CN110986391B - 一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法。该装置包括相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块和自控模块。所述相变蓄热调温模块包括集热子模块和可移动的调温子模块；集热子模块由保温箱体、保温垫层和双层中空玻璃组成；调温子模块包括涂黑铝箔袋封装的相变材料、固定卡槽和金属支架；所述柔性光伏膜蓄能调温模块由柔性光伏膜、蓄电池、电加热带构成；大棚保温模块由保温棉、电动卷轴和直流电机组成；自控模块由温度探头、数据采集网关、控制器和服务器组成。本发明装置利用太阳能来提高冬季棚内温度，有效防止南方大棚内植物冻死、保证植物正常生长，节能环保、安全可靠，模块化组合适宜推广。

Description

一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法
技术领域
本发明属于新能源应用技术领域，涉及一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法，除了适用于南方现代生态农业塑料大棚外，还适用于边远无网电供应的地区和山区。
背景技术
为满足人们不同季节对蔬菜、花卉等的要求，温室大棚更多时候是在外界环境不适合作物生长的季节进行反季节栽培和生产。为了营造一个适宜作物生长的大棚内环境，温室生产注定是一个高能耗的农业产业。
将太阳能和蓄能设备等新能源和新材料应用于温室大棚以实现节能减排、提高能源利用率是现代生态农业大棚的发展方向。
塑料大棚为完全用塑料薄膜作为覆盖材料的大型拱棚，常用做南方冬季蔬菜的保温和越冬栽培。南方冬季棚温偏低，特别是夜间温度非常低，即使是晴朗的夜间都可低至-5℃至5℃左右，常使蔬菜生长遭受低温危害，导致蔬菜减产，甚至一夜间冻死绝收。
当前南方普遍采用的大棚冬季夜间保温方式为覆盖无纺布、草苫等材料，但效果非常有限。因此极少部分条件优越的“植物工厂”会采用热水锅炉加热、热风炉加热、电热泵加热等方式维持植物生长温度，但存在投入和运行成本高、具有安全隐患、占地规模较大且不便于管理、易造成环境污染、维护复杂等问题。
通过相变材料蓄放热可以充分利用太阳能来对温室大棚进行供暖。但是查阅了现有的专利发现，当前相变材料均用于北方日光大棚，可以将其涂抹在大棚墙体上进行蓄放热。但是南方塑料大棚没有墙体，采用何种装置存放相变材料，使之能进行高效的蓄放热，并采取合理的运行方法，从而有效提高冬季大棚温度，是一个难题。
此外，为减少用于供暖等大棚环境控制的能耗，光伏大棚成了现代农业大棚的典型示范之一。但常规光伏板因尺寸和自身重量等原因，对温室大棚的搭建场地和搭建材料及承重结构有较高要求，因此在一些欠宽敞平整、土质疏松的地方，如山区，以及简易大棚上无法搭建光伏板。柔性光伏膜可以使用价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数微米，目前转换效率最高可以达13%。因其具有可挠性可以制作成非平面构造、且自身重量非常轻，减少了对场地的要求，应用前景广阔。
因此亟需发明一种南方塑料大棚调温装置，充分利用太阳能相变蓄热和光伏膜蓄能为大棚提供热量，同时将装置模块化，可方便置于棚内田埂间，并制定科学合理的运行方法且通过自控模块精准控温，使其在南方冬季典型气候条件下能有效调节冬季大棚内温度。
发明内容
针对当前南方塑料大棚环境控制的高能耗问题，提供一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，并制定合理的运行方法，使其可充分利用太阳能和蓄能材料的“移峰填谷”来提高冬季棚内温度，保证冬季植物正常生长，解决传统大棚供暖所存在的高能耗、具有安全隐患、占地规模较大且不便于管理、维护复杂等问题；并采用柔性光伏膜发电以及直流应用，减少了大棚光热环境控制的化石能源消耗，提高了光伏系统效率；由于柔性光伏膜轻便、安装简单等特点，降低了光伏大棚的搭建要求，扩大了使用范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法，该装置包括相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块和自控模块。
