CN110285635A - 一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站，包括基站箱体、能源系统、气调保鲜系统和控制系统；所述能源系统包括地源热泵系统和光伏发电系统；所述光伏发电系统用于为基站箱体、地源热泵系统和控制系统供电；地源热泵系统用于为基站箱体的保鲜室调节温度氛围；气调保鲜系统用于为基站箱体的保鲜室调节气体氛围；控制系统用于采集并调整基站运行参数，实现基站的正常运行。本基站将光伏发电系统与地源热泵系统相结合，利用了太阳能和浅层地热能等自然能源为基站运行提供电力和冷量或热量，减少了常规能源的利用。保鲜室内可以保持相对恒定的温度和气体气氛条件。
Description
技术领域
本发明涉及果蔬保鲜领域，具体是一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站。
背景技术
目前，农产品从“枝头到舌头”的整个物流过程中的中间物流和“最后一公里”问题得到了很好地解决。但是对于初始端(即由枝头到运输起始点)的研究较少，缺少相应的保鲜设备，并且在野外田间缺少电力供应，导致一般保鲜设备难以正常运行，同时果蔬由枝头到运输起始点所用时间较长，为了避免腐烂，农户需在果蔬成熟前采摘，使产品在达到终端时品质降低，顾客不能享受果蔬的最佳品质。为了解决这种“最初一公里”的问题，建立一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站至关重要。
申请号为201220573606.0的文献公开了一种太阳能冷藏库，通过太阳能组件发电驱动涡旋式制冷压缩机工作，末端装置为冷风机。缺点是制冷效率较低，且冷藏库内温度不均匀。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于该基站包括基站箱体、能源系统、气调保鲜系统和控制系统；所述能源系统包括地源热泵系统和光伏发电系统；所述光伏发电系统用于为基站箱体、地源热泵系统和控制系统供电；地源热泵系统用于为基站箱体的保鲜室调节温度氛围；气调保鲜系统用于为基站箱体的保鲜室调节气体氛围；控制系统用于采集并调整基站运行参数，实现基站的正常运行。
所述地源热泵系统包括热泵机组、风机盘管机组、水泵和地埋管换热器；所述热泵机组包括冷凝器、节流阀、压缩机和蒸发器；所述地埋管换热器埋于地下土壤中，两端通过管路与冷凝器的地源侧的两端连通，管路上安装有水泵；热泵机组内部具有制冷剂，实现水-制冷剂换热；压缩机通过管路分别与冷凝器的基站侧的一端和蒸发器的一端连通；冷凝器的基站侧的另一端通过管路与蒸发器的另一端连通，管路上安装有节流阀；蒸发器与风机盘管机组连通；风机盘管机组的送风口伸入基站箱体的保鲜室内，向保鲜室内送风，实现制冷剂-空气换热；风机盘管机组具有回风口，实现保鲜室内的空气循环；
所述光伏发电系统包括光伏组件、控制器、逆变器和蓄电池组；所述光伏组件通过控制器与蓄电池组连接；光伏组件和蓄电池组通过控制器与逆变器电连接，逆变器与基站箱体、地源热泵系统和控制系统内的用电设备电连接；
所述气调保鲜系统包括温度传感器、CO2浓度传感器、N2浓度传感器、N2气瓶、CO2气瓶和出气管；CO2气瓶和N2气瓶用于调节基站箱体的保鲜室内的气体氛围；温度传感器用来测量保鲜室内的温度；CO2浓度传感器和N2浓度传感器用于测量保鲜室内的气体氛围；出气管用于保鲜室内气体的排出，进而调节保鲜室内的气体氛围。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1)本基站将光伏发电系统与地源热泵系统相结合，利用了太阳能和浅层地热能等自然能源为基站运行提供电力和冷量或热量，减少了常规能源的利用。
2)地源热泵为基站提供冷量/热量，其能效比比传统制冷设备高10％以上，运行稳定高效，解决了普通制冷/热系统能效低的问题。地源热泵系统中基站侧循环是制冷剂-空气直接换热，相对于传统地源热泵系统的制冷剂-水+水-空气换热方式来说，制冷剂-空气换热减少一次换热过程，有利于提高制冷效率，且出风温度更低。
3)太阳能光伏发电系统为整个基站提供电力，基站工作不受电网电力输入的限制，适用于偏远地区无电网电力输入的情况下使用，解决了田间偏远地区缺乏电力供应的问题，适用于野外作业环境，节能环保。
