CN105028030A - 一种可调透光率的光伏发电温室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调透光率的光伏发电温室，包括东山墙、西山墙、一对侧面墙以及安装在东山墙、西山墙和侧面墙顶部的采光面骨架，所述的采光面骨架底部设置有采光覆盖薄膜，采光面骨架顶部平行设置有活动光伏组件和固定光伏组件，活动光伏组件可以相对于固定光伏组件移动或固定，以调整活动光伏组件与活动光伏组件之间的透光间隙大小。该光伏温室可以根据外界光照条件的不同和植物生长的不同要求而主动地改变采光面光伏组件的覆盖率，从而实现光伏温室主动控制采光率，从根本上突破了现有光伏温室的采光设计瓶颈，进而也达到了光伏温室在保证植物生产的同时光伏发电的最大化，同时也提高了光伏温室对不同作物和同一作物在不同生长期的适应性。

Description

一种可调透光率的光伏发电温室

技术领域

本发明涉及一种光伏发电温室，更具体的说，涉及一种可以通过自身机构调整温室采光面透光率的光伏温室。

背景技术

在现有温室建设市场上，由于迫切的想在生产实践中既能够进行作物的生产又同时能够利用光伏设备进行发电，出现了各种各样的光伏温室。这些温室在一定程度上达到了既生产又发电的功能，是未来农业发展的很好的方向。特别是没有市电供应、电力供应不稳定、电力匮乏的地方更是一个很好的解决方法。但是，由于设计上的缺憾，在生产实践中现有的光伏温室不得不作出艰难抉择，一种解决方案就是牺牲大面积发电组件保证作物维持生产；另一种解决方案就是保证发电，然后仅仅种植完全不需要光照的作物(如食用菌等)。因此，生产实践中亟待发明一种既能够保证作物正常生长，在生长过程中提供作物所需的足够光照和提供必要的光照调控(提供遮荫)，同时能够最大限度地保持最够发电的面积的光伏温室。

目前，常规的光伏温室都采用固定的光伏发电组件和固定的角度，由于建筑设计和发电组件机构上的缺陷，导致光伏温室内光照条件不但差，而且一旦建成很难再次改变和提高。近年来，虽然很多研究人员投入了大量的时间和精力来研究光伏组件覆盖率和发电效率之间的关系，但是由于植物采光问题的复杂性、特殊性，以及光伏发电的复杂性，该研究方向尚未触及改善光伏温室室内光照的关键。而且，大量的研究表明，在相同的用地建设条件下，改变光伏组件的覆盖率最后的结果仍然是要种植者在发电和生产时间做艰难的抉择。因此，单纯改变光伏发电组件覆盖率，不能从根本上解决光伏温室现存的采光不足、生产广造不能得到保证等种种问题。

另外，在光伏温室的生产方面，由于温室密闭程度大大提高，因此温室内温度湿度控制都变的困难，常规的光伏温室都采用温室传统降温方法，从而导致了温室室内温度过高，进而影响了内部作物的正常生长。不能适应内部作物的调整。

因此，亟待开发一种既可以利用保持最大面积地光伏发电组件以保证发电量，另一方面也可以为植物提供必要的遮荫，进而达到控制光伏温室内植物生长的环境，同时协调光伏发电和植物生产之间的关系，提高了光伏温室对不同作物的适应性，最大限度地提高光伏温室的通用性，进而为未来光伏农业打好结实的理论和实践基础。

发明内容

针对现有日光温室在采光结构上存在的缺陷或不足，本发明目的在于，提供一种采光率可调的光伏温室，该光伏温室可以根据外界光照条件的不同和植物生长的不同要求而主动地改变采光面光伏组件的覆盖率，从而实现光伏温室主动控制采光率，从根本上突破了现有光伏温室的采光设计瓶颈，进而也达到了光伏温室在保证植物生产的同时光伏发电的最大化，同时也提高了光伏温室对不同作物和同一作物在不同生长期的适应性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种可调透光率的光伏发电温室，包括东山墙、西山墙、一对侧面墙以及安装在东山墙、西山墙和侧面墙顶部的采光面骨架，所述的采光面骨架底部设置有采光覆盖薄膜，采光面骨架顶部平行设置有活动光伏组件和固定光伏组件，活动光伏组件可以相对于固定光伏组件移动或固定，以调整固定光伏组件与活动光伏组件之间的透光间隙大小。

