CN104798625A - 一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，包括温室本体，所述温室覆以光伏发电屋顶和漫射玻璃屋顶，温室内设有光强检测单元阵列、决策单元和通讯系统，所述光伏发电屋顶的向阳面处覆有多个光伏组件，所述光伏组件均匀分布，其透光面积可调，未布设光伏组件的向阳面区域设有漫射玻璃使阳光通过；所述光强检测单元阵列经通讯系统与决策单元相连，向其提供温室光照数据，所述决策单元经通讯系统连接至光伏组件，决策单元对温室光照数据进行判断，向光伏组件发出指令以调整光伏组件的透光面积，以调整温室内的光照。本发明在温室上配置的光伏发电设备能调节温室内的光照，且光伏设备不易在温室内形成明显的阴影。

Description

一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室
技术领域
 本发明涉及农业设施，尤其是一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室。
背景技术
 温室大棚技术是现代设施农业技术得以建立和推广的重要基础。由于温室生产利用自然的太阳光能，能够充分将避雨栽培、节水灌溉、配方施肥、标准化生产等各项技术整合在一起，大幅提高产品的产量、质量和附加值，特别适用于冬季和恶劣气候条件下的生产，充分利用自然光能，生产出优质的反季节蔬菜；传统温室大棚屋顶多由透明的温室薄膜或普通玻璃构成，光线能透过这种透明材料从而为温室内植物的生长提供光合作用所需的能源，但研究表明，日光直射到植物叶面时的太阳光能量的利用率并不高，当阳光直射时，在植物叶片光合作用达到饱和后仍有多余光能量，为此有学者提出可在温室屋顶建立光伏发电设备以利用多余的太阳能发电，供给温室自带的控制、照明、排水等设施使用，但这就必须处理太阳光能在发电和植物生长之间的分配关系。
现有的光伏温室一般有两种形式，一种是在温室大棚屋顶铺设上不透光或半透光的太阳能电池，这种结构将妨碍光线进入温室，导致温室内的光照不足，影响植物的产量和质量；另一种是将太阳能电池板和透光材料间歇地布置在温室的屋顶，使得光线能够通过透光部分透射到温室内供植物生长所需的光能。但这种布局会在温室内产生明暗相间的阴影，当太阳在天空中移动时，这些阴影也会随之移动，使得温室内植物的光照强度发生周期性的变化，容易引起植物体内的应激性反映，从而影响植物的正常生长和发育。
申请号200810241339.5的发明涉及一种栽培西红柿的太阳能光伏大棚，其屋顶采用太阳能光伏板和透明玻璃构成条状结构以实现50%的透光和发电，由于其结构仍会在温室大棚内产生阴影，将导致植株受光不均，影响植物的生长。
发明内容
 本发明提出一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其所带的光伏发电设备不易在温室内形成明显的阴影，而且能根据温室内光照环境的变化，自动调节光伏发电设备的透光面积，同时提升了恶劣环境下的温室内部通讯电路可靠性。
本发明采用以下方案。
一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，包括温室本体，所述温室覆以光伏发电屋顶和漫射玻璃屋顶，温室内设有光强检测单元阵列、决策单元和通讯系统，所述光伏发电屋顶的向阳面处覆有多个光伏组件，所述光伏组件均匀分布，其透光面积可调，未布设光伏组件的向阳面区域设有漫射玻璃使阳光通过；所述光强检测单元阵列经通讯系统与决策单元相连，向其提供温室光照数据，所述决策单元经通讯系统连接至光伏组件，决策单元对温室光照数据进行判断，向光伏组件发出指令以调整光伏组件的透光面积，以调整温室内的光照。
所述光伏组件包括薄膜太阳能电池、卷膜机构和漫射玻璃，所述漫射玻璃位于光伏组件底部用于透光且将透射光线均匀漫射至温室内，漫射玻璃上方设有薄膜太阳能电池，所述卷膜机构与薄膜太阳能电池连接，按光伏组件所接收的决策单元指令收起或放出薄膜太阳能电池。
所述通讯系统包括有线通信链路和ZigBee无线网络，ZigBee无线网络包括ZigBee无线节点电路和无线网关。
所述ZigBee无线节点电路内置无线网络芯片CC2530。
所述光强检测单元阵列由多个分布于温室内不同部位的光强检测单元组成，光强检测单元间以ZigBee无线网络进行互联，所述光强检测单元包括光敏电阻、电流变送模块和核心处理单元。
所述光强检测单元的核心处理单元的电路内置C8051F330单片微控制器。
所述决策单元基于嵌入式系统架构。
所述决策单元的嵌入式系统架构的硬件内置有C8051F020微处理器。
光伏发电屋顶的向阳面覆以漫射玻璃使透射光线均匀漫射至温室内，且其倾角针对温室所在地的夏季光伏发电进行优化。
所述光伏发电屋顶的背阳面覆以透射玻璃用以增加透射到温室内的光强。
本发明的向阳面屋顶设有太阳能电池，可以利用太阳光进行发电供温室设备使用，经济节能。
