CN114556778A - 执行果树作物种植棚功能的太阳能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种与农业并行的太阳能发电系统，使太阳能发电与果树作物的农业活动并行成为可能，且不仅不会为了设置太阳能发电装置而在林地进行大量土木工程等引起环境和农田的破坏，还可以提供与农业并行的太阳能发电系统的结构、形态和功能，从而提高太阳能发电的发电量的效率。据本发明，可以以低成本同时进行太阳能发电和果树作物的农业活动，为了与农业并行发电，通过不单独设置太阳能电池模块支架而兼顾现有作物挡雨棚的功能，可构建经济的系统，即使现有果园的作物不朝南，也可以通过太阳能面板可变更角度的结构物，容易实现发电量最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种与农业并行的太阳能发电系统，更加详细而言，涉及一种可以并行太阳能发电和果树作物的农业活动，同时提高太阳能发电量的效率的太阳能发电系统的结构、形态和功能。
背景技术
近期，韩国政府于2017年12月公布了“2030年能源新产业扩张战略”，以预先应对新改变的气候体制，目标是截止2030年实现可再生能源发电量的占比达到20％及将太阳能装机容量从目前的5.7GW的水准扩大到35.5GW的水准。然而，即便是现在，63％的太阳能供电容量都设置在农村，正在侵占森林和农田，未来为了普及太阳能，如果不增加对农田的侵占，现实上不可能确保一个为当前设置容量六倍的面积。在这种情况下，需要能够并行农业和太阳能发电的技术。
随着对可再生能源的兴趣增加，对不需要使用化石燃料进行发电的太阳能发电的兴趣已经上升并正在广泛传播。
以往，为了实现电能的自给自足小规模设置了太阳能发电设备，近年来，随着石油价格上涨等条件的变化，太阳能发电装置被大规模设置，直接使用或出售生产的电力。为了设置这样的太阳能发电装置，需要大规模的场地，为此，在森林和山区进行土木工程以确保场地，然后将太阳能发电装置设置在广阔的空间中。
然而，最近通过土木工程在森林中设置大规模的太阳能发电装置成为一个问题，因为土木工程存在环境破坏及产生高成本的问题。此外，结构物的设计羸弱不足以抵御台风，存在影响作物生长等诸多问题，需要额外的技术开发。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种与农业并行的太阳能发电系统的结构、形态和功能，使太阳能发电与果树作物的农业活动并行成为可能，不仅免去为了设置太阳能发电装置而在林地进行的大量土木工程等引起的环境和农田的破坏，还可以提高太阳能发电的发电量的效率。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种与农业并行的太阳能发电系统，包括：多个太阳能面板10；以及设施结构物，其上端设置有所述多个太阳能面板。其中，所述设施结构物可包括：多个桩支架130，其下端形成有用于埋设在地中的桩(pile)132，所述多个桩支架130对应于作物种植区面积而在行方向和列方向上分别以预定间隔隔开而竖直设置；多个水平支架110,110b，在上侧将行方向排成一列的各个桩支架130之间连成一体，在上侧将列方向排成一列的各个桩支架130之间连成一体；多个面板支架112,112b；多个挡雨罩140,140b，用作作物种植区的屋顶，并且由透光材料制成；多个挡雨罩支架114,114b；多个斜线支架116，分别在桩支架130的左右两侧以斜线方向支撑所述水平支架130或所述挡雨罩支架114,114b。
发明效果
根据本发明，提供一种与农业并行的太阳能发电系统的结构、形态和功能，使太阳能发电与果树作物的农业活动并行成为可能，不仅免去为了设置太阳能发电装置而在林地进行的大量土木工程等引起的环境和农田的破坏，还有提高太阳能发电的发电量的效率的效果。
根据本发明，可以以低成本同时进行太阳能发电和果树作物的农业活动，为了与农业并行发电，通过不单独设置太阳能电池模块支架而让其兼顾现有作物挡雨棚的功能，可构建经济的系统，即使现有果园的作物不朝南，也可以通过太阳能面板可变更角度的结构物，容易实现发电量最大化。
附图说明
图1-4是用于说明适用于根据本发明的第一实施例的与农业并行的太阳能发电系统的设施结构物的参考图。
图5是可适用于本发明的太阳能面板的参考图。
图6是说明各个作物的光饱和点和遮光率的参考表。
图7示例在本发明的与农业并行的太阳能发电系统中能够设置在设施结构物中的环境传感器的设置位置的参考图。