所述相变蓄热调温模块由集热子模块和可移动的调温子模块组成；所述集热子模块由保温箱体、保温垫层和双层中空玻璃组成；所述可移动的调温子模块由6个金属支架构成，每个金属支架里包括相变材料、涂黑铝箔袋、顶部固定卡槽、底部固定卡槽；所述相变材料的体积分数为石蜡70%、脂肪酸22%和十四醇8%；相变蓄热调温模块白天蓄集太阳能在相变材料中，晚上置于大棚内供热。所述柔性光伏膜蓄能调温模块包括大棚柔性光伏膜、蓄电池和电加热带。所述大棚保温模块包括由保温棉、电动卷轴和直流电机组成。所述自控模块包括温度传感器、数据采集网关、控制器、服务器等硬件和自控程序，可根据大棚内外空气温度以及运行控制逻辑，控制上述三个模块按要求运行，从而将大棚内温度控制在适宜的范围里。
进一步地，所述集热子模块为长×宽×高尺寸为3300mm×500mm×130mm的保温箱体，一共六个面；保温箱体由塑料外壳和厚度为20mm，材料为聚苯乙烯泡沫（EPS）的保温板粘合而成，塑料外壳包裹住保温板；保温箱体的顶面保温盖层可以根据集热或保温的需要，180°自由打开和闭合；保温盖层打开后露出双层中空玻璃，双层中空玻璃内充空气；保温箱体的侧板可以打开，用于放置和取出调温子模块。保温箱体底板上额外敷设一层保温垫层，所述保温垫层为EPS保温板，厚度为10mm, 长×宽为3260mm×460mm。
进一步地，所述可移动的调温子模块中的金属支架，每个金属支架由两块长×宽尺寸为500mm×380mm，厚度为2mm的蜂窝铝板构成，蜂窝内边长为22mm；每块蜂窝铝板外框由两块长×宽尺寸为540mm×20mm，厚度为2mm以及两块长×宽尺寸为420mm×20mm的铝条拼接而成；每个支架上下安装长度为200mm，最大开口为40mm的顶部固定卡槽和底部固定卡槽，底部安装有直径为30mm的滚轮，滚轮中轴焊接于金属支架上；支架左右两侧另设200mm长的斜撑，斜撑可打开和收起，打开时可维持支架的竖直放置。
进一步地，所述可移动的调温子模块中，涂黑铝箔袋长×宽×高尺寸为500mm×20mm×380mm，涂黑铝箔袋厚度为2.4mm，每袋装3kg相变材料；相变材料装袋后，袋厚2cm；涂黑铝箔袋的两端由热压封口，并将涂黑铝箔袋的封口通过顶部固定卡槽和底部固定卡槽夹于金属支架上，夹在两块蜂窝铝板的中间；顶部固定卡槽和底部固定卡槽可取下，以便装相变材料的涂黑铝箔袋放入金属支架中。
进一步地，所述相变材料导热系数为0.2W/(m·K)，有两个结晶阶段，第一个结晶阶段结晶相变初始温度为16.77℃，峰值温度为14.68℃，终了温度为9.72℃，结晶热为108.90J/g。第二个结晶阶段结晶相变初始温度为6.96℃，峰值温度为5.50℃，终了温度为2.34℃，结晶热为25.00J/g。
进一步的，所述保温棉白天卷起，夜间放下用于大棚保温。针对南方塑料大棚，大棚内的夜间温度与大棚保温棉的厚度以及调温子模块的数量有关，夜间棚内逐时温度达到10℃（植物正常生长所需要的最低适宜温度）需要的调温子模块的最小数量具体计算公式如下：
对于铺设1cm保温棉的大棚，y = （0.1513Te2 - 3.2983Te + 14.558）×L/10，（–6≤Te<7）；
对于铺设2cm保温棉的大棚，y = （0.1573Te 2 - 2.1519Te + 6.5901）×L/10，（–6≤Te<5）；
对于铺设3cm保温棉的大棚，y =（0.118Te 2 - 1.3606Te + 3.4114）×L/10，（–6≤Te<4）；
其中，y为所需的调温子模块的数量，Te为室外夜间平均温度，L为大棚长度。若计算结果为小数，采用进位法取整。若室外夜间平均温度高于上述公式的取值范围，则无需放置调温子模块，只需使用保温棉即可。
