CN106304444B - 一种碳纤维柔性发热线和碳纤维除雪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维柔性发热线和碳纤维除雪装置，为三层套管编织结构，从内到外依次为碳纤维复合芯层、碳纤维红外发热层和耐水耐温树脂层；其中，所述碳纤维复合芯层由碳纤维树脂基复合材料制备而成；所述碳纤维红外发热层包括用于发热的碳纤维长丝和用于将碳纤维长丝固定的定型胶黏剂层。采用三层结构的碳纤维发热线内埋方式，芯部可有效实现加热系统的均匀结构布置和构型稳定，发热线中间层可有效进行远红外加热以保证除雪棚顶面及侧壁的温度，再者发热线表面树脂层可有效保护内部柔性碳纤维电热线，同时通过导热改性碳纤维的添加，可提高表面层的耐温、耐水及导热等综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维柔性发热线和碳纤维除雪装置，特别涉及一种利用太阳能或风能供电、可智能控温、模块化结构的碳纤维融雪除雪装置。
背景技术
目前，随着农业生产的发展，温室蔬菜大棚的数目越来越多，但是在我国北方地区，尤其是东北部地区，冬季的严寒气候以及降雪天气严重，蔬菜大棚在冬季的积雪严重影响了棚内的透光性和保温性，不利于喜好阳光的蔬菜作物的生长，且如果降雪堆积严重将对大棚总体的强度和刚度受到影响。
目前农业大棚的除雪多为手工作业，根据相关数据显示，对于一个150米长的大棚，除雪工作需要五个人花费3-4个小时才能完成。除雪时间比较长，而且会造成其他屋面的积雪清扫的延迟，还会影响到温室大棚草帘的快速卷起，减少了农作物正常的光照时间影响农作物的生长。更重要的是，白天光照时间短，会造成晚上棚内温度继续降低，造成蔬菜作物生长缓慢，甚至有被冻死的可能，造成直接或间接的经济损失。目前温室大棚的机械化除雪主要是采用融雪管，在雨槽下安装融雪管，提高大棚内温度的同时，融化屋面的积雪，但这种方法融雪时间长，耗能大，并且投资和运行费用均比较高。而且融雪管大都采用金属材质，自重较大，会给大棚的整体结构强度带来很大的挑战。
发明内容
针对现有技术中存在的以上技术问题，本发明的一个目的是提供一种碳纤维柔性发热线。该发热线采用多层套管编织结构，具有较好的融雪效率，并具有投资和运行费用低的优势。
本发明的第二个目的是提供一种外置式碳纤维除雪装置，该除雪装置中，碳纤维柔性发热线的分布面积及位置可根据棚面融雪温度要求灵活调整，可以有效保证昼夜之间棚顶面积棚侧壁的稳定控温融雪，可适用于不同环境的智能控温融雪。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种碳纤维发热线，为三层套管编织结构，从内到外依次为碳纤维复合芯层、碳纤维红外发热层和耐水耐温树脂层；其中，所述碳纤维复合芯层由碳纤维树脂基复合材料制备而成；所述碳纤维红外发热层包括用于发热的碳纤维长丝和用于将碳纤维长丝固定的定型胶黏剂层。
优选的，所述碳纤维复合芯层采用棒状连续结构，直径为0.5-2mm。复合芯层为连续长度，并且可以任意弯曲定型。碳纤维复合芯层起到支撑定型的作用。
优选的，所述碳纤维复合芯层中的碳纤维为T300、T700或T800中的一种或多种。
优选的，所述碳纤维复合芯层中的碳纤维采用多股绳编织结构。
绳状芯层的股数及单股纤维的K数根据力学性能要求灵活选择。
进一步优选的，所述碳纤维复合芯层中的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或多种的混合物。
更进一步优选的，所述碳纤维复合芯层中树脂的含量为2-25％。(％，为质量百分数)
优选的，所述碳纤维柔性红外发热层中的定型胶黏剂的含量为5-10％。(％，为质量百分数)
进一步优选的，所述碳纤维柔性红外发热层中的碳纤维长丝为T300、T700或T800中的一种或多种的组合。
更进一步优选的，所述碳纤维柔性红外发热层中的碳纤维采用筒状编织结构。编织中间层的股数及单股纤维的K数根据发热温度需要灵活调整。
优选的，所述耐水耐温树脂层采用硅胶或聚氨酯制备而成。树脂层采用筒状结构，其耐热温度不低于50℃，
进一步优选的，所述耐水耐温树脂层中添加有5-15％的碳纤维长丝。碳纤维长丝为导热剂，可以将热量及时导出，避免热量的损失。碳纤维长丝为T300、T700或T800等中的一种或多种组合。
一种外置式碳纤维除雪装置，包括导水槽、若干条上述碳纤维发热线和供电设备，所述导水槽采用导热材料制备而成，所述碳纤维发热线分布在导水槽的本体内部，碳纤维发热线通过导线与所述供电设备连接。
