于1的数值，这样光学薄膜24上的入射光线和反射光线才能具有较小的发散角，进而可以有效地减小太阳能电池板21和反射板22的面积，可使用面积较小的反射板22来接收光学薄膜的反射光线并进行二次反射，同时使用面积更小的太阳能电池板也可以减小对二次反射光线的遮挡。
参加图3，在分光模块2中，太阳能电池板21上的光学薄膜24用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光。在具体设计时，可以根据不同植物生长的光照需求来设计光学薄膜24的反射特性，其中反射特性包括反射光谱和反射光强。例如，光学薄膜24反射预定波长范围的光可以包括红光和蓝光，经光学薄膜24反射的红光和蓝光通过反射板22进行二次反射后照射到底面上用于植物生长；相应地，根据不同植物在生长过程中对红光和蓝光的光强需求，可以对光学薄膜24反射的红光和蓝光的光强比例进行设计；对于西红柿来说，红光和蓝光的光强比例大约为9:1时能满足其生长需求，西红柿的口感、维生素、微量元素等营业指标更高。需要说明的是，除了红光和蓝光以外，还可以设计光学薄膜反射其他有利于植物生长的其他波长范围的光。另外，光学薄膜24透射的光可以包括红外光和紫外光等，通过将红外光和紫外光透射掉，可以减小红外光对水分的蒸发以及紫外光对植物细胞的伤害，更加有利于植物的生长和植物工厂的温度湿度控制。再者，控制光学薄膜24具有较大的反射带宽，例如反射带宽大约为50nm，以保证有足够的光进行反射以满足植物生长的光照需要。
在实际应用过程中，通过光学薄膜反射红光和蓝光用于植物生长，透过光学薄膜的光用于光伏发电，根据光谱积分计算，过滤了红光和蓝光之后进行光伏发电的效率未出现大范围的下降，发电效率的损失很小，其在实际应用过程中具有很强的操作性和实用性。
在分光模块2的结构设计时，可以设计太阳能电池板21与反射板22平行布置，或者，还可以设计太阳能电池板21与反射板22之间具有预定夹角α，优选两者之间的夹角α较小为佳，例如α≤10°，具体地，可以设计α＝10°、8°、5°、4°、3°、2°、1°等其他角度，可以根据实际需要进行具体设置。
在进一步结构设计时，可以设计太阳能电池板21与反射板22错位布置，即太阳能电池板21的中心轴线与反射板22的中心轴线不在同一直线上并保持预定距离；例如，当太阳能电池板21与反射板22平行时，两者的中心轴线相互平行并保持预定距离，或者，当太阳能电池板21与反射板22之间保持较小夹角时，两者的中心轴线虽不平行但也保持预定距离，以实现两者的错位布置。
根据上述结构设计，在实际调试安装中，通过控制入射光线处于太阳能电池板21与反射板22之间，以减小太阳能电池板21对入射光线的遮挡，通过控制太阳能电池板21上光学薄膜24的入射光线与光学薄膜24的反射法线之间的夹角β＞0°，以使得入射光线与反射光线之间没有重叠部分，通过控制反射板22二次反射的反射光线处于太阳能电池板21之外，以减小太阳能电池板对二次反射光线的遮挡。
为了更好地提高太阳光的转化率，更好地兼顾植物生长与光伏发电，选择太阳能电池板21采用单晶硅背栅电极太阳能电池或者宽光谱太阳能电池，其中，宽光谱太阳能电池可采用锑化镉或者铜铟镓硒等。
为了更好地进行二次反射，反射板22是可见光全光谱范围内全反射板，从而以较小的能量损失将光反射到地面上用于植物生长。
太阳能电池板21和反射板22之间的连接杆23起到固定作用，在优选实施例中，可以设计连接杆23为金属杆，金属杆与太阳能电池板21上的管脚连接，通过金属杆将太阳能电池板21进行光伏发电的电能传输出去。
太阳能电池板21进行光伏发电的电能可以采用多种形式进行存储和应用，例如，可以将光伏发电的电能存储在蓄电池中，储存的电能用于植物工厂中相应装置的电能需要，也可以将光伏发电的电能接入电网，以实现并网发电。
在上述实施例中，太阳光综合利用系统包括了聚光系统和分光系统，聚光系统中菲尼尔透镜模块1进行聚光时，其聚光的焦面会随着太阳光的入射角度不同而产生变化，这会使得聚光焦面无法落在或者不能以更佳的角度落在分光系统的太阳能电池板21上，进而影响光学薄膜24的反射和反射板22的二次反射效果，从而无法利用或者不能更好地利用太阳光。
因此，在上述实施例的基础上，本发明的太阳光综合利用系统还包括联动控制系统，联动控制系统与分光系统连接用于根据太阳光的入射角度来调整分光系统中分光模块2的位置和角度，以实现分光系统的追日运行；通过分光系统的追日运行，在不同时刻，分光模块2中太阳能电池板21能够以较好的角度处于菲尼尔透镜模块1的聚光焦面上，以接收全部汇聚光先，并使得光学薄膜24的反射光全部反射在反射板上，实现了对太阳光能力利用的最大化。