进一步地，所述大棚薄膜采用柔性光伏膜，该柔性光伏膜由ETFE透明塑料膜封装柔性薄膜电池组制成，薄膜电池组之间具有间隙，提高透光率。所述柔性光伏膜在太阳光的照射下发电，不需逆变直接用于直流电机的供电，驱动保温棉收放进行大棚夜间保温；也可将柔性光伏膜产生的电能蓄于蓄电池内，通过蓄电池为电加热带供电，和调温子模块一起为大棚供热。
进一步地，大棚采用锯齿形顶棚，为获得更多的太阳辐射能量，布置柔性光伏膜的表面与水平面的夹角由当地纬度决定，为当地纬度值±2°。
进一步地，所述太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法，该方法包括以下步骤：
（1）在太阳升起后，将集热子模块放置于阳光下，打开保温盖层，并将可移动的调温子模块水平置于集热子模块中，吸收太阳辐射；
（2）待相变材料完全融化后，将集热子模块的保温盖层关闭；
（3）太阳落山后，将可移动的调温子模块从集热子模块中取出，竖直置于塑料大棚中释放白天贮存的热量；
（4）太阳落山后，将保温棉覆盖塑料大棚表面进行保温，第二天太阳升起后收起。
（5）通过自控模块，根据大棚内外空气温度，控制相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块以及大棚保温模块按照下述运行逻辑自动运行：当室外温度高于上述公式取值范围时，仅由大棚保温模块来控制大棚内温度；当室外温度在本发明专利提出的上述公式取值范围之内时，由大棚保温模块和相变蓄热调温模块联合控制大棚内温度；当大棚保温模块和相变蓄热调温模块联合使用仍然达不到温度要求时，同时使用电加热带进行供热。
本发明的有益效果为：
（1）针对电加热等常规温室大棚环境控制存在的安全隐患、高能耗、占地规模较大且不便于管理、易造成环境污染、维护复杂等问题，该发明简单易操作、安全、节能环保，能明显改善大棚内的热环境；
（2）针对将相变材料放入大棚骨架内等现有方式存在不能有效蓄放热、不能有效控制大棚内温度等问题，本发明能明显提高南方塑料大棚在冬季夜间的空气温度，提高作物收益。因此，该装置是集新能源、新材料、热环境优化等于一体的农业生产设施关键应用技术发明。
（3）相比于搭建普通光伏大棚，采用柔性光伏膜对大棚场地和结构没有要求，安装简单方便，适用于边远无网电供应的地区和山区；太阳能发电的非逆变应用，可以提高系统效率。同时，整套装置采用模块化组合和标准件设计，结构简单、操作方便，适宜推广使用。
附图说明
图1为集热子模块上盖板打开时的示意图；
图2为集热子模块剖面图；
图3为可移动的调温子模块位于集热子模块内部时的剖面图；
图4为可移动的调温子模块示意图；
图5为可移动的调温子模块剖面图；
图6为东西向延伸的大棚示意图；
图7为东西向延伸的大棚保温棉收起时的示意图；
图8为南北向延伸的大棚示意图；
图9为南北向延伸的大棚保温棉收起时的示意图；
图10为柔性光伏膜结构示意图；
图11为柔性光伏膜尺寸示意图；
图12为自控模块示意图；
图13为自控模块的控制结构图；
图14为相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块的运行逻辑流程图；
图15为透明封装袋的相变材料白天放置于棚内时空气温度曲线图；
图16为黑色铝箔袋的相变材料白天放置于棚内时空气温度曲线图；
图中，1.塑料外壳；2.保温板；3.保温垫层；4.双层中空玻璃；5.保温盖层；6.侧板；7.相变材料；8.涂黑铝箔袋；9.顶部固定卡槽；10.底部固定卡槽；11.滚轮；12.金属支架；13.斜撑；14.柔性光伏膜；15.大棚保温棉； 16.直流电机；17.电加热带；18. 温度传感器；19.数据采集网关；20.控制器；21.服务器。
具体实施方式
现结合附图，对本发明做进一步的说明：
如果白天将相变材料直接放入大棚内，相变材料的用量过少，热量白天释放，棚内温度不降反升，而晚上无法升温；同时因植物遮挡，无法有效蓄热；此外，大棚内空间有限，也极大限制了相变材料的放置数量和方式。因此设计并制作了一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，并给出其运行方法。
