CN108646832B - 一种基于太阳能和地源热泵的温室系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于太阳能和地源热泵的温室系统，该温室系统包括温室主体、位于温室主体顶部的太阳能光伏模块、地源热泵装置以及集成控制单元。本发明同时将太阳能和地热能这两种清洁能源同时应用于温室系统，有效降低了温室系统的能源消耗和碳排放。此外还提供了一种智能高效的温室系统自动控制方法。

Description

一种基于太阳能和地源热泵的温室系统
技术领域
本发明涉及一种温室系统，特别涉及一种利用地热能和太阳能的温室系统。
背景技术
温室系统是现代农业的重要组成部分，因为温室具有抗台风、防酸雨、温度可控等功能，能够提供给作物一个良好的生长环境。现代农业的发展对新能源的需求和应用也越来越广泛，而目前温室系统的加温主要采用燃煤热水、燃气热水以及燃油热风炉等方式、用电则完全依赖市政电网供电，上述加温方式直接导致释放了大量二氧化碳等温室气体和有害气体、严重危害生态环境。
此外现有温室系统的控制方法较为简单、劳动力强度高且自动化程序较低，已经无法适应现代农业的自动控制需求。因此急需开发一种充分利用清洁能源且高度自动控制的温室系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能和地源热泵的温室系统，该温室系统包括：温室主体、位于所述温室主体顶部的太阳能光伏模块、地源热泵装置以及集成控制单元；其中，所述温室主体包括第一支撑体、高度低于所述第一支撑体的第二支撑体、由所述第一支撑体和所述第二支撑体制成且倾斜布置的透光板、紧挨所述第一支撑体外侧的热泵机房、位于所述热泵机房地下的雨水收集池以及固定在所述透光板下方的多个轴流风机；所述太阳能光伏模块包括沿所述温室主体长度方向上水平等间距布置且位于所述透光板表面的多个链轮传动轴、固定在所述链轮传动轴上的多块太阳能电池板、位于所述第一支撑体上部的驱动机构、将所述驱动机构输出的动力传递至多个所述链轮传动轴上的链条以及蓄电模块；所述地源热泵装置包括设置在所述热泵机房内的热泵机组、与所述热泵机组一端相连且向下穿过所述雨水收集池并埋入地下的多路“U”型地下埋管、与所述热泵机组一端相连且安装在所述第一支撑体内侧上部的末端空调。
优选地，所述第二支撑体为钢结构体且外侧表面铺设有钢化玻璃。
优选地，所述第二支撑体外侧底部还设置有雨水收集槽以及一端与所述雨水收集槽相连且另一端与所述雨水收集池相连的雨水引流管。
优选地，所述最上方的太阳能电池板的顶部还设置有与所述太阳能电池板朝向相同的光敏传感器、所述第一支撑体内侧中下部设置有温度传感器。
优选地，所述链轮传动轴的中心处为链轮。
优选地，所述透光板内侧均匀设置有多个LED灯，所述LED灯包括多个红光LED灯、多个蓝光LED灯和多个白光LED灯。
优选地，所述蓝光LED灯的波长为450～460nm或460～470nm；所述红光LED灯的波长为620-630nm或640-660nm。
优选地，还包括与所述雨水收集池相连的喷灌装置。
优选地，所述集成控制单元包括中央处理器、光伏控制器、热泵控制器、灯光控制器、风机控制器、空调控制器、喷灌控制器以及触控显示屏。
此外还提供了一种利用地热能和太阳能的温室系统的自动控制方法，该方法包括以下步骤：
a)所述光敏传感器实时获取太阳光光照强度值Y并将所述光照强度值Y传输至所述中央处理器，然后进入步骤b)；
所述温度传感器实时获取所述温室系统内的温度T并将所述温度值T传输至所述中央处理器，然后进入步骤f)；
b)所述中央处理器判断获取的光照强度Y与启动阈值S的数值大小，当Y<S时则返回步骤a)重新获取太阳光光照强度值Y，当Y≥S时启动所述驱动机构并进入步骤c)；
所述中央处理器判断获取的光照强度Y与灯光阀值Y0的数值大小，当Y<Y0时则打开所述LED灯，当Y>Y0时则关掉所述LED灯，然后返回步骤a)重新获取太阳光光照强度值Y；
c)所述驱动机构顺时针转动并驱动所述太阳能电池板缓慢匀速转动，所述光敏传感器获取所述太阳能电池板转动过程中的一系列光照强度值Yi并传输至所述中央处理器，然后进入步骤d)；
d)所述中央处理器判断获取的光照强度Yi-1、Yi之间的大小以及Yi、启动阈值S之间的大小；当S<Yi<Yi-1时所述驱动机构立即停止转动且保持停止状态一小时后重新返回步骤c)；当Yi<S时所述驱动机构逆时针旋转并驱动所述太阳能电池板返回初始状态，然后进入步骤e)；