参照图4和图5，联动控制系统包括平行四边形框架3和支架4，平行四边形框架3安装在支架4上；平行四边形框架3由第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33和第四连杆34围成，第一连杆31与第三连杆33水平相对设置并且其长度较长，第二连杆32与第四连杆34相对设置并且其长度较短，第一连杆31与第三连杆33的一端分别与第二连杆32的两端铰接，第一连杆31与第三连杆33的另一端分别与第四连杆34的两端铰接，将N个反射板22的两端分别铰接在第一连杆31和第三连杆33上，并且，N个反射板与第二连杆和第四连杆平行；在平行四边形框架3与支架4之间设有驱动机构，驱动机构用于驱动平行四边形框架3中第一连杆31与第二连杆32相对转动，从而调整反射板22的位置与角度。
在具体安装过程中，可以将平行四边形框架3中第一连杆31或第三连杆33的端部或中部固定在支架上，驱动机构与第二连杆32或第四连杆34进行连接；或者，参照图4，将平行四边形框架3中第二连杆32和第四连杆34的端部或中部可转动地安装在支架4上，驱动机构与平行四边形框架3中第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、第四连杆34之间任一连杆进行连接。
其中，支架4包括两根支腿，两根支腿高度可调，通过调节支腿的高度可以进一步调节分光系统与聚光系统之间的距离。
为了实现支腿高度可调，可以设计支腿由两个套筒套接而成，通过调节两个套筒的重合长度实现支腿高度可调，并且，可以在支腿上设有锁紧机构用于两个套筒进行锁紧，从而对支腿的高度进行定位。
在具体设计时，驱动机构可以为直线驱动机构，例如驱动机构为气缸或油缸，其两端分别铰接在平行四边形框架3与支架4上，或者，驱动机构可以为转动驱动机构和钢丝牵引机构，例如驱动机构为电机，可以将电机安装在支架4上，并利用钢丝牵引机构带动平行四边形框架3中第一连杆31与第二连杆32的相对转动。
在实际应用过程中，联动控制系统在控制分光系统进行追日运作时，可以根据太阳光光照情况进行选择，例如，当早晚时分或者冬季太阳光较微弱时，通过联动控制系统控制分光系统远离太阳光的焦面，即不进行光伏发电，将全部的太阳光都用于植物生长，在中间时段或者夏季太阳光较强烈时，启动联动控制系统来控制分光系统进行追日运动，以实现植物生长和光伏发电的双重功能。
在上述实施例中，将分光系统和联动控制系统都设在聚光系统所覆盖的密闭空间之内，从而便于对环境进行控制。
本发明实施例中，通过聚光系统对太阳光进行汇聚，并通过分光系统对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经过光学薄膜反射到反射板上进行二次反射之后用于植物生长，另一部分太阳光经过光学薄膜透射到太阳能电池板上进行光伏发电，兼顾了植物生长和太阳能光伏发电的双重功能，实现了植物工厂中太阳能的高效综合利用。进一步地，通过设置联动控制系统与分光系统连接，联动控制系统可以根据太阳光的入射角度来调整分光系统中分光模块的位置和角度，以实现分光系统的追日运行，实现了对太阳光能量利用的最大化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，包括聚光系统和分光系统；其中，聚光系统包括N个菲涅尔透镜模块(1)，分光系统包括N个分光模块(2)，N个菲涅尔透镜模块(1)分别与N个分光模块(2)一一对应；
菲涅尔透镜模块(1)用于对太阳光进行汇聚并照射到分光模块(2)上；
分光模块(2)包括太阳能电池板(21)、反射板(22)和连接杆(23)，太阳能电池板(21)和反射板(22)通过连接杆(23)固定连接，太阳能电池板(21)受光面与反射板(22)反射面相对设置；
在太阳能电池板(21)受光面覆盖光学薄膜(24)，光学薄膜(24)用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；经光学薄膜(24)的反射光反射到反射板(22)上并经反射板(22)二次反射用于植物生长，经光学薄膜(24)的透射光照射到太阳能电池板(21)上用于光伏发电。