一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置及运行方法，该装置包括相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块和自控模块。
所述相变蓄热调温模块包括集热子模块和可移动的调温子模块。所述集热子模块如图1-图2所示，由塑料外壳1、保温板2、保温垫层3和双层中空玻璃4组成；将塑料外壳1、保温板2制作成一个长×宽×高尺寸为3300mm×500mm×130mm的保温箱体；在底面保温板上再增设一保温垫层，长×宽为3260mm×460mm，保温垫层可以自由更换，主要防止袋装相变材料泄露损坏保温箱体。经过模拟计算分析，保温箱体的保温板2最佳厚度为20mm，保温垫层3的最佳厚度为10mm，即当达到此厚度时，保温箱体和垫层的散热损失最小，而继续增厚时热损失量却几乎不再变小。
如图3所示，保温箱体的保温盖层可以根据集热或保温的需要，180°自由打开和闭合，保温盖层5打开时可以使放置于内的相变材料7有效吸热，关闭时又可以有效防止收集的热量散失于空气与土壤。保温盖层打开后露出双层中空玻璃4，双层中空玻璃4内充空气，中空玻璃长3280mm，宽480mm，厚度为5mm+9mm Air+5mm。双层中空玻璃4具有对保温箱体外部太阳辐射的高透过性和对内部长波辐射的低透性，可以充分吸收太阳辐射，使相变材料7有效蓄热；保温箱体的侧板6可以打开，用于放置和取出调温子模块。
所述可移动的调温子模块如图4-图5所示，包括相变材料7、涂黑铝箔袋8、顶部固定卡槽9、底部固定卡槽10和金属支架12；每个金属支架12由蜂窝铝板和铝条拼接而成；每个支架上下安装顶部固定卡槽9和底部固定卡槽10，用于固定蜂窝铝板于金属支架12中；蜂窝铝板的蜂窝处为镂空结构。具有相同刚度的蜂窝铝板单位面积重量仅为铝板的1/5，钢板的1/10。芯层分布在整个板面内，不易产生剪切，使板块更加稳定，更抗弯挠和抗压，并且有不易变形、平直度好的特点，并具有良好的附着力和耐候性。为了解决封装袋装相变材料7不利于搬运的缺点，底部安装有滚轮11，滚轮11中轴焊接于金属支架12上；因调温部件需竖直放置在大棚的田垄中，因此支架左右两侧另设斜撑13，斜撑可打开和收起，打开时可维持支架的竖直放置。
在可移动的调温模块中，采用袋装是放置相变材料的合适方式。相变材料融化和凝固时会有一定的体积变化，采用袋装可使相变材料和袋之间空气层最小，传热更加充分，铝箔袋可让相变材料充分进行热传导，从而有效吸放热。实验表明，铝箔袋只有在涂黑的情况下，在南方冬季白天的典型气象条件下才能使相变材料充分融化，因此，相变材料由涂黑铝箔袋封装。涂黑铝箔袋8的两端由热压封口，并将涂黑铝箔袋8的封口通过顶部固定卡槽9和底部固定卡槽10夹于金属支架12上。顶部固定卡槽9和底部固定卡槽10可取下，以便装相变材料7的涂黑铝箔袋8放入金属支架12中。
为了确定相变材料的合理集热方式，通过多次实验表明，将相变材料用涂黑铝箔袋封装，白天放置于棚外集热模块中蓄集太阳能，是集热效果最好也方便有效控制蓄放热的适宜方式。
为确定相变材料放热的最优厚度，结合模拟结果和实际操作的可行性，得出20mm是相变材料有效放热的最佳厚度。因此，将涂黑铝箔袋放置于两块蜂窝铝板的中间，并维持袋装相变材料厚度为2cm。调温子模块中蜂窝铝板的设计，可保证相变材料7在融化的情况下，依然保持固定的厚度，从而有助于向大棚内有效放热。
所述的大棚保温模块包括大棚保温棉15和直流电机16。大棚保温棉15在冬季使用，白天通过直流电机16驱动卷起，夜间放下覆盖整个塑料大棚。如图6-图7所示，对于东西走向的大棚，其南北向侧面和顶面铺设的保温棉通过布置在顶部的卷轴进行收放，其东西侧面铺设的保温棉由两部分组成，由导轨牵引，通过两根垂直卷轴进行收放；如图8-图9所示，对于南北走向的大棚，其南北侧面铺设的保温棉通过水平卷轴进行收放；东西侧面通过垂直卷轴收放，保温棉收放过程由导轨牵引；顶面保温棉的收放通过设置在东头或西头一端的卷轴和脊线和谷线的导轨来完成。考虑到大棚顶面的倾角，兼顾卷轴和导轨操作的便利性，10米长南北向大棚设计为4个坡面的锯齿形顶棚，最低处为2.2m，最高处为3.6m。
