CN106560020A - 一种农业用的储能装置系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种农业用的储能装置系统及其方法，针对生物工厂所需的主要四个生物因子，将多种技术集成，在配电网负荷非高峰期(特别是夜间)用于“温、电、水、气”为内容的能源储备；依据需要进行系统优化，以“温度梯次利用法”合理分配，着重转移到“电网负荷高峰期”使用，实施“时空转移、移峰填谷”，高效利用多种清洁能源。由于这四个生物因子可控性提高，新型农业将广泛采用自动化、智能化的新技术和精准化、集约化的新方式，实现传统的“平面被动型农业”转型升级为现代的“立体智慧型农业”。本发明集“绿色、生态、环保、低碳、节能、高效”等优点于一体，应用推广潜力极大，将产生巨大的经济效益、社会效益和生态效益。

Description

一种农业用的储能装置系统及其方法
所属技术领域
本发明涉及一种适用于农业一二三产业融合发展中合理利用能源的技术领域，尤其是针对生物工厂所需的“温、光、水、气”等生物因子，将“电蓄冷蓄热技术、热泵技术、水处理技术、水传热技术、压缩空气储能技术、空气隔热技术及电池蓄能技术”等组合，在配电网负荷非高峰期(特别是夜间)，协同用于“温、光(电)、水、气”等储备；并依据生产、生活、生态等多种影响因素，系统组合并优化方案，采用了“温度梯次利用法”，进行合理分配，着重转移到“电网负荷高峰期”使用，实施移峰填谷；并且采用自动化、智能化技术，将“温、光(电)、水、气”等储能精准应用到现代农业中，实现多种清洁能源的高效利用。
背景技术
目前，农业生产中主要有露天农业、设施农业、生物工厂等三种模式。露天农业是典型的“靠天吃饭”农业，风险高，收入不确定；设施农业主要有普通温室和智能温室两种，二者采用了部分措施进行调整，但是都存在“增温增湿容易、降温降湿困难”的问题，特别是高温季节降温难、多雨季节降湿难、高温梅雨期是难上加难。部分配有制冷机组，因运行时间长，工作时天气热、能耗大、效率低、成本高，而常常处于“用不起”的状态。
生物工厂投资多、硬件好，生产技术体系较完善，自动化、机械化、集约化等水平高，生物生长环境好，各种风险预防控制到位，产量和品质更稳定，收益更可靠。由于外部环境变化大，为了减少能量损失，普遍采用热交换器进行空气更新；需氧大的生物工厂为了减少换气造成的能量损失，会选择“较耐低氧”的品种进行生产。
生物工厂在控制温度时，普遍是“随着天气变化而变化”，用电“高峰、低谷”与电网负荷的“高峰、低谷”正相关，存在着用电供电矛盾，工厂要扩大规模受用电增容限制，产业集聚效应难以形成。
“用电多、能耗高、能效比低、电费贵”的能源问题，已成为生物工厂产业化发展的共性问题，更是温室设施农业转型升级的瓶颈。
电蓄冷蓄热技术目前以热泵技术最成熟，广泛用于生产生活中。主要应用在公共场所的大型建筑中，工业较多用于节能方面，农业领域应用则较少。
当前，国内外储能技术以物理储能(如抽水储能发电、压缩空气储能等)应用规模大，技术简单且成熟；化学储能技术较复杂，应用规模小。
储能技术能否快速发展，其中“储能应用技术的成熟度”和“应用储能的成本”高低(含固定资产和运行成本)，是二个共性关健问题。
都市现代农业的规模化发展，需要能源，其中主要是电能。目前，都市配电网的负荷高峰，与农业的“被动式控制”生态环境的用电高峰同步，传统的“被动型”用电方式，将使电网负荷尖峰更明显，供电用电矛盾更大。因此，生物工厂传统的用电方式增容受限制，难以形成产业规模效应。同时，在电网负荷谷时，则有大量电闲余、配送不出去而存在浪费现象。
发明内容
为了解决农业生产中，普遍存在的生物工厂与设施农业“用电多、能耗高、能效比低、电费贵、电网负荷高峰期随时可能跳闸断电等”的问题，本发明提供一种农业用的储能装置系统及其方法，利用电网负荷非高峰期，分别进行以“温、光(电)、水、气”等四个生物因子为内容的能源储备；然后依据生产生活生态的实际情况，从时间、空间及一二三产业等多个方面，进行分配使用；特别是采用了“温度梯次利用法”，各种清洁能源得到合理利用，节能又低碳，效果显著。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