进一步地，所述的固定光伏组件在采光面骨架顶部间隔设置，由透光间隙间隔开；在透光间隙上方设置所述的活动光伏组件，相邻的活动光伏组件之间连接并联动。

优选地，所述的透光间隙的面积大小为一个活动光伏组件面积大小的整数倍。

进一步地，所述的活动光伏组件一个或一个以上构成一组，每一组活动光伏组件均间隔设置，安装在平行于骨架顶面设置的滑轨上，并由驱动导索调整活动光伏组件的位置。

进一步地，所述的采光面骨架上间隔设置有固定座，固定座底部通过螺栓紧固在采光面骨架上，固定座顶部两侧向外延伸一部分，在固定座延伸部分与采光面骨架之间利用固定件将固定光伏组件安装固定，使固定光伏组件平行采光面骨架上表面设置；固定座顶部下凹，在凹陷部分设置所述的滑轨。

进一步地，所述的滑轨为倒T形滑轨，滑轨中装配有T形滑块，滑块通过连接杆伸出滑轨并在连接杆端部固定设置有安装板；在安装板上利用螺栓固定安装有滑动座，滑动座顶部两侧向外延伸一部分，在滑动座延伸部分与安装板之间利用固定件将活动光伏组件固定安装；相邻的两个滑动座之间间隔设置一组或一组以上活动光伏组件。

进一步地，所述的东山墙高而西山墙低，使采光面骨架大部分朝向西方；采光面骨架西山墙起始，以与水平面呈α的角度延伸长度L₁，继而以与水平面呈β的角度延伸长度L₂，使采光面骨架的最高点高于东山墙，继而弯折并延伸长度L₃与东山墙顶面相接；其中α＞β，L₁＜L₃＜L₂。

进一步地，所述的东山墙中均匀铺设有用于存储热量以提高室温的通风蓄热管道。

进一步地，所述的东山墙顶部通过转轴安装有旋转光伏组件，该旋转光伏组件利用驱动机构改变与水平面之间的角度并保持固定。

本发明的优点在于：

其一，采用可调采光率的光伏温室，使光伏温室建筑从根本上提高了光伏组件的覆盖率，光伏组件覆盖率可以在33％～100％之间调节。同时大大提高了光伏温室对不同光照需求作物的适应性。经过我们的科研实验表明，光伏温室采光面透光率维持在30％以上即可完全不影响温室中喜光果菜类作物的生长，因此新型的可调透光率光伏温室完全可以满足温室生产对设施结构的要求，不会对温室生产造成影响，同时可以提供光伏电力供应。

其二，植物本身需要遮荫以维持正常的生长；温室用的遮阳网透光率一般在30％～70％之间。因此，当遮荫率为30％时，对应的透光率为70％，可调采光率光伏温室可以调整到66％；当遮荫率为70％时，对应的透光率为30％，可调采光率光伏温室可以调整到33％。故可调透光率光伏温室完全可以实现温室作物所需的光照强度和调整幅度。

其三，为了保证每栋温室在冬季都有充分的采光，温室在设计时必须预留出合理的日照间距，该日照间距是按照冬至日正午前后温室不遮光来设计的，因此造成了温室园区的整体土地利用率在50％左右。而在生产实践中温室间的地块在大多数的时间里是完全没有用处的，因此本发明利用了设置在温室后坡的光伏发电板来利用该区域的光照资源。通过合理利用该区域的光照资源，大大提高了温室园区的土地利用率，根据初步计算可以提高土地利用率到80％。

其四，采光面光伏组件的左右移动采用了直线导轨技术，对整个屋面进行移动和定位，光伏组件行程短，移动平稳可靠。采光面透光率在0％～50％之间调整时整个屋面行程只有1～1.2米；采光面透光率在50％～67％之间调整时屋面行程也仅增加2～2.4米。因此，采光面透光率调整消耗能源少，而且采光面调整均在光照条件下才需进行，故完全可以由光伏发电自身来驱动。

其五，现有光伏温室不管是采用晶硅发电组件间隔布置，还是采用非晶硅透光薄膜，都存在一旦建设完成，整个屋面透光率就以确定，无法再去改变，因此，对温室内种植的作物限制极大，一般都不能改变光伏温室设计时所确定的内部作物。整体上回造成土地和资金的浪费。

其六，为了最大限度提高光伏组件的采光面积，本发明利用农业温室中的温室间距部分，该间距的设计在原理上是根据冬至日光照条件满足植物的最低光照要求设计的，在绝大多数的时间里，该间距为温室生产的空白区域，因此可以利用该区域的光照资源。本发明在温室的后墙顶部同样设计了可以旋转的光伏发电组件，该发电组件可以在太阳高度角达到不遮挡后排温室时展开，进而达到最大限度地利用温室占地内的光照资源，进而有望将现有的50％土地利用率提高到80％以上。

