CN109792944A - 营养液物理恒温节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种营养液物理恒温节能系统，包括：半导体板和电源控制器模块，半导体板与电源控制器模块连接，半导体板与恒温箱的箱体接触；电源控制器模块用于向半导体板输入电流，并根据温度调节需求控制电流在半导体板中的流向；半导体板用于根据不同流向的输入的电流进行吸热或放热，以调节箱体内营养液的温度。本发明实施例通过半导体板吸热或放热来调节营养液的温度，利用帕尔贴效应能够准确控制吸热量或放热量，从而准确控制营养液的温度；半导体板工作所需的电流和电压较小，从而相对比现有技术能够节能，提高经济效益，也不会对营养液本身产生影响。

Description

营养液物理恒温节能系统

技术领域

本发明实施例涉及自动控制领域，更具体地，涉及一种营养液物理恒温节能系统。

背景技术

设施农业作为现阶段农业中最具特色和优势的主导产业，在经济发展中占据重要地位。无土栽培因其可控性强、清洁无污染、节水节肥，已经被大面积推广开来，相配套的理论研究也在逐步完善。无土栽培的关键是营养液的供给，其中营养液的配方、浓度及温度三个要素是影响作物产量和品种的关键因素。但针对液体温度的调节，现有技术仍存在一定的局限性。就升温而言，常规的利用电加热棒产生升温效果的方法，温度控制精准度差；降温方面，利用化学方法产生制冷效果的方法，需要大量反应物来维持持续不断地供应，经济效益低、环保性差；利用固态冰进行降温的方法，难以实现持续制冷、精准控制困难且会稀释营养液浓度。因此，以上方法都不适合在作物生长过程中对营养液进行恒温处理。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的营养液物理恒温节能系统。

本发明实施例提供一种营养液物理恒温节能系统，该系统包括：半导体板和电源控制器模块，半导体板与电源控制器模块连接，半导体板与恒温箱的箱体接触；电源控制器模块用于向半导体板输入电流，并根据温度调节需求控制电流在半导体板中的流向；半导体板用于根据不同流向的输入的电流进行吸热或放热，以调节箱体内营养液的温度。

本发明实施例提供的营养液恒温节能系统，通过半导体板吸热或放热来调节营养液的温度，利用帕尔贴效应能够准确控制吸热量或放热量，从而准确控制营养液的温度；半导体板工作所需的电流和电压较小，从而相对比现有技术能够节能，提高经济效益，也不会对营养液本身产生影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的营养液物理恒温节能系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的温度传感器和限位开关的位置示意图；

图3为本发明实施例提供的电源控制器模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的半导体板的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的恒温箱结构示意图；

图6为本发明实施例提供的人机交互界面的设置界面的示意图；

图7为本发明实施例提供的人机交互界面的监测界面的示意图；

图8为本发明实施例提供的恒温控制方法的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的恒温箱的第一设计图；

图10为本发明实施例提供的恒温箱的第二设计图；

图11为本发明实施例提供的恒温箱的第三设计图；

图中，1：太阳能电池板；2：储电装置；3：驱动控制模块；4：电源控制器模块；5：恒温箱；6：温度传感器；7：限位开关；8：直流电源；9：中间继电器；10：散热片；11：电路板；12：半导体材料片；13：回型壁；14：半导体板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术中的恒温控制方法不适合在作物生长过程中对营养液进行恒温处理，因此，亟需提出一种节能高效的营养液恒温方法，为作物持续创造最佳生长条件，以进一步提高生产效率。基于此，本发明实施例提供一种营养液物理恒温节能系统，该系统利用半导体自身的珀尔帖温差效应，来实现营养液的恒温调节。

参见图1，该系统包括：半导体板14和电源控制器模块4，半导体板14与电源控制器模块4连接，半导体板14与恒温箱5的箱体接触；电源控制器模块4用于向半导体板14输入电流，并根据温度调节需求控制电流在半导体板14中的流向；半导体板14用于根据不同流向的输入的电流进行吸热或放热，以调节箱体内营养液的温度。