2.根据权利要求1所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，聚光系统为在有机材料板的一面注压成型N个菲涅尔透镜模块(1)；优选地，菲涅尔透镜模块(1)的焦距直径比大于等于1；优选地，有机材料板采用亚克力板或者PC板；优选地，有机材料板的另一面为光滑面，光滑面处于外侧用于接收太阳光；优选地，N个菲涅尔透镜模块(1)均匀排布；优选地，N个菲涅尔透镜模块(1)的尺寸相同；优选地，将聚光系统作为植物工厂的屋顶；优选地，聚光系统的有机材料板与水平面之间具有预定的倾角；优选地，对于北半球地区屋顶向南具有一个倾角，对于南半球地区屋顶向北具有一个倾角；优选地，倾角的数值为10°-25°，更优选地，倾角的数值为15°。
3.根据权利要求1或2所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，根据不同植物生长的光照需求设计光学薄膜(24)的反射特性，反射特性包括反射光谱、反射光强、反射带宽。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，光学薄膜(24)反射预定波长范围的光包括红光和蓝光等其他有利于植物生长的光。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，太阳能电池板(21)与反射板(22)平行布置；或者，太阳能电池板(21)与反射板(22)之间具有预定夹角α，其中α≤15°，优选地，α≤12°，优选地，α≤10°，优选地，α≤8°，优选地，α≤5°，优选地，α≤3°，优选地，α≤2°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，太阳能电池板(21)与反射板(22)错位布置，太阳能电池板(21)的中心轴线与反射板(22)的中心轴线不在同一直线上并保持预定距离；优选地，入射到太阳能电池板(21)上光学薄膜(24)的入射光线与光学薄膜(24)的反射法线之间的夹角β＞0°，以使得入射光线与反射光线之间没有重叠部分；优选地，入射光线处于太阳能电池板(21)与反射板(22)之间；优选地，经反射板(22)二次反射的反射光线处于太阳能电池板(21)之外。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，太阳能电池板(21)采用单晶硅背栅电极太阳能电池或者宽光谱太阳能电池；优选地，宽光谱太阳能电池采用锑化镉或者铜铟镓硒；
优选地，反射板(22)为可见光全光谱范围内全反射板；
优选地，连接杆(23)为金属杆；优选地，金属杆与太阳能电池板(21)上的管脚连接用于传输光伏发电电能。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，还包括联动控制系统，联动控制系统与分光系统连接，联动控制系统用于根据太阳光的入射角度调整分光系统中分光模块(2)的位置和角度。
9.根据权利要求8所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，联动控制系统包括平行四边形框架(3)，平行四边形框架(3)由第一连杆(31)(31)、第二连杆(32)、第三连杆(33)和第四连杆(34)围成，第一连杆(31)与第三连杆(33)水平相对设置并且其长度较长，第二连杆(32)与第四连杆(34)相对设置并且其长度较短，第一连杆(31)与第三连杆(33)的一端分别与第二连杆(32)的两端铰接，第一连杆(31)与第三连杆(33)的另一端分别与第四连杆(34)的两端铰接，N个反射板(22)的两端分别铰接在第一连杆(31)和第三连杆(33)上，并且，N个反射板(22)与第二连杆(32)和第四连杆(34)平行；
优选地，联动控制系统还包括支架(4)，平行四边形框架(3)安装在支架(4)上，在支架(4)与平行四边形框架(3)之间设有驱动机构，驱动机构用于驱动平行四边形框架(3)中任意相邻两个连杆相对转动以调整反射板(22)的位置与角度；
优选地，平行四边形框架(3)中第一连杆(31)或第三连杆(33)的端部或中部固定在支架上，驱动机构与第二连杆(32)或第四连杆(34)连接；或者，平行四边形框架(3)中第二连杆(32)和第四连杆(34)的端部或中部可转动地安装在支架(4)上，驱动机构与平行四边形框架(3)中任一连杆连接；
优选地，支架(4)包括两根支腿，两根支腿高度可调；优选地，支腿由两个套筒套接而成，通过调节两个套筒的重合长度实现支腿高度可调；优选地，在支腿上设有锁紧机构用于两个套筒进行锁紧；