该储能装置系统至少包括储热子系统(1)、制氧储气子系统(2)、蓄电子系统(3)、水净化处理子系统(4)组合而成；所述的储热子系统(1)，至少包括热泵机组(5)、蓄热蓄冷装置(6)、高温应用装置(7)、低温应用装置(8)、生物生态房(9)并且以水为主要传热介质连接而成；所述的制氧储气子系统(2)，是指以物理方法将空气中氧气分离并储存，氧气用于促进好氧性生物生长，氮气等其它气体也储存起来，用于气调保鲜、或给隔热膜(18)充气；所述的蓄电子系统(3)，是以化学方法的蓄电池储存电能，重点在电网负荷高峰期用于照明或其它小电器供电；所述的水净化处理子系统(4)，是指为生物工厂提供洁净的生产、生活用水的净化过滤设备及蓄水池等装置。
所述的热泵机组(5)与蓄热蓄冷装置(6)连接，依据需求蓄热或蓄冷或同时蓄热蓄冷，可以模块三联供(供冷、供暖、供热水)技术利用空气能、地热能、水热能等；所述的热泵机组(5)是指冷水机组、高温热水热泵以及水源空气源机组等，至少一端以水进行热交换；所述的蓄热蓄冷装置(6)，由蓄热水装置(10)及蓄冷水装置(11)两部分组成，蓄热水装置(10)用于储存至少35℃以上的热水，蓄冷水装置(11)用于储存至少12℃以下的冷水；所述的高温应用装置(7)，是指农副产品烘干机(12)、地暖管(13)、巴氏灭菌装置(14)等需要35℃以上热水为热源的装置；所述的低温应用装置(8)，是指冷水风机(15)、地暖管(13)、冷藏柜或冷库(16)等需要12℃以下冷水为冷源的装置；所述的生物生态房(9)，至少包括生物生长空间(17)、充气隔热膜(18)、外围大棚(19)、蓄水池(20)组合而成；所述的蓄热水装置(10)与高温应用装置(7)相连接，以水为传热介质；所述的蓄冷水装置(11)与低温应用装置(8)相连接，以水为传热介质；所述的蓄热水装置(10)及蓄冷水装置(11)，周围都用隔热材料进行保温处理，减少所储存的能量损耗；所述的烘干机(12)，可以是水源换热器供热，还可以是水源空气源高温热泵供热；所述的地暖管(13)，是指生产工作间、或生活区房间、或生物生态房等场地下所埋藏的，中间通热水用于加温(或者通冷水降温)的专用水暖换热管；所述的巴氏灭菌装置(14)，是指能控制温度60～65℃之间、用于生物栽培基质杀虫灭卵消毒的装置；所述的冷水风机(15)是指安装在生态房(9)、或工作间(22)、或生活房间(21)内部，用于降温除湿；所述的冷藏柜或冷库(16)是指用于冷藏干品或保存鲜活农产品的空间装置，其冷源可以来自蓄冷水装置(11)，也可以另外增加制冷机进行控温。
本发明的有益效果是：
所述农业用的储能装置系统及其方法，所采用的各项技术成熟且可以产业化、规模化应用，储能应用的技术方案设计合理，简单明了，使用方便。有益效果主要体现在以下三点：第一是创新点，本发明选择以“温、光、水、气”等四个农业生物因子作为储能内容，进行时空转移，特别是采用了“温度梯次利用法”，将生物生长调控在“最适宜生长的温度范围”，并满足另外几个生物因子的适宜条件，使其生长最快、生物产量最大化，各种清洁能源得到高效利用和转化。第二是立足点，现代农业需要能源支撑，特别是电能。本发明利用电网负荷非高峰期，进行多种形式的储能，既解决了现代农业用电扩容的难题，又找到了电网谷电的市场销路，一举两得。该储能装置系统以“移峰填谷”方式，既平衡了电网负荷，有利于安全平稳供电，也由于“少用峰时高价电、多用谷时低价电”，达到了供电方与用电方双赢的效果。第三是亮点，本发明以举世公认的能源效率极高的热泵技术为储能的主要方式，特别是将“闲时电力+可再生能源”用于现代农业的产业化，这是一种“电网负荷非高峰期电力+现代农业”组合而成的新模式，可以减少传统烧煤烧柴用于烘干、巴氏消毒而造成的环境污染；同时，由于“温、光、水、气”四个生物因子可控性提高，“作物立体种植、高密度水产养殖和养菌出菇等”现代农业，将可以广泛采用自动化、智能化的新技术和标准化、集约化生产的新方式，实现传统的“平面·被动型农业”转型升级为现代的“立体·智慧型农业”。此外，用储存的洁净的“水、气”生产出来的食品，受周边环境影响极小，品质优异。本发明集“绿色、生态、环保、低碳、节能、高效”等优点于一体，应用推广潜力极大，将产生巨大的社会效益、经济效益和生态效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的储能系统组成平面示意图