其中，帕尔贴效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。因此，基于上述帕尔帖效应，通过为半导体板14输入不同流向的电流，能够使半导体板14吸热或放热。进一步地，由于半导体板14与恒温箱5的箱体是接触的，而箱体的内部盛放有营养液，因此半导体板14能够通过向营养液放热来加热营养液，或者通过向营养液吸热来制冷营养液，从而实现对营养液的温度的调节，可以使营养液保持恒温。而控制半导体板14吸热或放热的方式是控制流入半导体板14的电流的流向；例如，电流方向为正向时，半导体吸热以对营养液制冷；电流方向为反向时，半导体放热以对营养液加热。而用于控制输入到半导体板14的电流的流向的是电源控制器模块4，该电源控制器模块4一方面能够作为电源产生电流，另一方面能够控制产生的电流的流向。电源控制器模块4具体可以根据不同的温度调节需求(升高温度需求或降低温度需求)来产生相应流向的电流，从而控制半导体板14的吸热或放热。

另外，半导体板14的参数可如下表1所示，但本发明实施例对此不作限定：

表1半导体参数

型号	尺寸	常用电压	极限电压	最大电流	最大制冷量
						TEC1-24106	40*40*4mm	24V	28.8V	6A	101W

本发明实施例提供的营养液恒温节能系统，通过半导体板吸热或放热来调节营养液的温度，利用帕尔贴效应能够准确控制吸热量或放热量，从而准确控制营养液的温度；半导体板工作所需的电流和电压较小，从而相对比现有技术能够节能，提高经济效益，也不会对营养液本身产生影响。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，电源控制器模块4包括：直流电源8和中间继电器9；直流电源8包括第一直流电源和第二直流电源，中间继电器9包括第一中间继电器和第二中间继电器；第一直流电源的正负极正向接入第一中间继电器，第二直流电源的正负极反向接入第二中间继电器；第一中间继电器及第二中间继电器的输出端的正极串联后接入半导体板14，第一中间继电器及第二中间继电器的输出端的负极串联后接入半导体板14。

具体地，参见图3，电源控制器模块4由两个直流电源8与两个中间继电器9组成。两个直流电源8分别与两个中间继电器9相连，其中一个直流电源8(即第一直流电源)的正负极反向接入一个中间继电器9(即第一中间继电器)，另一个直流电源8(即第二直流电源)的正负极正向接入另一个中间继电器9(即第二中间继电器)。将两个中间继电器9的输出端正负极串联，接入半导体板14，达到制冷制热的一体化。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，半导体板14包括：散热片10、半导体材料片12和电路板11；散热片10的一端与半导体材料片12的一面垂直连接，半导体材料片12的另一面连接至电路板11。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，半导体板14包括多个半导体材料片12，多个半导体材料片12的正极和负极分别串联，形成半导体板14的正极和负极，相邻的散热片10之间填充有隔热材料。

具体地，参见图4，半导体板14由散热片10、半导体材料片12和电路板11组成。将一定数量的半导体材料片12焊接在一块电路板11上，且将所有半导体材料片12的正极、负极分别串联，形成半导体板14公共的正负极，以进行整体的统一控制。散热片10由导热性能较好的金属材料构成，垂直粘贴在电路板11的两面。另外，可将隔热材料填充在半导体板14上相邻散热片10之间，防止温度的散失，有效的增加其工作效率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，营养液物理恒温节能系统还包括：太阳能电池板1和储电装置2；太阳能电池板1与储电装置2连接，储电装置2与电源控制器模块4连接；太阳能电池板1用于将太阳能转化为电能，并将电能传输至储电装置2；储电装置2用于存储电能以供电源控制器模块4使用。

具体地，太阳能电池板1与储电装置2相连，目的是利用温室的自然光热资源优势，将太阳能转化为电能，从而达到节能高效的目的。储电装置2与电源控制器模块4相连，目的是为了将由太阳能转化、收集和存储的电能，提供给电源控制器模块4所使用。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，恒温箱5还包括：回型壁13，回型壁13沿箱体的外部设置；半导体板14设置于回型壁13与箱体之间。具体地，参见图5，恒温箱5由“回”型恒温壁(即回型壁13)、半导体板14及隔热材料组成。半导体板14可以按照一定的排列规则设置于回型壁13与箱体之间。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，营养液物理恒温节能系统还包括：温度传感器6和驱动控制模块3；温度传感器6设置于恒温箱5内，用于检测获得营养液的当前温度；驱动控制模块3用于获取恒温箱5的当前温度与目标温度之间的温度差值，若判断获知温度差值大于零，则控制中间继电器9将第一直流电源接入半导体板14；若判断获知温度差值小于零，则控制中间继电器9将第二直流电源接入半导体板14。