柔性光伏膜蓄能调温模块包括柔性光伏膜14，蓄电池和电加热带17。如图10-图11所示，该柔性光伏膜14由ETFE透明塑料膜封装柔性薄膜电池组制成，薄膜电池组之间具有间隙，提高透光率。柔性光伏膜14具有轻薄、可透光、能发电、耐久性好、安装简单等特点，能克服普通光伏板对大棚建造场地、建造材料及承力结构等过多要求，方便大棚随意搭建。封装的柔性薄膜电池模块的尺寸为200*100*1mm，功率为1W，电压为6V，在大棚南向顶面铺设。柔性光伏膜14通过导电电路连接蓄电池、直流电机16和电加热带17；通过直流电机驱动保温棉收放；通过电加热带17向大棚供热，和调温子模块一起控制棚内温度。
柔性光伏膜14的装机容量可以根据驱动保温棉的电机容量和大棚电加热功率进行设置。
为获得更多的太阳辐射能量，柔性光伏膜14辐射在大棚的朝南的顶面，其顶面与水平面的夹角由当地纬度决定，为当地纬度值±2°。
自控模块包括温度传感器18、数据采集网关19、控制器20、服务器21等硬件。如图12-图13所示，温度传感器18置于大棚内和室外，用于监测大棚内外的空气温度；采集的空气温度数据通过通讯线路传至数据采集网关19，再存储至服务器21；服务器21根据采集的数据，结合软件程序的运行逻辑进行判断，产生运行控制指令，传输至控制器20；控制器20根据指令分别控制三个模块的运行；同时，服务器21的显示屏可将大棚内外温度、各模块的运行状态进行显示。
相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块的运行逻辑如图14所示，柔性光伏膜发电，驱动直流电机带动卷轴收放保温棉。如果室外温度高于本发明专利中公式的取值范围，则夜间仅需要保温棉即可控制大棚逐时温度在10℃以上；如果室外温度满足公式取值范围，则需要联合相变蓄热调温模块和保温棉一起，将大棚内最低温度控制在10℃；如果还达不到温控要求（如室外温度低于公式取值范围或要求大棚内夜间最低温度控制在10℃以上时会出现达不到温控要求），则使用电加热带辅助加热。
本发明提供的太阳能调温装置，采用光伏膜蓄能和相变蓄热控制冬季大棚内温度，适用于南方普遍使用的塑料大棚，也适用于在没有网电供应的边远地区和山区搭建塑料大棚，是集新能源、新材料、大棚环境优化等农业生产设施关键应用技术发明。
实施例：为了确定相变材料的合理集热方式，制作实验大棚和对照大棚的缩尺寸试验台（尺寸均为长度为2m，跨度1.5m，高0.8m）进行对比实验（试验台可排除实际情况下各种影响因素的干扰），实验大棚内放置相变材料，对照大棚内不放置相变材料。在杭州郊外的农田，分别尝试了透明塑料袋封装和涂黑铝箔袋封装，且白天放置于大棚内吸热的两种方式，对比两个大棚内的温度变化情况。
相变材料在09:00即放入实验棚中，16:00取出，对应的室外空气温度为5.0~12.0℃（属于冬季室外气温比较高的天气），天气状况为晴天，采用15kg由0.24mm厚的PE透明封装袋装相变材料、白天竖直放置在大棚两侧内部的方式，实验结果如图15所示：实验大棚内空气温度和普通大棚内空气温度非常接近，透明袋装相变材料基本不融化，相变材料利用率低。因相变材料导热系数非常小，凝固状态时的白色表面对太阳辐射的吸收率低，棚内密封导致棚内空气和相变材料表面对流换热系数低，同时棚内空气温度和相变材料相变温度相近，没有充分的热量传递给相变材料使其融化。由此可见，即使在室外气温比较高的冬季晴朗的天气，相变材料也基本不融化，因此，采用透明封装相变材料不合适。