e)当所述太阳能电池板返回初始状态后则关闭所述驱动机构并重新返回步骤a)；
f)所述中央处理器判断获取的温度T与温度阀值T1、T2的数值大小，当T<T1时则开启所述末端空调进行升温，当T>T2时则开启所述末端空调进行降温，当T2<T<T1时则关闭所述末端空调，然后返回步骤a)重新获取所述温室系统内的温度T。
综上所述，本发明一种基于太阳能和地源热泵的温室系统具有很好的节能和环保效果且太阳能发电效率高、地源热泵运行效率高、整体结构设计巧妙紧凑、自动化程度高等优点。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明温室系统的剖面示意图；
图2示意性示出本发明温室系统的立体结构示意图；
图3示意性示出本发明温室系统的集成控制单元模块示意图；
图4示意性示出本发明温室系统的自动控制方法流程图；
图5示意性示出本发明温室系统太阳能光伏模块第二实施例的剖面示意图；
图6示意性示出本发明温室系统太阳能光伏模块第二实施例的带状薄膜光伏组件示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1和图2分别示意性示出了本发明一种基于太阳能和地源热泵的温室系统100的剖面示意图和立体结构示意图，该温室系统100包括：温室主体1、位于温室主体1顶部的太阳能光伏模块2、地源热泵装置3以及集成控制单元4。该温室系统100综合利用了太阳能和地热能两种清洁能源，具有很好的节能和环保效果。
温室主体1，采用主体架构一体化设计建造，具有较强的抗台风和抗地震性能。温室主体1包括第一支撑体101、高度低于第一支撑体101的第二支撑体102、由第一支撑体101和第二支撑体102制成且倾斜布置的透光板103、紧挨第一支撑体1外侧的热泵机房104、位于所述热泵机房104地下的雨水收集池105以及固定在透光板103下方的多个轴流风机106。
第一支撑体101、热泵机房104以及雨水收集池105均为钢筋混领土结构体，有效保证了温室主体1的牢固性和稳定性。
第二支撑体102为钢结构体且外侧表面铺设有透明的钢化玻璃110，第二支撑体102外侧底部还设置有雨水收集槽108以及一端与雨水收集槽108相连且另一端与雨水收集池105相连的雨水引流管109。此外雨水收集池105还连接有向温室内植物提供灌溉和喷淋的喷灌装置5，从而可以有效节约水资源，特别适用于北方干旱地区。
透光板103内侧均匀设置有多个LED灯107，LED灯107包括多个红光LED灯、多个蓝光LED灯和多个白光LED灯。蓝光LED灯的波长为450～460nm或460～470nm；红光LED灯的波长为620-630nm或640-660nm。这些波长的光源都是让植物产生最佳的光合作用，除了给植物在缺光时间里得到补光外，还让植物在生长过程中促进多发侧枝和芽的分化，加快根茎叶生长，加快植物碳水化合物的合成和维生素的合成，缩短了植物的生长周期。
太阳能光伏模块2，包括沿温室主体1长度方向上水平等间距布置且位于透光板103表面的多个链轮传动轴202、固定在链轮传动轴202上的太阳能电池板201、位于第一支撑体101上部的驱动机构204、将驱动机构204输出的动力传递至多个链轮传动轴202上的链条203以及位于热泵机房104顶部的蓄电模块205。太阳能电池板201优选采用透光率高的薄膜太阳能电池板，从而在保证发电效率的情况下尽可能的满足温室内作物对太阳光线的透光需求以满足作物的正常生长需求。
具体地，驱动机构204通过由链条203和链轮传动轴202中心处的链轮组成的链传动机构驱动链轮传动轴202缓慢旋转，进而驱动太阳能电池板201缓慢旋转并调整与太阳光线的入射角度，最大程度地提高太阳能电池板201的发电效率。
链轮传动轴202通过其两端的轴承固定在温室主体1的主体框架上，同时多块太阳能电池板201等间距等倾角地安装在链轮传动轴202上并与链轮传动轴202一起转动，此外太阳能电池板201也可从链轮传动轴202上轻松卸载下来，从而方便维护、维修以及更换操作。
太阳能光伏模块2产生的电能储存在蓄电模块205，蓄电模块205可向温室系统100内的其他用电设备提供电能，只有当蓄电模块205的电量供应不足时才会自动切换至公共电网供电模式，从而尽可能的减少电费的花销。此外蓄电模块205还可向地源热泵装置3提供电力供应，尽可能实现温室系统100的电力供应实现自给自足。