具体地，参见图2，温度传感器6安装于恒温箱5内，对营养液温度进行实时检测。驱动控制模块3与温度传感器6、电源控制器模块4的中间继电器9连接，能够通过温度传感器6反馈的当前温度对中间继电器9进行控制，调节营养液的温度，实现恒温处理。例如可执行如下流程：温度差值若不等于0℃，则启动逻辑判断过程：若温差大于0℃，控制中间继电器9选择正接的电源(即第一直流电源)接入电路启动制冷；若温差小于0℃，控制中间继电电器选择反接的电源(即第二直流电源)接入电路启动加热。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，驱动控制模块3还用于：根据温度差值和温度调节时长计算恒温过程所需的半导体板14的数量。

具体地，本发明实施例基于半导体的珀尔帖温差效应特性与能量守恒定律，通过控制半导体数量来实现对营养液温度的控制。

为了计算获得调节过程中所需的半导体的数据，根据液体吸热公式，溶液温度变化所需的放出或吸收的能量Q(单位J)为：

Q＝C*M*(T2-T1) (1)

式中，Q为营养液的吸热量；C为营养液的比热容；M为营养液的质量；T1为当前温度；T2为目标温度。

该能量均由半导体散热或制冷所提供，设T(单位s)为升温或降温时间(即温度调节时长)，η为转化效率，N为半导体数量，通过查表得出半导体的最大制冷量W(单位J/s)。

根据能量守恒定律得：

Q/T＝W*N*η (2)

综合公式(1)，(2)得：

即可通过检测到的当前温度T1与目标温度T2，计算出参与恒温工作所需的半导体数量，进而达到控制温度的目标。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，驱动控制模块3还包括：人机交互界面；人机交互界面用于接收输入的目标温度和/或温度调节时长。具体地，参见图6和图7，人机交互界面分为两页：第一页中，用户可以在人机界面上对目标温度、恒温时间和上下液位的限位数值进行设置；第二页用于监视系统运行的基本数据指标，包括当前温度、当前液位、运行过程以及预计剩余时间等。用户可以通过长按“确定”键实现两个页面之间的相互切换，点击“上下”键控制光标移动选择设置项目、“加减”键用于修改设置值；若出现问题可以直接选择关闭电源，来保护设备与人员安全。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，营养液物理恒温节能系统还包括：限位开关7；限位开关7设置于恒温箱5内，用于检测获得营养液的当前液位；驱动控制模块3用于检测及判断营养液的当前液位低于设定液位下限时，添加营养液；若检测及判断营养液的当前液位高于设定液位上限时，停止添加营养液。

具体地，参见图2，限位开关7安装在“回型”恒温壁内侧，两个限位开关7分为上限位开关和下限位开关，负责进行营养液补充和排出的自动控制。驱动控制模块3可通过限位开关7实时检测恒温箱5中营养液液位，判断液位高度，当液位低于设置液位下限时，对营养液进行添加；达到设置液位上限时，停止添加营养液。

以下提供一实施例对驱动控制模块3的控制过程进行说明：驱动控制模块3内可执行一种恒温控制方法，参见图8，该方法包括：

S1：实时检测恒温箱5中营养液液位，判断液位高度，当液位低于设置液位下限时，对营养液进行添加；达到设置液位上限时，停止添加；

S2：检测恒温箱5中营养液当前温度，数据上传到计算机并在液晶屏上显示。在显示屏上用户可设置恒温时间、目标温度及上下液位的限位数值；若不进行输入，系统默认动作时间为20min、目标温度为25℃；

S3：对当前温度与目标温度的差值进行判断，若温差为0℃时，跳至步骤S7；

S4：温差若不等于0℃，则启动逻辑判断过程：若温差大于0℃，控制中间继电器9选择正接的电源接入电路启动制冷；若温差小于0℃，控制中间继电电器选择反接的电源接入电路启动加热；

S5：通过公式计算出所需的半导体数量，控制半导体板14对营养液进行恒温处理；

S6：恒温过程启动后，每隔5min对当前温度赋值进行更新，跳至步骤S3；

S7：恒温结束，计算机自动关闭中间继电器9，并打开排水口将营养液送入栽培槽中，直至液位低于设置的下液位时，关闭排水口。

基于上述实施例的内容，以下提供一具体实施例：根据现有温室设备对营养液的单次需求量，设计恒温箱5容积为125L，恒温装置的整体尺寸为63cm*63cm*60cm，如图9至图11所示；回型壁13每一面布置10个半导体板14，每个半导体板14上焊接10片半导体；考虑导热效率、质量和成本，通过对比，确定铝作为箱体的传热效果最为理想，选用硬铝合金为恒温箱5材料；选择型号为TEC1-24106的半导体材料，查表1得到半导体的部分固定参数：冷量的效率Ч＝0.6；最大制冷量W＝101(J/s)。