图2是本发明的储热子系统热交换示意图
图3是本发明应用储能调控的生态房立剖面图
图4是本发明的第一个实施例示意图
图5是本发明的第二个实施例示意图
图6是本发明的第三个实施例示意图
图7是本发明的第四个实施例示意图
图8是本发明的第五个实施例示意图
图9是本发明的第六个实施例示意图
图中1.储热子系统，2.制氧储气子系统，3.蓄电子系统，4.水净化处理子系统，5.热泵机组，6.蓄热蓄冷装置，7.高温应用装置，8.低温应用装置，9.生物生态房，10.蓄热水装置，11.蓄冷水装置，12.烘干机，13.地暖管，14.巴氏灭菌装置，15.冷水风机，16.冷藏柜或冷库，17.生物生长空间，18.充气隔热膜，19.外围大棚，20.蓄水池，21.生活房间，22.工作间，23.热水管道，24.补氧管道或储气瓶，25.净化水管道，26.电线，27.冷水管道，28.低温冷冻液换热器，29.水产养殖生态房，30.食用菌出菇房，31.食用菌菌丝培养房，32.园艺作物生态房。
具体实施方式
图1中，储能装置系统由四个子系统组成。储热子系统(1)经热泵工作将热能蓄在冷水(温度范围0～12℃)和热水(温度范围35～85℃)中，生物生长所需5～35℃的水温，则由冷水或热水与常温水调配而成。储热子系统储存的能量，以“温度梯次法”利用0～85℃水中不同品位的热能，0～12℃用于保鲜冷藏及降温除湿，5～35℃用于生物生长，35～85℃用于供暖供热；其中主要应用是：将生物生长调控在“最适宜生长的温度范围”，并满足另外几个生物因子的适宜条件，使其生长最快、生物产量最大化，各种清洁能源得到高效利用和转化。制氧储气子系统(2)从空气中分离出氧气并储存备用，氧气是主产品，用于好氧性生物生长过程增氧；氮气是副产品，依据需要适当储存备用。蓄电子系统(3)所储存的电能主要在电网负荷高峰时，用于小电器以及各种照明。水净化处理子系统(4)所生产的洁净水主要用于生物生长及加工用水。
图2是储热子系统的热交换说明。热泵机组(5)工作时，将蓄热蓄冷装置(6)中的蓄冷水装置(11)的水降至目标水温，同时将热量传到蓄热水装置(10)的水中，并使其水升温。低温应用装置(8)中的冷藏柜或冷库(16)、冷水风机(15)及降温地暖管(13)均分别与蓄冷水装置(11)连接相通，以冷水循环进行热交热。高温应用装置(7)中的烘干机(12)、加热地暖管(13)及巴氏灭菌装置(14)均分别与蓄热水装置(10)连接相通，以热水循环进行热交换。生物生态房(9)地面下安装了地暖管(13)，房内安装有冷水风机(15)。
图3是生物生态房(9)的立剖面图，该房是储能应用的主要场所。生物生态房(9)至少包括生物生长空间(17)、充气隔热膜(18)、外围大棚(19)、蓄水池(20)组合而成；其中生物生长空间(17)的调控技术标准最高，调整控制最精准。蓄水池(20)与蓄热蓄冷装置(6)相连接，依据需要选择冷水或热水，进行循环热交换。当生态房(9)需要储存热源时，蓄水池(20)与蓄热水装置(10)进行热交换；反之，则蓄冷水装置(11)进行热交换。
图4是储能系统的储热子系统(1)应用到生物生态房(9)中进行温度调控的示意图说明。当生态房(9)内的生物生长空间(17)的气温高于生物生长最适宜温度范围时，将热能子系统(1)的蓄冷水装置(11)的低温水，抽往冷水风机(15)，进行循环换热而降温。当生态房(9)内的生物生长空间(17)的气温低于生物生长的最适宜温度范围时，将蓄热水装置(10)的高温水抽往地暖管(13)循环换热，进行地面加温。