图8是用于说明在本发明的与农业并行的太阳能发电系统中，根据太阳能面板的高度角变化来变更遮光面积，从而维持适合各作物的遮光率的方法的参考图。
图9是用于说明适用于根据本发明的第二实施例的与农业并行的太阳能发电系统的设施结构物的参考图。
具体实施方式
本发明可施加各种变换并且可以有多种实施例，在附图中示出了特定实施例并且在具体实施方式中进行详细描述。然而，这并不旨在将本发明限制于特定的实施形态，而应理解为包括所有包含在本发明的精神和技术范围内的修改、等同物和替代物。
在对本发明进行说明时，认为相关已知技术的详细描述可能会不必要地模糊本发明的主旨，则将省略其详细描述。此外，在对说明书进行说明的过程中使用的数字(例如，第一、第二等)仅是用于区分一个构成要素与其他构成要素的标识符号。
此外，在整个说明书中，当一个构成要素与其他构成要素被称为“连接”或“结合”时，所述一个构成要素与所述其他构成要素可以直接连接或直接结合，应当理解，除非有相反的特别说明，否则可以通过中间的其他构成要素连接或结合。此外，在整个说明书中，当某个部分“包括”某个构成要素时，除非另有相反的特别说明，否则意味着可以进一步包括其他构成要素，而不是排除其他构成要素。
图1-4是用于说明适用于根据本发明的第一实施例的与农业并行的太阳能发电系统的设施结构物的参考图。图5是可适用于本发明的太阳能面板的参考图。图6是说明各个作物的光饱和点和遮光率的参考表。图7示例在本发明的与农业并行的太阳能发电系统中能够设置在设施结构物中的环境传感器的设置位置的参考图。图8是用于说明在本发明的与农业并行的太阳能发电系统中，根据太阳能面板的高度角变化来变更遮光面积，从而维持适合各作物的遮光率的方法的参考图。图9是用于说明适用于根据本发明的第二实施例的与农业并行的太阳能发电系统的设施结构物的参考图。以下，参考附图对本发明的实施例进行详细说明。
参照附图(特别是图1及图2的第一实施例的附图和图9的第二实施例的附图)时，根据本发明实施例的执行果树作物种植棚功能的与农业并行的太阳能发电系统，包括：多个太阳能面板10；设施结构物，其上端设置有所述多个太阳能面板。
所述设施结构物包括：多个桩支架130，其下端形成有用于埋设在地中的桩(pile)132，所述多个桩支架130对应于作物种植区面积而在行方向和列方向上分别以预定间隔隔开而竖直设置；多个水平支架110,110b，在上侧将行方向排成一列的各个桩支架130之间连成一体，在上侧将列方向排成一列的各个桩支架130之间连成一体；多个面板支架112,112b，布置在对应于所述多个太阳能面板10分别设置的区域，安装并支撑所述太阳能面板10，并连接在所述水平支架110,110b的上端；多个挡雨罩140,140b，至少覆盖未设置所述多个太阳能面板10的剩余区域而设置，用作作物种植区的屋顶，并且由透光材料制成；多个挡雨罩支架114,114b，布置在对应于所述多个挡雨罩140,140b分别设置的区域，安装并支撑所述多个挡雨罩140,140b；多个斜线支架116，其一端与所述桩支架130连接，另一端与上述水平支架110连接或连接在所述挡雨罩支架114,114b，分别在桩支架130的左右两侧以斜线方向支撑所述水平支架130或所述挡雨罩支架114,114b。
根据一实施例，列方向(参见图2中的附图标记c方向)排成一列的各个桩支架130设置在所述作物种植区域中种植作物的地埂上，并沿着各个地埂以预定间隔(参见图2中的附图标记d)隔开设置，行方向排成一列的各个桩支架130在所述作物种植区域中以地埂间隔(参见图1及图2中的附图标记b)隔开设置。
在此，所述列方向排成一列的各个桩支架130隔开设置的所述预定间隔(参见图2中的附图标记d)是在考虑作物种植区的最大积雪量基准值和最大风压基准值的情况下，在满足所述设施结构物的荷重设计条件下最大允许的隔开间隔范围内设计，并考虑在地埂上种植作物的种植间隔，以不干扰作物侧面方向的生长的隔开间隔而确定。
另外，所述桩支架130的地上部分高度设计为至少要超过所述待种植作物高度方向的最大生长高度，满足事先设计的最低的涉及高度以免妨碍关于所述待种植作物的农业活动。
根据一实施例，所述面板支架112,112b以所述水平支架110,110b为基准形成预定的倾斜角并连接在所述水平支架110,110b的上端，防止在所述太阳能面板10的上面堆积阻碍太阳能发电的障碍物(例如落叶等)。所述多个挡雨罩支架114,114b设置成具有预定倾斜角，使挡雨罩140,140b形成倾斜面，使得雨水或雪不会积聚在其上端。