4)保鲜室内可以保持相对恒定的温度和气体气氛条件。基站箱体内的相变层蓄冷和蓄热过程，弥补了光伏发电系统的不稳定性和间歇性，保持了保鲜室内的温度恒定，实现恒温储存。气调保鲜系统依靠传感器采集保鲜室内部气氛环境并做出相应的人为或者自动调整，保证了保鲜室内的气体氛围条件恒定，实现气调保鲜。
附图说明
图1是本发明一种实施例的能源系统整体结构示意图；
图2是本发明一种实施例的基站箱体立体图；
图3是本发明一种实施例的基站箱体室内平面俯视图；
图4是本发明一种实施例的保鲜室内立体图；
图5是本发明一种实施例的围护结构示意图；
图中：1、基站箱体；101、围护结构；1011、基站箱体层；1012、保温层；1013、相变层；1014、内层；102、保鲜室；103、设备室；104、控制室；105、货架；
2、地源热泵系统；201、热泵机组；2011、冷凝器；2012、节流阀；2013、压缩机；2014、蒸发器；202、风机盘管机组；203、水泵；204、地埋管换热器；205、回风口；206、送风口；
3、光伏发电系统；301、光伏组件；302、控制器；303、逆变器；304、蓄电池组；305、固定支架；
401、温度传感器；402、CO2浓度传感器；403、N2浓度传感器；404、N2气瓶；405、CO2气瓶；406、CO2进气管；407、N2进气管；408、出气管；
501、控制柜；502、上位机；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站(简称基站，参见图1-5)，其特征在于该基站包括基站箱体1、能源系统、气调保鲜系统和控制系统；所述能源系统包括地源热泵系统2和光伏发电系统3；所述光伏发电系统3用于为基站箱体1、地源热泵系统2和控制系统供电；地源热泵系统2用于为基站箱体1的保鲜室102的正常工作提供冷量或热量，既保证夏季果蔬冷藏又可以防止冬季果蔬冻伤；气调保鲜系统用于为基站箱体1的保鲜室102调节气体氛围；控制系统用于采集并调整基站运行参数，实现基站的正常运行；控制系统和气调保鲜系统可放置于基站箱体1内；
所述地源热泵系统2包括热泵机组201、风机盘管机组202、水泵203和地埋管换热器204；所述热泵机组201包括冷凝器2011、节流阀2012、压缩机2013和蒸发器2014；所述地埋管换热器204埋于地下土壤中，其井深和打井数量根据负荷计算确定，两端通过管路与冷凝器2011的地源侧的两端连通，管路上安装有水泵203；热泵机组201内部具有制冷剂，实现水-制冷剂换热；压缩机2013通过管路分别与冷凝器2011的基站侧的一端和蒸发器2014的一端连通；冷凝器2011的基站侧的另一端通过管路与蒸发器2014的另一端连通，管路上安装有节流阀2012；蒸发器2014与风机盘管机组202连通；风机盘管机组202的送风口206伸入基站箱体1的保鲜室102内，向保鲜室102内送风(冷风或热风)，实现制冷剂-空气换热；风机盘管机组202的回风口205位于送风口206同侧下部，保鲜室102内空气通过回风口205返回风机盘管机组202内部换热之后，由送风口206再送入保鲜室102内，实现保鲜室102内的空气循环；制冷剂采用R134a；地源热泵系统2的循环过程分为地源侧循环和基站侧循环；地源侧循环过程为水-制冷剂换热，基站侧循环过程为制冷剂-空气换热。
优选地，风机盘管机组202的送风口206外接管道，管道上均布若干出风口，实现向保鲜室102内的均匀送风；
风机盘管机组202采用开利空调的42CT-014303A型卧式暗装风机盘管组；水泵203采用威乐水泵的PUN-200E型水泵；压缩机2013采用比泽尔公司的2HES-1Y型压缩机；
所述光伏发电系统3包括光伏组件301、控制器302、逆变器303和蓄电池组304；所述光伏组件301通过控制器302与蓄电池组304连接，光伏组件301产生的电能经过控制器302进行调节和控制后，输出适当电压为蓄电池组304最大限度地进行充电，并对蓄电池304起到充电保护、过放电保护的作用；光伏组件301和蓄电池组304通过控制器302与逆变器303电连接，逆变器303与基站箱体1、地源热泵系统2和控制系统内的用电设备电连接，控制器302控制逆变器303，使光伏组件301产生的直流电或者蓄电池组304释放的直流电经逆变器303的调制、滤波和升压之后，得到与交流负载额定频率、额定电压相同的正弦交流电为基站箱体1、地源热泵系统2和控制系统内的用电设备供电；