其七，系统运行只需要减速电机和温室行业常用的聚酯驱动线进行驱动，整体系统造价低，运行的费用和保证率高，在实践生长中容易推广和保持长时间稳定运行。

附图说明

图1是本发明的纵向剖面结构示意图；

图2是活动光伏组件、固定光伏组件俯视示意图；

图3是光伏组件和采光面骨架的位置关系示意图；

图4是东山墙驱动结构示意图；

图5是西山墙驱动结构示意图；

图6是固定座和滑动座的配合结构示意图；

图7是0％～50％透光率光伏温室0％透光率布置示意图；

图8是0％～50％透光率光伏温室50％透光率布置示意图；

图9是0％～67％透光率光伏温室0％透光率布置示意图；

图10是0％～67％透光率光伏温室67％透光率布置示意图；

图中标号代表：A—固定光伏组件，B—活动光伏组件，C—采光覆盖薄膜，D—采光面骨架，E—旋转光伏组件，1—通风蓄热管道，2—东山墙，3—驱动机构，4—东山墙驱动结构，5—滑动座，6—固定座，7—西山墙，8—驱动导索，9—驱动电机，10—联轴器，11—固定件，12—滑块，13—安装板，14—滑轨，15—透光间隙。

具体实施方式

传统的光伏发电温室受到其光伏组件固定安装的限制，不能在发电与农作物生长之间找到一个最佳平衡点。发明人经研究提出一种思路，以可改变透光率的角度出发，设计出一种可控、高效的光伏发电温室，以突破现有技术发展的限制瓶颈，为光伏发电温室的发展提供新的思路和方向。

一种可调透光率的光伏发电温室，包括东山墙2、西山墙7、一对侧面墙以及安装在东山墙2、西山墙7和侧面墙顶部的采光面骨架D，所述的采光面骨架D底部设置有采光覆盖薄膜C，采光面骨架D顶部平行设置有活动光伏组件B和固定光伏组件A，活动光伏组件B可以相对于固定光伏组件A移动或固定，以调整固定光伏组件A与活动光伏组件B之间的透光间隙15大小。

如本发明的附图1所示，为本发明整个发电温室的纵向剖视示意图。图中展现出了该发电温室的基本结构，其由东山墙2、西山墙7配合侧面墙(图中未画出)作为前后支撑构件，与采光面骨架D共同构成一个相对密闭的结构。位于采光面骨架D底部的是采光覆盖薄膜C，考虑到本发明中光伏组件的设置，将采光覆盖薄膜C设置在了采光面骨架D的内侧，不影响光伏组件的设置。

为了实现透光率可调的目的，本发明中设置了固定光伏组件A和活动光伏组件B结构，二者可均采用太阳能发电板。如图2所示，固定光伏组件A是固定在采光面骨架D顶部的结构，平行于采光面骨架D顶部设置，并与采光面骨架D之间留有一定距离。本发明的基本构思是，固定光伏组件A固定设置，另外设置有可以相对于固定光伏组件A移动的活动光伏组件B。活动光伏组件B与固定光伏组件A不在同一层，例如可以将活动光伏组件B设置在固定光伏组件A的上层，而在活动光伏组件B与固定光伏组件A之间留有透光间隙15。光线照射在发电温室上时，大部分光线经过的前后顺序是活动光伏组件B、固定光伏组件A然后进入到发电温室中。由于固定光伏组件A和活动光伏组件B均不透光，因此将会有一部分光线从透光间隙15直接照射进入到发电温室中。那么，通过改变透光间隙15的大小，就控制了可进入到发电温室中光线的量，而达到改变发电温室透光率大小的目的。活动光伏组件B，可采用例如平移的方式改变位置，以全部或部分遮住透光间隙15，并在每一个位置均可以进行固定。当发电温室上的活动光伏组件B均覆盖了所有的透光间隙15时，此时光线不能进入到温室中，而移动了活动光伏组件B则可以调整整体透光率。