优选的，所述导水槽采用热塑性导热硅胶制备而成。导热硅胶可以将碳纤维发热丝产生的热量及时传递出来，将更多的雪融化，融化得到的水在导水槽中收集，被导水槽导送到设定的蓄水装置中。同时，热量可以对大棚内部起到加热作用，提高大棚的内部温度。
导热硅胶质地软，可以适应于不同的场所，如大棚棚顶或大棚的侧面。
优选的，所述碳纤维发热线在导水槽本体内部的布置方式为：网格状、折线状或螺旋盘绕状。
碳纤维发热线与导水槽之间的连接端采用弹簧绕线接头。可以保证电热线在弹簧的弹力作用下保持伸长的状态。
优选的，所述导水槽的本体内部还设置有温度传感器，温度传感器紧靠碳纤维发热线设置。
进一步优选的，所述温度传感器的温度精度为0.001-0.1℃。
优选的，所述碳纤维发热线的接线端采用弹簧压片式结构。
接线端采用弹簧压片式结构以保证端头较低的接触电阻和连接紧密性。
优选的，所述供电设备为太阳能电池板或风力发电机。
太阳能电池板可采用单晶硅或多晶硅两种类型，风力发电机可采用水平轴或垂直轴结构，其中太阳能极板的面积以及风力发电机的结构根据融雪功率要求灵活调整，供电装置配合蓄电池等储能装置，以保证稳定夜间供电。
本发明的有益效果为：
1)碳纤维属于纯黑体材料，在电热转换过程中的可见光极低，电热转换效率在99％以上，与金属加热器相比节能达到30％以上。碳纤维作为发热体在加热时可发射出波长在2-15微米的红外线，碳纤维作为发热体所发出的远红外线可较好的被人体、农作物、土壤以及冰雪等介质吸收，在热传递过程中的热量损失较小。因此，利用碳纤维作为发热体制备蔬菜作物大棚的融雪加温装置具有较好的除雪效果。除此之外，碳纤维属于柔性纤维材料，可根据大棚棚面的结构和导水槽结构灵活设计柔性加热线的排布，以满足不同蔬菜大棚外型结构的要求。同时碳纤维柔性加热线制备的除雪装置可配置太阳能或风能等绿色供电系统作为加热能源供给，根据除雪融雪的温度要求合理保证冰雪高效融化，同时碳纤维属于耐腐蚀较强的材料，该除雪用碳纤维加热柔性装置可配置在棚外环境而不受冰冻和风沙雨水环境的侵蚀影响。
2)采用三层结构的碳纤维发热线内埋方式，芯部可有效实现加热系统的均匀结构布置和构型稳定，发热线中间层可有效进行远红外加热以保证除雪棚顶面及侧壁的温度，再者发热线表面树脂层可有效保护内部柔性碳纤维电热线，同时通过导热改性碳纤维(改性后热导率提高)的添加，可提高表面层的耐温、耐水及导热等综合性能。
3)采用棚面导水槽框架模块，保证碳纤维发热线的电气装配过程中的结构稳定性；同时通过导水槽结合碳纤维发热线内埋结构，在靠近碳纤维发热线的部位埋入感温元件，以实时控制除雪装置的内部温度。
4)采用绿色供电及储能系统的配置，可有效保证夜间无阳光环境下的除雪装置加温和控温的稳定性，节约能源。
附图说明
图1是碳纤维发热线的结构示意图；
图2是碳纤维导水槽装置框架模块示意图；
图3是碳纤维加温装置的整体结构布置示意图。
其中，1、碳纤维复合芯层，2、碳纤维红外发热层，3、耐水耐温树脂层，4、碳纤维发热线，5、弹簧连接端子，6、第一引线端，7、导水槽，8、第二引线端，9、排线，10、弹簧压片，11、碳纤维导水槽整体结构，12、引线，13、供电设备，14、储能装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种碳纤维发热线，为三层套管编织结构，从内到外依次为碳纤维复合芯层1、碳纤维红外发热层2和耐水耐温树脂层3；其中，所述碳纤维复合芯层1由碳纤维树脂基复合材料制备而成；所述碳纤维红外发热层2包括用于发热的碳纤维长丝和用于将碳纤维长丝固定的定型胶黏剂层。
所述碳纤维复合芯层采用棒状连续结构，直径为0.5-2mm，其中的碳纤维为T300、T700或T800中的一种或多种，碳纤维采用多股绳编织结构。树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或多种的混合物。碳纤维复合芯层中树脂的含量为2-25％。(％，为质量百分数)
所述碳纤维柔性红外发热层中的定型胶黏剂的含量为5-10％，(％，为质量百分数)，其中的碳纤维长丝为T300、T700或T800中的一种或多种的组合。所述碳纤维柔性红外发热层中的碳纤维采用筒状编织结构。编织中间层的股数及单股纤维的K数根据发热温度需要灵活调整。
所述耐水耐温树脂层采用硅胶或聚氨酯制备而成。树脂层采用筒状结构，其耐热温度不低于50℃，耐水耐温树脂层中添加有5-15％的碳纤维长丝。碳纤维长丝为导热剂，可以将热量及时导出，避免热量的损失。碳纤维长丝为T300、T700或T800等中的一种或多种组合。