光伏组件301的型号为英利公司的YGE60CELL；逆变器303和控制器302采用逆变控制一体机，具体是爱克赛公司的GSA-220型单项工频逆控一体机；蓄电池组304采用12V-200AH的胶体电池；
优选地，光伏发电系统3还包括固定支架305；所述光伏组件301通过固定支架305固定于基站箱体1顶部，光伏组件301与水平面的倾斜角度为30°；光伏组件301由若干块光伏板拼接而成，光伏组件301的前沿延伸出基站箱体1外部，可用于为基站箱体1充当屋顶、遮阳遮雨；
所述气调保鲜系统包括温度传感器401、CO2浓度传感器402、N2浓度传感器403、N2气瓶404、CO2气瓶405和出气管408；CO2气瓶405和N2气瓶404用于调节基站箱体1的保鲜室102内的气体氛围；温度传感器401用来测量保鲜室102内的温度；CO2浓度传感器402和N2浓度传感器403用于测量保鲜室102内的气体氛围；出气管408用于保鲜室102内气体的排出，进而调节保鲜室102内的气体氛围；
所述控制系统包括控制柜501和上位机502(电脑、计算机等)；控制柜501包括若干可编程逻辑控制器和若干输入输出模块；上位机502通过可编程逻辑控制器与输入输出模块连接，输入输出模块分别与热泵机组201、风机盘管机组202、水泵203、地埋管换热器204、控制器302、温度传感器401、CO2浓度传感器402和N2浓度传感器403连接，对其进行控制和采集；输入输出模块采集保鲜室102内各测点温度、保鲜室102内各测点CO2浓度、保鲜室102内各测点N2浓度、地埋管换热器204周围的地温、热泵机组201的运行温度等参数数据，通过总线将数据传输至可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器负责协议转换以及与上位机502和输入输出模块之间的数据传输；上位机502接收到输入输出模块发来的数据后，通过现有成熟软件处理得到相应的运行参数数据通过可编程逻辑控制器传输给输入输出模块，输入输出模块进行相应的控制调整(调整系统运行模式、启停热泵机组201、控制气氛施放开关等)。
可编程逻辑控制器的型号是西门子S7-200SMART；输入输出模块的型号是西门子TC910A1056D。
所述基站箱体1为40尺柜集装箱，整体墙体采用基站箱体层1011，并通过基站箱体层1011分隔为保鲜室102、设备室103和控制室104；设备室103内放置有热泵机组201、水泵203、控制器302、逆变器303、蓄电池组304、CO2气瓶405和N2气瓶404；控制室104内放置控制系统；所述保鲜室102为储藏区域，内设货架105(用来放置果蔬)、温度传感器401、CO2浓度传感器402、N2浓度传感器403和出气管408；CO2气瓶405和N2气瓶404分别通过CO2进气管406和N2进气管407伸入保鲜室102内，用于调节保鲜室102内的气体氛围；温度传感器401均布于保鲜室102内部，保证测量数据的准确性；CO2浓度传感器402和N2浓度传感器403均布于保鲜室102内部，具体是沿保鲜室102的对角线均匀分布，保证测量数据的准确性；保鲜室102的围护结构101开有通透的出气管408；出气管408用于保鲜室102内气体的排出，进而调节保鲜室102内的气体氛围，位于CO2进气管406和N2进气管407的对角线处，有利于保证保鲜室内的气体组分充分混合均匀分布，并且利于室内压力保持恒定；
在保鲜室102的基站箱体层1011的内侧依次设置保温层1012、相变层1013和内层1014组成保鲜室102的围护结构101；所述内层1014和基站箱体层1011采用钢板；相变层1013可采用厚度为10cm的相变温度为7℃的黄蜡相变材料；保温层1012可采用厚度为10cm的聚氨酯发泡板；
优选地，保鲜室102具有保鲜室门；保鲜室门的材质采用与保鲜室102相同的围护结构101；
温度传感器401采用Pt1000热电阻，CO2浓度传感器402采用MH-Z19B红外二氧化碳浓度传感器，N2浓度传感器403采用SK-600-N2红外氮气浓度传感器。
本发明的工作原理和工作流程是：
夏天果蔬保鲜过程(冷藏)：