图5是本发明实用于调控“温、光”这二个生物因子的示例，即热能子系统(1)与蓄电子系统(3)的应用说明。储能系统的热能子系统(1)所产生的热源，以高温热水的方式储存能量，并通过热水管道(23)源提供给生物生态房(9)、生活房间(21)、工作间(22)、巴氏消毒装置(14)、烘干机(12)等需要热加热的装置和场所使用；储热子系统(1)所产生的冷源，以低温水的方式储能，并通过冷水管道(27)提供给生物生态房(9)、生活房间(21)、工作间(22)、冷藏柜或冷库(16)、冷水风机(15)等需要冷源降温(或除湿)的装置和场所使用，特殊需要0℃以下冷冻温度的，可采用低温冷冻技术，安装低温冷冻液换热器(28)。储能系统的蓄电子系统(3)可以通过电线(26)为生态房(9)的生物补光和各种照明供电，还可以给小电器供电。
特别说明：温度对生物酶的活性影响极大。将生物生长温度调整控制在最适宜的范围，是缩短生育期且获得高产、优质、高效的重要方法。依据生物的低、中、高温型进行合理搭配组合，可以“温度梯次利用法”，更好地发挥出储能的作用，能源利用效率最大化。
例如，食用菌生产主要分为菌丝培养和出菇管理两个阶段，各菌类之间、同一菌类的品种之间以及同一品种在不同阶段，最适宜的生长温度都存在差异。如草菇出菇最适宜(28～32℃)、蘑菇出菇最适宜(15～18℃)、茶树菇出菇最适宜(21～24℃)、黄伞出菇最适宜(16～18℃)等。例如，蔬菜种植中，“高温型”的空心菜(在15～40℃条件下均能生长、茎叶生长最适温25～30℃)，有“耐寒型”雪菜(适宜温度5～25℃、出苗适温20～25℃、最适宜18～22℃)，有“中低温型”的生菜(适宜10～22℃、最适宜温度16～20℃)，香菜适宜生长温度15～18℃。例如，水产养殖中，冷水鱼适宜水温8～20℃，虹鳟(亲鱼适宜水温5～13℃、成鱼适宜水温10～18℃；有中温的香鱼(适宜生长水温10～30℃、最适宜20～24℃)；有中高温型的尼罗罗非鱼(适温16～42℃、适宜生长温度22～34℃、最适生长水温24～32℃)。此外，花卉、水果、中药材及饲料草等植物均有高、中、低温型种类，可供产业化种植选择。
图6是本发明实施于调控“水、气”这二个生物因子的示例，即本发明中制氧储气子系统(2)与水净化处理子系统(4)的应用说明。制氧储气子系统(2)可以通过补氧管道或储气瓶(24)为水产养殖生态房(29)、食用菌出菇房(30)、食用菌菌丝培养房(31)提供高纯度的氧气，此法既满足了好氧型生物生长，又避免了大量通风换气而造成的能量损耗。水净化处理子系统(4)主要通过净化水管道(25)为水产养殖生态房(29)、食用菌出菇房(30)及园艺作物生态房(32)提供符合标准的生产用水，解决农业生产中的水源污染问题，确保农产品质量安全可靠。此外，与常规栽培方式不同的是：用洁净的水、气生产出来的食品，受周边环境污染极少，品质自然更优异。
例如，以来自环境条件极好的杂木屑和有机麦皮为原料，栽培食用菌；在密闭性良好的生态房培养菌丝和管理出菇，全程以正压的方法提供氧气，配合使用洁净水，可以生产出至少为“绿色食品标准”的食用菌优质品。例如，水产集约化工厂养殖时，以纯氧注入水中，可以提高鱼的养殖密度，每立方米水体产量能更高。
图7是本发明实施于“菌鱼共生组合”的示例说明。水产养殖生态房(29)与食用菌菌丝培养房(31)并行排列，选择二者最适宜生长的温度范围相近的种类，组合在一起，形成一个相似的、温度变化小的生态小环境。并且二者均有“好氧、喜洁净”的特点，可以共用补氧设施，节约投资，也便于环境条件的维护。
图8是本发明实施于“鱼菜共生组合”的示例说明。水产养殖生态房(29)与园艺作物生态房(32)在地面上并行排列，水产养殖所排出的水，用于蔬菜种植。既为蔬菜提供了营养，又净化了养殖的循环用水，一举两得。
图9是本发明实施于“菌草立体组合”的示例说明。由下层的食用菌出菇房(30)与上层的园艺作物生态房(32)建成一体，二层房共用外围大棚(19)和蓄水池(20)，上层采用透光性良好的充气隔热膜(18)。下层食用菌是“需要氧气、产生二氧化碳”，上层作物是“产生氧气、需要二氧化碳”，二者形成互补共生关系。例如，在上层的生物生长空间(17)进行基质种植多花黑麦草，进行产业化开发。它技术简单、生物产量高、市场潜力极大、优质又有营养。大量生产有利于食物链安全的饲料草，将会带动中高端～草食动物养殖(如养鱼、羊、牛、鹅等)产业化发展。