以玻璃温室夏季生产为例，根据夏季温室营养液状况，以根系最适宜的25℃为目标温度T2，设当前温度T2为40℃，则根据液体吸热公式，溶液降温所需要的能量Q＝C*M*(T2-T1)＝4200(J/kg·℃)*125kg*15℃＝7875000J。该热量均由半导体散热或制冷所提供，以默认时间20min作为制冷动作时间，则根据能量守恒定律得：

因此，需要108片制冷片，即11个半导体板14用于参与制冷工作，可在20分钟之内，将125L的40℃营养液温度降为25℃。控制过程由图8所示。

综上，本发明实施例提供的营养液物理恒温节能系统具有如下有益效果：

1、针对营养液进行恒温处理，传统的恒温方法无法达到精准控制的要求，本发明实施例利用半导体材料，通过物理方式对营养液进行恒温处理，可以实现在不改变营养液浓度与成分的前提下，对营养液达到恒温处理；

2、由于半导体工作所需的电压与电流较小，因此可以利用温室自然光照优势，采用太阳能电池板为恒温装置供电，有效地利用新能源，达到了节能效果；

3、半导体自身不仅可以制冷也可以实现制热，因此，通过改变半导体电流正负极输入方向来实现制冷制热一体化，大大减少了多余设备的添加，缩小了占用体积的同时也降低了成本；

4、系统选择控制半导体数量的方式，简单且实用性高，对控制器的硬件要求较低，可以达到快速响应的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种营养液物理恒温节能系统，其特征在于，包括：半导体板和电源控制器模块，所述半导体板与所述电源控制器模块连接，所述半导体板与恒温箱的箱体接触；

所述电源控制器模块用于向所述半导体板输入电流，并根据温度调节需求控制所述电流在所述半导体板中的流向；

所述半导体板用于根据不同流向的输入的电流进行吸热或放热，以调节所述箱体内营养液的温度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源控制器模块包括：直流电源和中间继电器；所述直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，所述中间继电器包括第一中间继电器和第二中间继电器；

所述第一直流电源的正负极正向接入所述第一中间继电器，所述第二直流电源的正负极反向接入所述第二中间继电器；

所述第一中间继电器及所述第二中间继电器的输出端的正极串联后接入所述半导体板，所述第一中间继电器及所述第二中间继电器的输出端的负极串联后接入所述半导体板。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述半导体板包括：散热片、半导体材料片和电路板；

所述散热片的一端与所述半导体材料片的一面垂直连接，所述半导体材料片的另一面连接至所述电路板。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述半导体板包括多个所述半导体材料片，多个所述半导体材料片的正极和负极分别串联，形成所述半导体板的正极和负极，相邻的所述散热片之间填充有隔热材料。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：太阳能电池板和储电装置；所述太阳能电池板与所述储电装置连接，所述储电装置与所述电源控制器模块连接；

所述太阳能电池板用于将太阳能转化为电能，并将所述电能传输至所述储电装置；

所述储电装置用于存储所述电能以供所述电源控制器模块使用。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述恒温箱还包括：回型壁，所述回型壁沿所述箱体的外部环绕设置；所述半导体板设置于所述回型壁与所述箱体之间。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：温度传感器和驱动控制模块；

所述温度传感器设置于所述恒温箱内，用于检测获得营养液的当前温度；

所述驱动控制模块用于获取所述恒温箱的所述当前温度与目标温度之间的温度差值，若判断获知所述温度差值大于零，则控制所述中间继电器将所述第一直流电源接入所述半导体板；若判断获知所述温度差值小于零，则控制所述中间继电器将所述第二直流电源接入所述半导体板。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述驱动控制模块还用于：根据所述温度差值和温度调节时长计算恒温过程所需的所述半导体板的数量。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述驱动控制模块还包括：人机交互界面；所述人机交互界面用于接收输入的所述目标温度和/或所述温度调节时长。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：限位开关；

所述限位开关设置于所述恒温箱内，用于检测获得营养液的当前液位；

所述驱动控制模块用于检测及判断所述营养液的所述当前液位低于设定液位下限时，添加所述营养液；若检测及判断所述营养液的所述当前液位高于设定液位上限时，停止添加所述营养液。