地源热泵装置3，包括设置在热泵机房104内的热泵机组301、与热泵机组301一端相连且向下穿过雨水收集池105并埋入地下的多路“U”型地下埋管302、与热泵机组301一端相连且安装在第一支撑体101内侧上部的末端空调303。雨水收集池105不仅作为上述喷灌装置5的水源，还可以作为地源热泵装置3中地下埋管302的热量交换媒介。
热泵机组301包括压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀，其降温与供暖过程如下：
1)降温过程：热泵机组301内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环，通过蒸发器内冷媒的蒸发将由末端空调303(也称作“风机盘管”)循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由地下埋管302构成的水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至雨水收集池105、地下水与地下土壤中。在温室内热量不断转移至地下的过程中，通过末端空调303以冷风的形式为温室降温。
2)供暖过程：热泵机组301内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下埋管302构成的水路循环吸收雨水收集池105、地下水与地下土壤中的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由末端空调303将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至温室的过程中，通过末端空调303以热风的形式向温室供暖。
集成控制单元4，如图3所示，集成控制单元4包括用于判断运算的中央处理器401、用于控制太阳能光伏模块2的光伏控制器402、用于控制热泵机组301的热泵控制器403、用于控制LED灯107开关的灯光控制器404、用于控制轴流风机106开关的风机控制器405、用于控制末端空调303的空调控制器406、用于控制喷灌装置5的喷灌控制器407以及触控显示屏408。
最上方的太阳能电池板201的顶部还设置有与太阳能电池板201朝向相同的光敏传感器206、第一支撑体101内侧中下部设置有温度传感器304。光敏传感器206和温度传感器304分别用于感应温室外太阳光光线强度值Y和温室外的温度值T，该光线强度值Y和温度值T实时传输至中央处理器401，进一步由中央处理器401根据Y值和T值进行判断处理并向集成控制单元4发出控制信息。
此外如图4所示，本发明还公开了一种基于太阳能和地源热泵的温室系统100的自动控制方法200，该方法200包括以下步骤：
a)光敏传感器206实时获取太阳光光照强度值Y并将所述光照强度值Y传输至中央处理器401，然后进入步骤b)；
温度传感器304实时获取温室系统100内的温度T并将该温度值T传输至中央处理器401，然后进入步骤f)；
b)中央处理器401判断获取的光照强度Y与启动阈值S的数值大小，当Y<S时则返回步骤a)重新获取太阳光光照强度值Y，当Y≥S时启动太阳能光伏模块2的驱动机构204并进入步骤c)；
中央处理器401判断获取的光照强度Y与灯光阀值Y0的数值大小，当Y<Y0时则打开LED灯107，当Y>Y0时则关掉LED灯107，然后返回步骤a)重新获取太阳光光照强度值Y；
c)驱动机构204顺时针转动并驱动太阳能电池板201缓慢匀速转动，光敏传感器206获取太阳能电池板201转动过程中的一系列光照强度值Yi并传输至中央处理器401，然后进入步骤d)；
d)中央处理器401判断获取的光照强度Yi-1、Yi之间的大小以及Yi、启动阈值S之间的大小；当S<Yi<Yi-1时驱动机构204立即停止转动且保持停止状态一小时后重新返回步骤c)；当Yi<S时驱动机构204逆时针旋转并驱动太阳能电池板201返回初始状态，然后进入步骤e)；
e)当太阳能电池板201返回初始状态后则关闭驱动机构204并重新返回步骤a)；
f)中央处理器401判断获取的温度T与温度阀值T1、T2的数值大小，当T<T1时则开启末端空调303进行升温，当T>T2时则开启末端空调303进行降温，当T2<T<T1时则关闭末端空调303，然后返回步骤a)重新获取温室系统100内的温度T。
上述自动控制方法200通过持续自动调整太阳能电池板201与太阳光光线的角度关系，从而有效确保了太阳能电池板201的发电效率始终处于最佳状态，此外自动控制方法200中的启动阈值S、灯光阀值Y0、温度阀值T1与T2均可根据实际需求进行阀值设定，同时自动控制方法200还可随时切换成就地手动控制模式。