如图2和图3所示，一种外置式碳纤维除雪装置，包括导水槽7、若干条上述碳纤维发热线和供电设备13，所述导水槽7采用导热材料制备而成，所述碳纤维发热线分布在导水槽7的本体内部，碳纤维导水槽整体结构11中的碳纤维发热线通过引线12与所述供电设备13连接。
所述导水槽7采用热塑性导热硅胶制备而成。导热硅胶可以将碳纤维发热丝产生的热量及时传递出来，将更多的雪融化，融化得到的水在导水槽中收集，被导水槽导送到设定的蓄水装置中。同时，热量可以对大棚内部起到加热作用，提高大棚的内部温度。导热硅胶质地软，可以适应于不同的场所，如大棚棚顶或大棚的侧面。
所述碳纤维发热线在导水槽7本体内部的布置方式为：网格状、折线状或螺旋盘绕状。
碳纤维发热线与导水槽7之间的连接端采用弹簧连接端子5。可以保证碳纤维发热线在弹簧连接端子5的弹力作用下保持伸长的状态。
所述导水槽7的本体内部还设置有温度传感器，温度传感器紧靠碳纤维发热线设置。温度传感器的温度精度为0.001-0.1℃。所述碳纤维发热线的接线端采用弹簧压片10式结构。所述供电设备13为太阳能电池板或风力发电机，并配合储能装置14使用。
碳纤维发热线4通过第一引线端6和第二引线端8与排线9连接，排线9的接线端为弹簧压片10。
实施例1
(1)碳纤维发热线的制备。采用三层套管编织结构制备发热线，采用棒状结构的T300碳纤维树脂基复合材料制备直径为0.5mm的多股绳编织连续长度发热线芯层，多股绳为股数为4股，单股采用3K纤维，芯层树脂基体为含量2％的环氧树脂；采用T700碳纤维长丝与含量为5％的高温定型胶黏剂复合制备筒状编织中间层，编织股数为8股，单股采用3K碳纤维；最外表面采用耐热温度不低于50℃的柔性耐温硅胶筒状结构，柔性树脂层中添加含量5％的短切T700碳纤维长丝。
(2)融雪除雪导水槽模块框架的装配及发热线构型设计。采用网格状、折线状、螺旋盘绕状结构布置导水槽模块框架，将布置好的发热线埋入导水槽导热硅胶内部与水槽连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.1℃，感温探头的布置密度为10个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为大棚面除雪装置的供电设备，采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚面除雪装置的供电设备，发电功率为5KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。利用该实施例的碳纤维除雪加温装置，可保证棚顶蔬菜作物的表面温度不低于35℃。
实施例2
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层套管编织结构制备发热线，采用棒状结构的T800碳纤维树脂基复合材料制备直径为2mm的多股绳编织连续长度发热线芯层，多股绳为股数为4股，单股采用3K纤维，芯层树脂基体为含量25％的酚醛树脂；采用T300碳纤维长丝与含量10％的高温定型胶黏剂复合制备筒状编织中间层，编织股数为8股，单股采用3K碳纤维；最外表面采用耐热温度不低于50℃的柔性耐温聚氨酯筒状结构，柔性树脂层中添加含量15％的短切T700碳纤维长丝。
(2)融雪除雪导水槽模块框架的装配及发热线构型设计。采用网格状、折线状、螺旋盘绕状结构布置导水槽模块框架，将布置好的发热线埋入导水槽导热硅胶内部与水槽连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.01℃，感温探头布置密度为15个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为大棚面除雪装置的供电设备，采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚面除雪装置的供电设备，发电功率为15KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。利用该实施例的碳纤维除雪加温装置，可保证棚顶蔬菜作物的表面温度不低于45℃。
实施例3
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层套管编织结构制备发热线，采用棒状结构的T800碳纤维树脂基复合材料制备直径为1mm的多股绳编织连续长度发热线芯层，多股绳为股数为8股，单股采用6K纤维，芯层树脂基体为含量12％的不饱和聚酯树脂；采用T800碳纤维长丝与含量8％的高温定型胶黏剂复合制备筒状编织中间层，编织股数为10股，单股采用3K碳纤维；最外表面采用耐热温度不低于50℃的柔性耐温硅胶筒状结构，柔性树脂层中添加含量12％的短切T700碳纤维长丝。