优选地，驱动机构为直线驱动机构，优选为气缸或油缸；优选地，驱动机构为转动驱动机构和钢丝牵引机构，优选为电机。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的植物工厂的太阳光综合利用系统，其特征在于，分光系统处于聚光系统所覆盖的密闭空间之内；优选地，联动控制系统处于聚光系统所覆盖的密闭空间之内。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099359A (zh) * 2015-08-11 2015-11-25 中国科学技术大学先进技术研究院 一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统
CN105915282A (zh) * 2016-03-29 2016-08-31 上海卫星工程研究所 基于太阳光直接泵浦空间光载波发生器的通信系统
CN106857101A (zh) * 2017-04-01 2017-06-20 福建农林大学 一种分光取色的温室系统及其工作方法
CN108271582A (zh) * 2018-02-26 2018-07-13 汤杰 负离子植物生长灯系统
WO2018146288A1 (en) * 2017-02-09 2018-08-16 Elemental Engineering Ag Directional solar panel assembly
CN108633534A (zh) * 2018-06-02 2018-10-12 福建农建发展有限公司 一种植物工厂的太阳光体全息分光器和调光方法
TWI690147B (zh) * 2018-12-11 2020-04-01 財團法人國家實驗研究院 兼具分光發電及農作物需求之集光裝置與方法
CN112825697A (zh) * 2021-02-26 2021-05-25 中科朗劢技术有限公司 解决土地资源紧张的综合生活系统
CN112930918A (zh) * 2021-03-04 2021-06-11 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 密闭植物工厂太阳能立体照明系统
CN114337486A (zh) * 2021-08-01 2022-04-12 张士龙 一种提高等效光电转换效率装置及其方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010166010A (ja) * 2009-01-13 2010-07-29 Tsutomu Watanabe 集光閉空間三次元太陽電池
CN101937934A (zh) * 2010-09-19 2011-01-05 华中科技大学 基于二次反射聚光的太阳能电池
US20110186108A1 (en) * 2010-01-19 2011-08-04 Huazhong University Of Science And Technology Ring architecture for high efficiency solar cells
CN102550334A (zh) * 2012-02-15 2012-07-11 福建农林大学 集光伏发电、特征光谱照明一体的多功能植物栽培设施
CN103138631A (zh) * 2011-11-24 2013-06-05 陕西科林能源发展股份有限公司 一种太阳能聚焦光热分离元件
CN103151962A (zh) * 2013-03-22 2013-06-12 哈尔滨工业大学 一种具有追光传感器的太阳能发电装置
CN103888051A (zh) * 2014-03-24 2014-06-25 北京工业大学 全息聚光分光太阳能发电模块
CN203859722U (zh) * 2014-05-20 2014-10-01 湖北工业大学 一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组
CN203933529U (zh) * 2014-03-24 2014-11-05 北京工业大学 全息聚光分光太阳能发电模块