本发明使用的光伏组件内设有对薄膜太阳能电池进行收放的卷膜机构，光伏组件按决策单元的指令来调整透光面积，这使得光伏组件的透光面积可按决策单元指令调整，当此光伏组件批量用于温室屋顶时，就使得本发明所述温室内的光照度可调整。
本发明在向阳面屋顶使用的光伏组件底部设有漫射玻璃用于透光，阳光在穿透漫射玻璃后，以漫射的方式进入温室，照射于温室内较大范围，当各光伏组件因透光面积调整而使光通过量产生差异时，阳光在光伏组件底部漫射玻璃处产生的漫射光能对向阳面屋顶光通过量小的区域进行光照补偿，使光通过量小的光伏组件不易在温室内形成阴影。
由于本发明的决策单元能根据温室室内光照来调整光伏组件的工作状态，因此可以动态实现温室屋顶上透光区和不透光区的不同比例搭配，而且由于不透光区不易在温室内形成阴影，这使得温室能根据温室所在地、种植物的不同，改变温室内的光照环境，提升温室的种植能力。
本发明使用漫射玻璃来防止光伏组件在温室内形成阴影，漫射玻璃能对穿透光线进行漫射以扩大照射区域，且成本低，易于大面积施工，本发明的光伏发电屋顶通过大面积使用漫射玻璃，能以较低成本实现防阴影的有益效果。
光伏发电屋顶的背阳面覆以透射玻璃用以增加透射到温室内的光强，由于背阳面的日光偏弱，因此不用于光伏发电，以保证温室内的基础光照。
本发明使用的光强检测单元阵列由多个分布于温室内不同部位的光强检测单元组成，经通讯系统与决策单元相连，向其提供温室光照数据，这可决策单元能够获得温室内各部分的光照数据，及时对光照变化做出响应。
本发明通讯系统的无线网络基于ZigBee无线网络，光强检测单元阵列和无线网关间的通信以ZigBee无线方式进行，ZigBee无线网络为典型的自组织网，能以动态路由方式进行网状网通信，即使网络中的部分节点出现故障，网络仍能自动获取新的数据传输路径，不影响数据传输，在本发明中，光强检测单元阵列中的光强检测单元以ZigBee无线网络进行互联，这使得每一个光强检测单元均成为无线通讯系统的节点，在温室内实现网状网通信，有效提升了通讯系统的可靠性，即使某一光强检测单元出现故障无法进行通讯，温室内其它光强检测单元仍能作为通讯节点进行通讯，检测数据和控制指令以动态路由方式自动选择可用的数据传输路由进行传送，使得决策单元和光强检测单元阵列间的数据通讯不会中断，温室的光照调节功能不受影响。
光强检测单元阵列中的光强检测单元以ZigBee无线网络进行互联，并连接至无线网关，这使得温室内的光强检测单元组网较为方便，施工时无需大量敷设电缆，工程受温室内种植物和设备的影响很小。
通讯系统包括ZigBee无线节点电路和无线网关，ZigBee无线节点电路内置无线网络芯片CC2530，该芯片能实现超低功耗的无线传输，本发明的决策单元也使用了低功耗的嵌入式系统，使得本发明的所消耗的电功率很小，在使用太阳能供电时，不会对其它需要太阳能供电的设备造成影响。
本发明通讯系统采用ZigBee无线网络，其组网成本较低，网络容量大，因此在同等投资下，可以在温室内放置更多的光强检测单元，提升温室对日光光照变化的响应能力。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
附图1为本发明所述温室、向阳面屋顶及光伏组件的示意图；
附图2为本发明通讯系统的示意图；
附图3为本发明调整温室室内光照强度的控制流程示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，包括温室本体，所述温室覆以光伏发电屋顶和漫射玻璃屋顶，温室内设有光强检测单元阵列12、决策单元10和通讯系统，所述光伏发电屋顶的向阳面5处覆有多个光伏组件6、7，所述光伏组件6和7均匀分布，其透光面积可调，未布设光伏组件的向阳面区域设有漫射玻璃使阳光通过；所述光强检测单元阵列经通讯系统与决策单元10相连，向其提供温室光照数据，所述决策单元10经通讯系统连接至光伏组件6、7，决策单元10对温室光照数据进行判断，向光伏组件6和7发出指令以调整光伏组件的透光面积，从而调整温室内的光照。
所述光伏组件6、7包括薄膜太阳能电池3、卷膜机构1和漫射玻璃4，所述漫射玻璃4位于光伏组件6和7底部用于透光，漫射玻璃4上方设有薄膜太阳能电池3，所述卷膜机构1与薄膜太阳能电池3连接，按光伏组件6和7所接收的决策单元指令收起或放出薄膜太阳能电池3。
所述通讯系统包括有线通信链路和ZigBee无线网络，ZigBee无线网络包括ZigBee无线节点电路11和无线网关9。
所述ZigBee无线节点电路11内置无线网络芯片CC2530。
所述光强检测单元阵列12由多个分布于温室内不同部位的光强检测单元8组成，光强检测单元间以ZigBee无线网络进行互联，所述光强检测单元包括光敏电阻、电流变送模块和核心处理单元。
所述光强检测单元的核心处理单元的电路内置C8051F330单片微控制器。
所述决策单元10基于嵌入式系统架构。
所述决策单元10的嵌入式系统架构的硬件内置有C8051F020微处理器。
光伏发电屋顶的向阳面5覆以漫射玻璃使透射光线均匀漫射至温室内，且其倾角针对温室所在地的夏季光伏发电进行优化。
所述光伏发电屋顶的背阳面2覆以透射玻璃用以增加透射到温室内的光强。