Claims (12)

1.一种农业用的储能装置系统及其方法，主要由储热子系统、制氧储气子系统、蓄电子系统、水净化处理子系统组合而成，其特征是热能子系统以水为蓄热(热水温度范围为35～85℃)蓄冷(冷水温度范围为0～12℃)介质，制氧储气子系统是以物理方法从空气中分离出氧气并储存应用，蓄电子系统采用蓄电池储存电能并用于小电器和各种照明，水净化处理子系统采用物理方法过滤及杀菌消毒处理生产生活用水。
2.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：利用电网负荷非高峰期，进行以“温、光(电)、水、气”等四个生物因子为内容的能源储备方法。
3.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：储热子系统，至少包括热泵机组、蓄热蓄冷装置、高温应用装置、低温应用装置、生物生态房并且以水为主要传热介质连接而成。
4.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：制氧储气子系统，是指以物理方法将空气中氧气分离并储存，氧气用于促进好氧性生物生长，氮气等其它气体也储存起来，用于气调保鲜、或给隔热膜充气。
5.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：水净化处理子系统是采用物理方法过滤和杀菌消毒，为生物工厂提供循环利用的、洁净的生产生活用水。
6.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：蓄电子系统(3)是以化学方法的蓄电池储存电能，重点在电网负荷高峰期用于照明或其它小电器供电。
7.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：生物生态房主要有钢架空间、充气隔热膜、外围大棚、蓄水池组合而成，其特征是钢架空间位于生态房中心，钢架空间与充气隔热膜之间是有一定距离分开的。
8.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：蓄热蓄冷装置是由蓄热水装置及蓄冷水装置两部分组成，蓄热水装置用于储存至少35℃以上至85℃的热水，蓄冷水装置用于储存至少12℃以下至0℃的冷水。
9.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：应用储能控制温度60～65℃之间、用于生物栽培基质杀虫灭卵消毒的方法。
10.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：热能子系统储存的能量，采用了“温度梯次法”利用0～85℃的水温，0～12℃用于保鲜冷藏及降温除湿，5～35℃用于生物生长，35～85℃用于供暖供热；其中主要应用是：将生物生长调控在“最适宜生长的温度范围”，并满足另外几个生物因子的适宜条件，使其生长最快、生物产量最大化，各种清洁能源得到高效利用和转化。
11.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：应用储能调控生物因子至最适宜的生态条件，好氧型菌物和鱼类等生物生长加快且集约化水平提高的方法。
12.根据权利要求1所述的农业用的储能装置系统及其方法，其特征是：将储存的氧气压进密闭性良好的生物生长空间，使该空间的生物持续在正压状态生长，极少(甚至没有)受到外部污染空气进入而影响品质。
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CN107667725A (zh) * 2017-09-30 2018-02-09 深圳前海弘稼科技有限公司 一种温室系统及温室系统的控制方法
TWI678145B (zh) * 2018-06-14 2019-12-01 中華大學學校財團法人中華大學 可移動式綠能菇類栽培系統

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