CN204103862U (zh) * 2014-07-29 2015-01-14 熊伟 一种聚光型太阳能光电光热一体化综合利用系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010166010A (ja) * 2009-01-13 2010-07-29 Tsutomu Watanabe 集光閉空間三次元太陽電池
US20110186108A1 (en) * 2010-01-19 2011-08-04 Huazhong University Of Science And Technology Ring architecture for high efficiency solar cells
CN101937934A (zh) * 2010-09-19 2011-01-05 华中科技大学 基于二次反射聚光的太阳能电池
CN103138631A (zh) * 2011-11-24 2013-06-05 陕西科林能源发展股份有限公司 一种太阳能聚焦光热分离元件
CN102550334A (zh) * 2012-02-15 2012-07-11 福建农林大学 集光伏发电、特征光谱照明一体的多功能植物栽培设施
CN103151962A (zh) * 2013-03-22 2013-06-12 哈尔滨工业大学 一种具有追光传感器的太阳能发电装置
CN103888051A (zh) * 2014-03-24 2014-06-25 北京工业大学 全息聚光分光太阳能发电模块
CN203933529U (zh) * 2014-03-24 2014-11-05 北京工业大学 全息聚光分光太阳能发电模块
CN203859722U (zh) * 2014-05-20 2014-10-01 湖北工业大学 一种聚光-分光型太阳能光伏发电模组
CN204103862U (zh) * 2014-07-29 2015-01-14 熊伟 一种聚光型太阳能光电光热一体化综合利用系统

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099359A (zh) * 2015-08-11 2015-11-25 中国科学技术大学先进技术研究院 一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统
CN105915282A (zh) * 2016-03-29 2016-08-31 上海卫星工程研究所 基于太阳光直接泵浦空间光载波发生器的通信系统
CN105915282B (zh) * 2016-03-29 2019-06-07 上海卫星工程研究所 基于太阳光直接泵浦空间光载波发生器的通信系统
WO2018146288A1 (en) * 2017-02-09 2018-08-16 Elemental Engineering Ag Directional solar panel assembly
US10852039B2 (en) 2017-02-09 2020-12-01 Elemental Engineering Ag Directional solar panel assembly
CN106857101A (zh) * 2017-04-01 2017-06-20 福建农林大学 一种分光取色的温室系统及其工作方法
CN108271582A (zh) * 2018-02-26 2018-07-13 汤杰 负离子植物生长灯系统
CN108633534A (zh) * 2018-06-02 2018-10-12 福建农建发展有限公司 一种植物工厂的太阳光体全息分光器和调光方法
TWI690147B (zh) * 2018-12-11 2020-04-01 財團法人國家實驗研究院 兼具分光發電及農作物需求之集光裝置與方法
CN112825697A (zh) * 2021-02-26 2021-05-25 中科朗劢技术有限公司 解决土地资源紧张的综合生活系统
CN112930918A (zh) * 2021-03-04 2021-06-11 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 密闭植物工厂太阳能立体照明系统
CN114337486A (zh) * 2021-08-01 2022-04-12 张士龙 一种提高等效光电转换效率装置及其方法

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