实施例：
如图1、图2、图3所示，当本温室开始工作时，向阳面5处的光伏组件6和7的薄膜太阳能电池3全部卷起，呈现如图1所示的屋顶全透光状态，决策单元10按一定时间间隔获取光强检测单元阵列12检测到的温室室内光强数据，与温室正常工作所需光强照度值进行对比，以判断当前温室内光照强度是否在规定范围，如果检测到的光强数据超过温室正常工作所需光强照度的1.2倍，则决策单元10认为此时光强超标，需要减弱温室内的光照强度至正常工作所需光照强度的1.0倍，决策单元10对向阳面5处布设的光伏组件7发出放出薄膜太阳能电池3的指令，使向阳面5中的屋顶透光面积逐渐变小；如果检测到的光强数据低于温室正常工作所需光强照度的0.8倍，则决策单元10对向阳面5处布设的光伏组件7发出收起薄膜太阳能电池3的指令，使向阳面5中的屋顶透光面积逐渐增大，在该过程中，由于薄膜太阳能电池能少量透入光线，且光线也会从背阳面2进入温室，这使温室光照值变化不易由光伏组件的透光面积变化而推算，因此此时决策单元10需读取光强检测单元阵列12的检测值以获取实际的温室室内光照值。在薄膜太阳能电池释放过程中，当决策单元10获取的光照强度检测值为正常工作所需光照强度的1.0倍时，决策单元10对向阳面5处布设的光伏组件7发出停止释放薄膜太阳能电池3的指令；在薄膜太阳能电池收起过程中，当决策单元10获取的光照强度检测值为正常工作所需光照强度的1.0倍时，决策单元10对向阳面5处布设的光伏组件7发出停止收起薄膜太阳能电池3的指令。在指令完成后，决策单元10每隔10分钟重新获取光强检测单元阵列12检测的温室室内光强数据，与温室正常工作所需光强照度值进行对比，如检测值在温室正常工作所需光强照度的0.8倍~1.2倍范围内，则决策单元不进行动作，使温室内的光照强度保持稳态，否则再对向阳面5处布设的光伏组件6和7发出收起或放出薄膜太阳能电池3的指令，直到温室重新回到正常工作所需的光照强度。

Claims (10)

1.一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，包括温室本体，其特征在于：所述温室覆以光伏发电屋顶和漫射玻璃屋顶，温室内设有光强检测单元阵列、决策单元和通讯系统，所述光伏发电屋顶的向阳面处覆有多个光伏组件，所述光伏组件均匀分布，其透光面积可调，未布设光伏组件的向阳面区域设有漫射玻璃使阳光通过；所述光强检测单元阵列经通讯系统与决策单元相连，向其提供温室光照数据，所述决策单元经通讯系统连接至光伏组件，决策单元对温室光照数据进行判断，向光伏组件发出指令以调整光伏组件的透光面积，以调整温室内的光照。
2.根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述光伏组件包括薄膜太阳能电池、卷膜机构和漫射玻璃，所述漫射玻璃位于光伏组件底部用于透光且将透射光线均匀漫射至温室内，漫射玻璃上方设有薄膜太阳能电池，所述卷膜机构与薄膜太阳能电池连接，按光伏组件所接收的决策单元指令收起或放出薄膜太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述通讯系统包括有线通信链路和ZigBee无线网络，ZigBee无线网络包括ZigBee无线节点电路和无线网关。
4. 根据权利要求3所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述ZigBee无线节点电路内置无线网络芯片CC2530。
5.根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述光强检测单元阵列由多个分布于温室内不同部位的光强检测单元组成，光强检测单元间以ZigBee无线网络进行互联，所述光强检测单元包括光敏电阻、电流变送模块和核心处理单元。
6. 根据权利要求5所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述光强检测单元的核心处理单元的电路内置C8051F330单片微控制器。
7. 根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述决策单元基于嵌入式系统架构。
8.根据权利要求7所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述决策单元的嵌入式系统架构的硬件内置有C8051F020微处理器。
9.根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：光伏发电屋顶的向阳面覆以漫射玻璃使透射光线均匀漫射至温室内，且其倾角针对温室所在地的夏季光伏发电进行优化。
10. 根据权利要求1所述的一种日光照度可调且光照均匀的光伏发电温室，其特征在于：所述光伏发电屋顶的背阳面覆以透射玻璃用以增加透射到温室内的光强。
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