(2)融雪除雪导水槽模块框架的装配及发热线构型设计。采用网格状、折线状、螺旋盘绕状结构布置导水槽模块框架，将布置好的发热线埋入导水槽导热硅胶内部与水槽连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.02℃，感温探头布置密度为20个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为大棚面除雪装置的供电设备，采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚面除雪装置的供电设备，发电功率为10KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。利用该实施例的碳纤维除雪加温装置，可保证棚顶蔬菜作物的表面温度不低于38℃。
实施例4
(1)碳纤维红外发热线的制备。采用三层套管编织结构制备发热线，采用棒状结构的T300碳纤维树脂基复合材料制备直径为1.5mm的多股绳编织连续长度发热线芯层，多股绳为股数为6股，单股采用3K纤维，芯层树脂基体为含量8％的环氧树脂；采用T700碳纤维长丝与含量7％的高温定型胶黏剂复合制备筒状编织中间层，编织股数为10股，单股采用3K碳纤维；最外表面采用耐热温度不低于50℃的柔性耐温聚氨酯筒状结构，柔性树脂层中添加含量13％的短切T800碳纤维长丝。
(2)融雪除雪导水槽模块框架的装配及发热线构型设计。采用网格状、折线状、螺旋盘绕状结构布置导水槽模块框架，将布置好的发热线埋入导水槽导热硅胶内部与水槽连接成整体，连接端采用弹簧绕线接头。框架模块接线端采用并联方式，将布置好碳纤维发热线的框架模块进行连接，接线端采用弹簧压片式结构。同时在框架模块的特定部位布置感温元件，感温元件的布置位置靠紧发热线表面，温度精度为0.05℃，感温探头布置密度为20个/m2。
(3)碳纤维绿色供电及储能系统配制。采用面积为5m2的单晶硅太阳能极板作为大棚面除雪装置的供电设备，采用水平轴结构风力发电机作为蔬菜大棚面除雪装置的供电设备，发电功率为8KW，供电装置配合蓄电池以保证稳定夜间供电。利用该实施例的碳纤维除雪加温装置，可保证棚顶蔬菜作物的表面温度不低于35℃。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种外置式碳纤维除雪装置，其特征在于：包括导水槽、碳纤维发热线和供电设备，所述碳纤维发热线分布在导水槽的本体内部，碳纤维发热线通过导线与所述供电设备连接；碳纤维发热线与导水槽之间的连接端采用弹簧连接端子；所述导水槽的本体内部还设置有温度传感器，温度传感器紧靠碳纤维发热线设置；温度传感器的温度精度为0.001℃-0.1℃；所述碳纤维发热线为三层套管编织结构，从内到外依次为碳纤维复合芯层、碳纤维红外发热层和耐水耐温树脂层；其中，碳纤维复合芯层由碳纤维树脂基复合材料制备而成；碳纤维红外发热层包括用于发热的碳纤维长丝和用于将碳纤维长丝固定的定型胶黏剂层；耐水耐温树脂层采用硅胶或聚氨酯制备而成；所述耐水耐温树脂层中添加有5%-15%的碳纤维长丝，其中碳纤维长丝作为导热剂；所述耐水耐温树脂层的耐热温度不低于50℃；所述外置式碳纤维除雪装置用于大棚的棚顶或大棚的侧面；所述碳纤维复合芯层采用棒状连续结构，直径为0.5 mm-2 mm；所述碳纤维复合芯层中树脂的质量百分数含量为2%-25%；所述碳纤维红外发热层中的定型胶黏剂的质量百分数含量为5%-10%；其中，所述导水槽采用热塑性导热硅胶制备而成，热塑性导热硅胶将碳纤维发热线产生的热量及时传递出来，将更多的雪融化，融化得到的水在导水槽中收集，被导水槽导送到设定的蓄水装置中，同时热量对大棚内部起到加热作用，提高大棚的内部温度。
2.根据权利要求1所述的除雪装置，其特征在于：所述碳纤维复合芯层中的碳纤维采用多股绳编织结构。
3.根据权利要求1所述的除雪装置，其特征在于：所述碳纤维复合芯层中的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的除雪装置，其特征在于：所述碳纤维红外发热层中的碳纤维采用筒状编织结构。
5.根据权利要求1所述的除雪装置，其特征在于：所述碳纤维发热线在导水槽本体内部的布置方式为：网格状、折线状或螺旋盘绕状。
6.根据权利要求1所述的除雪装置，其特征在于：所述碳纤维发热线的接线端采用弹簧压片式结构。
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