1)蓄冷阶段：果蔬成熟前期，基站开始运行。地源热泵系统2工作使得相变层1013蓄冷至完全凝固(具体是：低温高压液态制冷剂经过节流阀2012转变为低温低压液态制冷剂，在蒸发器2014中与来自基站箱体1的保鲜室102内部热空气进行换热，有效降低保鲜室102内部温度；换热后的制冷剂转变为低温低压蒸汽经过压缩机2013变为高温高压蒸汽，随后进入冷凝器2011中与来自地埋管换热器204的低温水进行换热转变为低温高压液态制冷剂，循环此过程，实现保鲜室102的降温以及相变层1013的蓄冷，直至相变层1013完全凝固)。此时保鲜室102内温度为7℃(与相变材料有关，相变材料的选择与储存果蔬的适宜温度有关)。此阶段存在围护结构传热量。
2)预冷阶段：果蔬成熟之后，由处于室外较高温度(约25-35℃)的状态进入7℃的保鲜室102开始冷藏，地源热泵系统2工作和蓄冷阶段完全凝固的相变层1013一起向果蔬释放冷量(或者蓄冷阶段完全凝固的相变层1013单独向果蔬释放冷量)，相变层1013由固态逐渐转变为液态，实现成熟果蔬的快速冷藏，保持新鲜度和减少呼吸作用。若需要冷量比较大，可以适当调节热泵机组201的设定点及流量。果蔬预冷时间优选控制在24h以内。气调保鲜系统开始工作，保持保鲜室102内所需CO2和N2气氛要求。此阶段存在围护结构传热量、果蔬呼吸热和果蔬冷却热。
3)保冷阶段：果蔬冷却到冷藏温度7℃后，地源热泵系统2可以继续工作为相变层1013蓄冷。当光伏发电系统3因为阴天或者其他原因不能有效工作的时候，蓄冷的相变层1013可以有效延长基站运行时间，也可以减少下一蓄冷阶段所需时间。气调保鲜系统持续工作，保持保鲜室102内所需CO2和N2气氛要求。此阶段存在围护结构传热量和果蔬呼吸热。
冬季果蔬保鲜过程(防冻)：
1)蓄热阶段：果蔬成熟前期，基站开始运行。地源热泵系统2工作使得相变层1013蓄热至完全熔化(具体是：低温高压液态制冷剂经过节流阀2012转变为低温低压液态制冷剂，在冷凝器2011中与地埋管换热器204的高温水进行换热；换热后的制冷剂转变为低温低压蒸汽经过压缩机2013变为高温高压蒸汽，随后进入蒸发器2014中与来自保鲜室102的低温空气进行换热转变为低温高压液态制冷剂，循环此过程，实现保鲜室102的升温以及相变层1013的蓄热，直至相变层1013完全熔化)。此时保鲜室102内温度为7℃(与相变材料有关，同时此温度适宜果蔬保存)。此阶段存在围护结构耗热量。
2)防冻阶段：果蔬成熟之后，由处于室外较低温度(零下)的状态进入7℃的保鲜室102进行储存，此时保鲜室102储藏作用是防止果蔬因室外温度过低而冻伤。地源热泵系统2工作释放热量，同时在蓄热阶段完全熔化的相变层1013吸收果蔬冷量(或者蓄热阶段完全熔化的相变层1013单独吸收果蔬冷量)，实现成熟果蔬的防冻，保持新鲜度。若需要热量比较大，可以适当调节热泵机组201的设定点及流量，保证保鲜室102内温度为7℃。气调保鲜系统开始工作，保持保鲜室102内所需CO2和N2气氛要求。此阶段存在围护结构耗热量。
在上述过程中基站工作的电力由光伏发电系统3提供。
在上述过程中气体氛围由CO2气瓶405和N2气瓶404分别输入到保鲜室102内，将气体组分调节到果蔬储藏所需环境。保鲜室102内的气体氛围通过CO2浓度传感器402和N2浓度传感器403采集，并通过控制系统进行自动控制；或者气体氛围的测定方式是通过CO2浓度传感器402和N2浓度传感器403采集并显示数据，工作人员根据显示的数据和相应的标准控制CO2气瓶405和N2气瓶404向保鲜室102内的输入量。
在上述过程中保鲜室102内的温度通过温度传感器401采集，并通过控制系统进行自动控制，调整热泵机组201、风机盘管机组202、水泵203和地埋管换热器204的工作；或者温度传感器401采集保鲜室102内的温度并显示，工作人员根据显示的数据进行相应的调整。