相变材料在09:00即放入实验棚中，16:00取出，对应的室外空气温度为2.5℃~9.5℃（属于室外温度比较低的典型冬季天气），天气状况为晴天。将透明封装袋装替换成0.24mm厚的涂黑铝箔袋装，白天放置于大棚内部吸热。实验结果如图16所示。虽棚内仍密封，棚内空气和相变材料表面对流换热系数低，但封装袋的黑色表面对太阳辐射的吸收率高，相变材料在太阳辐射的作用下完全融化，相变材料温度升高，并将热量传递给棚内空气，相变大棚内温度不降反升，相变大棚内空气温度为4.9~30.0℃，普通大棚内空气温度为4.8~25.8℃。由此可见，即使在室外气温比较低的典型冬季气候下，白天将涂黑铝箔袋封装相变材料放置于大棚内，大棚温度也可以达到30℃；那么对于整个冬季，如将相变材料白天均放入棚内，将会导致冬季的大部分时间内，白天棚内温度超过植物的适宜生长温度，故也不建议白天放置于大棚内。
综合上述结果，最终确定将相变材料用涂黑铝箔袋封装，白天放置于棚外集热模块中蓄集太阳能。
实施例：对于跨度为8m、长度为10m、高度为2.2—4.5m的南方典型塑料大棚GP-825（东西走向，如图7），需要两块长*宽尺寸为10m*2.4m，两块长*宽尺寸为10m*5.8m和两块面积为18m2的保温棉。以杭州市为例，对于夜间平均气温为2℃（南方城市夜间最典型的低温）的天气，该大棚保温棉与调温子模块的组合方式通过上述公式计算，结果如表1所示，各组合方式均可使棚内夜间逐时温度达到10℃，保证植物的正常生长。
表1 保温棉与调温子模块的组合方式
组合1 组合2 组合3
保温棉厚度（cm） 1 2 3
调温子模块数量（个） 9 3 2
实施例：对于跨度为8m、长度为10m、高度为2.2—4.5m的南方典型塑料大棚GP-825（东西走向，如图7），如覆盖3cm保温棉，计算得到需要可移动的调温模块2个，即36kg相变材料，相变材料的结晶热108.9J/g；如由相变材料提供的所有热量均由电加热带来提供，可得棚内需设置72W的电加热带，可使大棚夜间最低温度维持在10℃；此外另需10W直流电机4台，驱动卷轴收放保温棉。上述设备在该典型气候下每天共需要消耗电量1.32 kWh。根据下述公式可计算得出需柔性光伏12.2m2，其中封装的柔性光伏电池模块的尺寸为200*100*1mm，功率为1W，电压为6V，模块间距为250mm。柔性光伏膜在南向顶面铺设。白天光伏膜发电量为1.32kWh，其中供给直流电机0.24kWh，供给电加热带1.08kWh。
g=AIη
其中，g为光伏系统典型日发电量，A为可安装光伏的面积，I为光伏系统典型日的太阳能辐射量，η是光伏系统发电效率。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，其特征在于，该装置包括相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块、大棚保温模块、自控模块；
所述相变蓄热调温模块由集热子模块和可移动的调温子模块组成；所述集热子模块为由塑料外壳（1）、保温板（2）、保温垫层（3）和双层中空玻璃（4）组成的长方体；所述保温板（2）材料为聚苯乙烯泡沫，厚度为20mm，保温垫层（3）材料为聚苯乙烯泡沫，厚度为10mm；所述可移动的调温子模块包括6个相同的金属支架（12），金属支架（12）由蜂窝铝板及铝条制作，每个金属支架内包含相变材料（7）、涂黑铝箔袋（8）、顶部固定卡槽（9）、底部固定卡槽（10）；所述相变材料（7）封装于涂黑铝箔袋（8）中，并将涂黑铝箔袋（8）夹于两块蜂窝铝板中间，通过顶部固定卡槽（9）和底部固定卡槽（10）将两块蜂窝铝板固定于带有滚轮（11）和斜撑（13）的金属支架（12）中；所述相变材料（7）的体积分数为石蜡70%、脂肪酸22%和十四醇8%；袋装的相变材料厚度控制在2cm；
在太阳升起后，将集热子模块放置于大棚外的阳光下，打开保温盖层（5），并将可移动的调温子模块水平置于集热子模块中，吸收太阳辐射；待相变材料完全融化后，将集热子模块的保温盖层关闭；太阳落山后，将可移动的调温子模块从集热子模块中取出，竖直置于塑料大棚中释放白天贮存的热量；
所述柔性光伏膜蓄能调温模块包括大棚薄膜、蓄电池和电加热带（17）；所述大棚薄膜采用柔性光伏膜（14），该柔性光伏膜（14）由ETFE透明塑料膜封装柔性薄膜电池组制成，薄膜电池组之间具有间隙，提高透光率；大棚采用锯齿形顶棚，为获得更多的太阳辐射能量，在朝南表面布置柔性光伏膜（14），该表面与水平面的夹角由当地纬度决定，为当地纬度值±2°；