在本方案中，固定光伏组件A在采光面骨架D顶部间隔设置，由透光间隙15间隔开；在透光间隙15上方设置所述的活动光伏组件B，相邻的活动光伏组件B之间连接并联动。

如图2所示，为光伏组件布设部分的平面俯视示意图。在本方案中，为了保证良好的配合，将固定光伏组件A和活动光伏组件B均设置成矩形结构，并且是一块一块相互独立的。活动光伏组件B的大小可以与固定光伏组件A的尺寸相同，或稍微大一些。一种比较理想的布设方式是，将固定光伏组件A间隔设置，即相邻的两个固定光伏组件A之间即为透光间隙15。活动光伏组件B移动过程中，部分或全部遮挡透光间隙15，以改变透光率。由于固定光伏组件A间隔设置，那么为了遮挡透光间隙15，光伏组件也应该间隔设置，并且相邻光伏组件之间连接、联动，以在一个方向上可整体移动所有间隔的活动光伏组件B，方便调整。

活动光伏组件B一个或一个以上构成一组，每一组活动光伏组件B均间隔设置，安装在平行于骨架顶面设置的滑轨14上，并由驱动导索8调整活动光伏组件B的位置。透光间隙15的面积大小在设置时也有着严格的要求，本方案中透光间隙15的面积大小为一个活动光伏组件B面积大小的整数倍。

参见图7所示，在图7给出的这种排布中，固定光伏组件A间隔设置，相邻两个固定光伏组件A之间的透光间隙15大小为一个活动光伏组件B的大小。这个例子中给出的一个活动光伏组件B即为一组。那么，图7的这种排布可以看作是一个固定光伏组件A与一组活动光伏组件B相邻间隔设置，布满采光面骨架D顶部。当活动光伏组件B平移至与固定光伏组件A相互重叠时，活动光伏组件B位于固定光伏组件A的上部，此时对应的温室采光面透光率为50％，如图8所示。而当活动光伏组件B不与固定光伏组件A重叠时，可调整透光率在0％～50％之间。

参见图9所示，为另一种排布方式。在这种排布方式中，固定光伏组件A间隔设置，但是相邻的两个固定光伏组件A之间的透光间隙15的面积大小为两个活动光伏组件B的面积。此时，将两个固定光伏组件A构成一组，那么，图9的这种排布方式，也可以看作是一个固定光伏组件A与一组活动光伏组件B相邻间隔设置，布满采光面骨架D顶部。当活动光伏组件B平移至与固定光伏组件A相互重叠时，活动光伏组件B位于固定光伏组件A的上部，此时对应的温室采光面透光率为67％，如图10所示。而当活动光伏组件B不与固定光伏组件A重叠时，可调整透光率在0％～67％之间。

该透光率调整范围适合温室生产中的喜光作物的生长要求，同时也可以满足多数时段光伏发电的需要和遮阴阶段的光伏最大发电要求，因此是本发明的扩展应用形式。

具体的一种活动光伏组件B和固定光伏组件A的设置方式是：

采光面骨架D上间隔设置有固定座6，固定座6底部通过螺栓紧固在采光面骨架D上，固定座6顶部两侧向外延伸一部分，在固定座6延伸部分与采光面骨架D之间利用固定件11将固定光伏组件A安装固定，使固定光伏组件A平行采光面骨架D上表面设置；固定座6顶部下凹，在凹陷部分设置所述的滑轨14。滑轨14为倒T形滑轨14，滑轨14中装配有T形滑块12，滑块12可在滑轨14中滑动，但不能从滑轨14中脱出。滑块12通过连接杆伸出滑轨14并在连接杆端部固定设置有安装板13；在安装板13上利用螺栓固定安装有滑动座5，滑动座5顶部两侧向外延伸一部分，在滑动座5延伸部分与安装板13之间利用固定件11将活动光伏组件B固定安装；相邻的两个滑动座5之间间隔设置一组或一组以上活动光伏组件B。滑动座5与活动光伏组件B一起运动，可以看作是两组相邻的活动光伏组件B之间的连接件。这种滑轨14的设置结构，平稳、移动精确且调整方便，可采用铝合金材料制成，轻便，符合本方案的使用要求。

活动光伏组件B的活动动力来自东山墙驱动结构4和西山墙7驱动结构，均采用驱动电机9、联轴器10等组成，通过驱动导索8连接活动光伏组件B组，控制整个活动光伏组件B向东山墙2或西山墙7的方向运动。

为了使本方案的光伏发电温室能有更高的采光效率，发明人研究得出以下优选技术参数：东山墙2高而西山墙7低，使采光面骨架D大部分朝向西方，有利于光线的采集与作物的生长。采光面骨架D西山墙7起始，以与水平面呈α的角度延伸长度L₁，继而以与水平面呈β的角度延伸长度L₂，使采光面骨架D的最高点高于东山墙2，继而弯折并延伸长度L₃与东山墙2顶面相接；其中α＞β，L₁＜L₃＜L₂。如本例中，α为53°，β为25°。