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于该基站包括基站箱体、能源系统、气调保鲜系统和控制系统；所述能源系统包括地源热泵系统和光伏发电系统；所述光伏发电系统用于为基站箱体、地源热泵系统和控制系统供电；地源热泵系统用于为基站箱体的保鲜室调节温度氛围；气调保鲜系统用于为基站箱体的保鲜室调节气体氛围；控制系统用于采集并调整基站运行参数，实现基站的正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于所述地源热泵系统包括热泵机组、风机盘管机组、水泵和地埋管换热器；所述热泵机组包括冷凝器、节流阀、压缩机和蒸发器；所述地埋管换热器埋于地下土壤中，两端通过管路与冷凝器的地源侧的两端连通，管路上安装有水泵；热泵机组内部具有制冷剂，实现水-制冷剂换热；压缩机通过管路分别与冷凝器的基站侧的一端和蒸发器的一端连通；冷凝器的基站侧的另一端通过管路与蒸发器的另一端连通，管路上安装有节流阀；蒸发器与风机盘管机组连通；风机盘管机组的送风口伸入基站箱体的保鲜室内，向保鲜室内送风，实现制冷剂-空气换热；风机盘管机组具有回风口，实现保鲜室内的空气循环；
所述光伏发电系统包括光伏组件、控制器、逆变器和蓄电池组；所述光伏组件通过控制器与蓄电池组连接；光伏组件和蓄电池组通过控制器与逆变器电连接，逆变器与基站箱体、地源热泵系统和控制系统内的用电设备电连接；
所述气调保鲜系统包括温度传感器、CO2浓度传感器、N2浓度传感器、N2气瓶、CO2气瓶和出气管；CO2气瓶和N2气瓶用于调节基站箱体的保鲜室内的气体氛围；温度传感器用来测量保鲜室内的温度；CO2浓度传感器和N2浓度传感器用于测量保鲜室内的气体氛围；出气管用于保鲜室内气体的排出，进而调节保鲜室内的气体氛围。
3.根据权利要求2所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于风机盘管机组的送风口外接管道，管道上均布若干出风口，实现向保鲜室内的均匀送风。
4.根据权利要求2所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于风机盘管机组的回风口位于送风口同侧下部，保鲜室内空气通过回风口返回风机盘管机组内部换热之后，由送风口再送入保鲜室内，实现保鲜室内的空气循环。
5.根据权利要求2所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于光伏发电系统还包括固定支架；所述光伏组件通过固定支架固定于基站箱体顶部，光伏组件与水平面的倾斜角度为30°；光伏组件由若干块光伏板拼接而成，光伏组件的前沿延伸出基站箱体外部，用于为基站箱体充当屋顶。
6.根据权利要求2所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于所述控制系统包括控制柜和上位机；控制柜包括若干可编程逻辑控制器和若干输入输出模块；上位机通过可编程逻辑控制器与输入输出模块连接，输入输出模块分别与热泵机组、风机盘管机组、水泵、地埋管换热器、控制器、温度传感器、CO2浓度传感器和N2浓度传感器连接。
7.根据权利要求2所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于所述基站箱体整体墙体采用基站箱体层，并通过基站箱体层分隔为保鲜室、设备室和控制室；设备室内放置有热泵机组、水泵、控制器、逆变器、蓄电池组、CO2气瓶和N2气瓶；控制室内放置控制系统；所述保鲜室为储藏区域，内设货架、温度传感器、CO2浓度传感器、N2浓度传感器和出气管；CO2气瓶和N2气瓶分别通过CO2进气管和N2进气管伸入保鲜室内，用于调节保鲜室内的气体氛围；温度传感器均布于保鲜室内部；CO2浓度传感器和N2浓度传感器均布于保鲜室内部；保鲜室开有通透的出气管。
8.根据权利要求7所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于CO2浓度传感器和N2浓度传感器沿保鲜室的对角线均匀分布；出气管用于保鲜室102内气体的排出，进而调节保鲜室内的气体氛围，位于CO2进气管和N2进气管的对角线处。
9.根据权利要求7所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于在保鲜室的基站箱体层的内侧依次设置保温层、相变层和内层组成保鲜室的围护结构；所述内层和基站箱体层采用钢板；相变层采用相变温度为7℃的黄蜡相变材料；保温层采用聚氨酯发泡板。
10.根据权利要求9所述的基于自然能源运行的恒温保鲜基站，其特征在于保鲜室具有保鲜室门；保鲜室门的材质采用与保鲜室相同的围护结构。
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