此外，本发明还公开了一种太阳能光伏模块2的第二实施例(上述描述的太阳能光伏模块2为第一实施例)，如图5和图6所示，该第二实施例中的太阳能光伏模块2包括多条带状薄膜光伏组件207、位于第一支撑体101顶部的驱动轮208和第一导向轮209、位于第二支撑体102顶部的第二导向轮203、位于第一支撑体101底部内侧的第三导向轮210以及蓄电模块205。该第二实施例中的光敏传感器206则位于第一支撑体101的最上端且与柔性薄膜电池207a朝向相同，驱动轮208与第一导向轮209均位于第一支撑体101顶部且间距较近。
如图6所示，驱动轮208与第二导向轮203之间的间距等于驱动轮208与第三导向轮210之间的间距。带状薄膜光伏组件207由柔性薄膜电池207a、遮阳网207b、透光网207c首尾可拆卸的拼接在一起，其中柔性薄膜电池207a和遮阳网207b分别占带状薄膜光伏组件207总长度的四分之一。
如图5所示，驱动轮208驱动所述带状薄膜光伏组件207依次绕驱动轮208、第一导向轮209、第二导向轮203以及第三导向轮210进行顺时针转动。当柔性薄膜电池207a转动至透光网207c最外表面时，则温室空间100进入发电储能模式；当遮阳网207b转动至柔性薄膜电池207a最外表面时，则温室空间100进入遮阳防强光模式；当透光网207c转动至透光网207c最外表面时，则温室空间100进入光合作用模式。
该第二实施例中的太阳能光伏模块2采用了多功能的带状薄膜光伏组件207，具有整体结构设计巧妙紧凑、多种工作模式且智能化程度高等优点。
综上所述，本发明一种基于太阳能和地源热泵的温室系统100巧妙地将太阳能和地热能这两种清洁能源应用于温室系统，有效降低了温室系统的能源消耗和碳排放，同时还创造性地采用了可旋转太阳能电池板201或带状薄膜光伏组件207技术，此外还提供了一种智能高效的温室系统100自动控制方法，故本发明一种利用地热能和太阳能的温室系统100具有很好的节能和环保效果且太阳能发电效率高、地源热泵运行效率高、整体结构设计巧妙紧凑、自动化程度高等优点。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于太阳能和地源热泵的温室系统，该温室系统包括：温室主体、位于所述温室主体顶部的太阳能光伏模块、地源热泵装置以及集成控制单元；其中，
所述温室主体包括第一支撑体、高度低于所述第一支撑体的第二支撑体、由所述第一支撑体和所述第二支撑体支撑且倾斜布置的透光板、紧挨所述第一支撑体外侧的热泵机房、位于所述热泵机房地下的雨水收集池以及固定在所述透光板下方的多个轴流风机；
所述太阳能光伏模块包括多条带状薄膜光伏组件、位于所述第一支撑体顶部的驱动轮和第一导向轮、位于所述第二支撑体顶部的第二导向轮、位于所述第一支撑体底部内侧的第三导向轮以及蓄电模块；所述带状薄膜光伏组件由柔性薄膜电池、遮阳网、透光网首尾可拆卸的拼接在一起，且所述柔性薄膜电池和所述遮阳网分别占据所述带状薄膜光伏组件总长度的四分之一；
所述驱动轮驱动所述带状薄膜光伏组件依次绕所述驱动轮、所述第一导向轮、所述第二导向轮以及所述第三导向轮进行顺时针转动；
所述地源热泵装置包括设置在所述热泵机房内的热泵机组、与所述热泵机组一端相连且向下穿过所述雨水收集池并埋入地下的多路“U”型地下埋管、与所述热泵机组一端相连且安装在所述第一支撑体内侧上部的末端空调。
2.根据权利要求1所述的温室系统，其特征在于：所述驱动轮与所述第二导向轮之间的间距等于所述驱动轮与所述第三导向轮之间的间距。
3.根据权利要求2所述的温室系统，其特征在于：还包括位于所述第一支撑体的最上端且与所述带状柔性薄膜电池朝向相同的光敏传感器。
4.根据权利要求1所述的温室系统，其特征在于：所述第二支撑体为钢结构体且外侧表面铺设有钢化玻璃。
5.根据权利要求4所述的温室系统，其特征在于：所述第二支撑体外侧底部还设置有雨水收集槽以及一端与所述雨水收集槽相连且另一端与所述雨水收集池相连的雨水引流管。
6.根据权利要求5所述的温室系统，其特征在于：还包括与所述雨水收集池相连的喷灌装置。
7.根据权利要求6所述的温室系统，其特征在于：所述集成控制单元包括中央处理器、光伏控制器、热泵控制器、灯光控制器、风机控制器、空调控制器、喷灌控制器以及触控显示屏。
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