为了充分提高光伏温室的发电效率，最大限度地利用太阳能资源，进而大幅提高温室园区的土地利用率，同时又不影响温室园区中前后温室的光线遮挡，在保证温室正常生产方面，本发明在东山墙2中均匀铺设有用于存储热量以提高室温的通风蓄热管道1。该管道可以将白天多余的热量存储在东山墙2中，进而达到提高温室温度的目的。另外，本发明在东山墙2顶部通过转轴安装有旋转光伏组件E，该旋转光伏组件E利用驱动机构3改变与水平面之间的角度并保持固定，通过驱动机构3实现转动，进而达到最大限度地利用温室园区的光伏资源，同时又能够在太阳高度角较小的早晨收起来，实现不影响前后温室阴影面积，进而提高温室园区土地利用率。

本发明的可调透光率光伏温室，结构合理，与现有日光温室相比不增加土地占用面积，而可以大大提高光伏温室的发电效率和总功率。单温室土地利用率一个方面就可以提高25％以上。具有采光率可调，同时兼顾温室生产和光伏发电的特点。

Claims (9)

1.一种可调透光率的光伏发电温室，包括东山墙(2)、西山墙(7)、一对侧面墙以及安装在东山墙(2)、西山墙(7)和侧面墙顶部的采光面骨架(D)，其特征在于，所述的采光面骨架(D)底部设置有采光覆盖薄膜(C)，采光面骨架(D)顶部平行设置有活动光伏组件(B)和固定光伏组件(A)，活动光伏组件(B)可以相对于固定光伏组件(A)移动或固定，以调整固定光伏组件(A)与活动光伏组件(B)之间的透光间隙(15)大小。

2.如权利要求1所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的固定光伏组件(A)在采光面骨架(D)顶部间隔设置，由透光间隙(15)间隔开；在透光间隙(15)上方设置所述的活动光伏组件(B)，相邻的活动光伏组件(B)之间连接并联动。

3.如权利要求1或2所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的透光间隙(15)的面积大小为一个活动光伏组件(B)面积大小的整数倍。

4.如权利要求3所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的活动光伏组件(B)一个或一个以上构成一组，每一组活动光伏组件(B)均间隔设置，安装在平行于骨架顶面设置的滑轨(14)上，并由驱动导索(8)调整活动光伏组件(B)的位置。

5.如权利要求1所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的采光面骨架(D)上间隔设置有固定座(6)，固定座(6)底部通过螺栓紧固在采光面骨架(D)上，固定座(6)顶部两侧向外延伸一部分，在固定座(6)延伸部分与采光面骨架D之间利用固定件(11)将固定光伏组件(A)安装固定，使固定光伏组件(A)平行采光面骨架(D)上表面设置；固定座(6)顶部下凹，在凹陷部分设置所述的滑轨(14)。

6.如权利要求5所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的滑轨(14)为倒T形滑轨(14)，滑轨(14)中装配有T形滑块(12)，滑块(12)通过连接杆伸出滑轨(14)并在连接杆端部固定设置有安装板(13)；在安装板(13)上利用螺栓固定安装有滑动座(5)，滑动座(5)顶部两侧向外延伸一部分，在滑动座(5)延伸部分与安装板(13)之间利用固定件(11)将活动光伏组件(B)固定安装；相邻的两个滑动座(5)之间间隔设置一组或一组以上活动光伏组件(B)。

7.如权利要求1所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的东山墙(2)高而西山墙(7)低，使采光面骨架(D)大部分朝向西方；采光面骨架(D)西山墙(7)起始，以与水平面呈α的角度延伸长度L₁，继而以与水平面呈β的角度延伸长度L₂，使采光面骨架(D)的最高点高于东山墙(2)，继而弯折并延伸长度L₃与东山墙(2)顶面相接；其中α＞β，L₁＜L₃＜L₂。

8.如权利要求1所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的东山墙(2)中均匀铺设有用于存储热量以提高室温的通风蓄热管道(1)。

9.如权利要求1所述的可调透光率的光伏发电温室，其特征在于，所述的东山墙(2)顶部通过转轴安装有旋转光伏组件(E)，该旋转光伏组件(E)利用驱动机构(3)改变与水平面之间的角度并保持固定。