所述大棚保温模块，由保温棉（15）、电动卷轴和直流电机（16）组成，用于冬季大棚夜间保温；保温棉（15）白天通过直流电机（16）卷起，夜间放下覆盖整个塑料大棚；
所述自控模块包括温度传感器（18）、数据采集网关（19）、控制器（20）、服务器（21）和自控程序，可根据大棚内外空气温度以及运行控制逻辑，控制相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块和大棚保温模块按要求运行，从而将大棚内温度控制在适宜的范围里。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，其特征在于，相变材料导热系数为0.2W/(m·K)，有两个结晶阶段，第一个结晶阶段结晶相变初始温度为16.77℃，峰值温度为14.68℃，终了温度为9.72℃，结晶热为108.90J/g。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，其特征在于：所述集热子模块为一个六面体保温箱体，保温箱体由塑料外壳（1）和材料为聚苯乙烯泡沫的保温板（2）粘合而成；保温箱体的顶面保温盖层（5）可以根据集热或保温的需要，180°自由打开和闭合；保温盖层打开后露出双层中空玻璃（4），双层中空玻璃（4）内充空气；保温箱体的侧板（6）可以打开，用于放置和取出调温模块；保温箱体底板上额外敷设一层保温垫层（3）。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热和光伏膜蓄能的调温装置，其特征在于：所述柔性光伏膜蓄能调温模块包括大棚薄膜、蓄电池、电加热带（17）；所述柔性光伏膜（14）在太阳光的照射下发电，不需逆变直接用于直流电机（16）的供电，驱动卷轴进行保温棉的收放，为大棚进行冬季夜间保温；同时将柔性光伏膜（14）产生的电能蓄于蓄电池内，驱动棚内电加热带（17）和调温子模块一起为大棚供热，控制冬季棚内温度。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的太阳能蓄热和光伏膜蓄能调温装置的运行方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）在太阳升起后，将集热子模块放置于阳光下，打开保温盖层（5），并将可移动的调温子模块水平置于集热子模块中，吸收太阳辐射；
（2）待相变材料完全融化后，将集热子模块的保温盖层关闭；
（3）太阳落山后，将可移动的调温子模块从集热子模块中取出，竖直置于塑料大棚中释放白天贮存的热量；
（4）保温棉（15）太阳落山后放下，覆盖塑料大棚表面进行保温，第二天太阳升起后收起；
（5）通过自控模块，根据大棚内外空气温度，控制相变蓄热调温模块、柔性光伏膜蓄能调温模块以及大棚保温模块按照下述运行逻辑自动运行：当室外温度高于下述公式取值范围时，仅由大棚保温模块即可控制大棚内温度在10度以上；当室外温度在本发明专利提出的下述公式取值范围之内时，可由大棚保温模块和相变蓄热调温模块联合控制大棚内逐时温度均达到10度；当大棚保温模块和相变蓄热调温模块联合使用仍然达不到温度要求时，同时使用电加热带进行供热；
对于铺设1cm保温棉的大棚，y = （0.1513Te2 - 3.2983Te + 14.558）×L/10，（–6≤Te<7）；
对于铺设2cm保温棉的大棚，y = （0.1573Te 2 - 2.1519Te + 6.5901）×L/10，（–6≤Te<5）；
对于铺设3cm保温棉的大棚，y =（0.118Te 2 - 1.3606Te + 3.4114）×L/10，（–6≤Te<4）；
其中，y为所需的调温子模块的数量，Te为室外夜间平均温度，L为大棚长度；若计算结果为小数，采用进位法取整。
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