根据一实施例，为防止雨水直接落到沿地埂种植的作物上，所述挡雨罩140,140b可设置成完全覆盖连接在所述列方向排成一列的各个桩支架130的挡雨罩支架114,114b的上端，所述行方向相邻的挡雨罩140,140b的两端可设置为彼此之间不接触并且其间具有预定间隔。此时，与所述行方向相邻的挡雨罩140,140b的两端之间形成的预定间隔的空间相对应的下端被设计为对应于所述作物种植区的沟渠的中心(a)，使通过挡雨罩140,140b倾斜面落下的雨水流向沟渠的中心(参见图1及图2中的附图标记a)的方向。
根据另外的实施例，在与所述行方向相邻的挡雨罩140,140b的两端之间形成的预定间隔的空间相对应的下端，可设置沿着所述列方向连成一体的形成水通道的雨水槽(参考图9的附图标记118)，使通过挡雨罩140,140b倾斜面向下端落下的雨水通过所述水通道落到所述作物种植区的外部，而不是落到所述沟渠的方向。这种情况下，所述雨水槽118对应于所述行方向相邻的挡雨罩140,140b在行方向相邻的所有挡雨罩支架114,114b的两端相互紧密连接。
另外根据本发明，所述多个太阳能面板10为确保作物生长所需的太阳光，在所述设施结构物上可以以预定间隔(参考图3的附图标记e)隔开设置。
另外各个所述多个太阳能面板10包括：透光基底部件；以及在所述透光基底部件上以N×M的矩阵形态(图3-5示例了9×4矩阵的形态)布置的多个光电转换单元，可制作成对应于所述多个光电转换单元之间形成的预定间隔空间(参考图4的附图标记f)存在通过所述透光基底部件透光的透光区域和被多个光电转换单元遮光的遮光区域。如此，如果通过确保模块内部串联连接的太阳能电池之间的间隔距离来建立使用一定量的光透射的透射型模块的系统，则太阳能发电系统运行时可以确保应用于设施物下方的空间的额外的光【参考图4】。
此时，所述太阳能面板10的设置数量在所述多个太阳能面板10中的被多个光电转换单元遮光的遮光区域所占的面积相对于所述作物种植区中待种植的所述作物的种植区面积的比率不超过以待种植作物的光饱和度为基准时最大允许的最大允许遮光率的范围内，确定为可设置的最多面板的数量。
一般而言，植物的光合作用速度与光照强度成比例，但当达到光饱和点时，光合作用速度不会增加。因此，光饱和点因作物种类而异，西瓜或番茄具有70～80klux的强光饱和点，具有中间光饱和点的黄瓜、南瓜、卷心菜、豌豆等的光饱和点在40～45klux左右。相反具有弱光饱和点的生菜和红薯等的光饱和点约为25klux。因此，根据目标作物，考虑太阳能结构物不影响作物生长程度的遮光率，可将太阳能面板及太阳能面板的电池模块(即光电转换单元)之间的间隔距离调整到不影响农业生产量度。韩国东南电力在2017年在韩国最早报告了太阳能发电与水稻种植并行的示范成果，太阳能发电土地与没有太阳能发电土地的产量差异为5％。对此，图6是考虑到每种作物的光饱和点的太阳能结构物的合适遮光率设计值的示图，如上所述，通过利用每个作物的光饱和点及遮光率设计值之间关系的表格数据，可适当地设计每种要种植作物的遮光率。
另外，根据本发明的一个实施例，与农业并行的太阳能发电系统在平时可以作为结构稳定的固定式太阳能发电系统使用，当由于季节变化导致太阳的太阳高度变化或设置位置的变化而需要变更模块的方位角时，即使系统按照已经种植的水果作物的地埂方向设置，也可以设计成可以变更上部太阳能电池角度的结构。
为此，可包括变更所述太阳能面板10的设置角度的角度变更部50。此时，所述角度变更部50可包括：方位角变更装置，在保持太阳能面板10的光入射面的倾斜角的状态下，变更水平方向上的方位角；高度角变更装置，用于变更垂直方向的高度角以变更所述太阳能面板10的光入射面的倾斜角；驱动致动器，为所述方位角变更装置及高度角变更装置提供驱动力。尽管关于图9和图10中的角度变更部50的结构没有明确示出，但是即使采用已知的技术手段，所述高度角变更装置/方位角变更装置和驱动致动器也可以充分地设计和应用，本领域普通技术人员能够容易地理解和推出该结构。
另外，本发明的与农业并行的太阳能发电系统可包括控制单元，用于控制所述驱动致动器的操作，从而执行所述太阳能面板10的方位角变更及高度角变更中的至少一个。
此外，根据本发明的一个实施例，所述设施结构物可设置有照度传感器、日照量传感器、二氧化碳测定传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤温湿度传感器、电导率传感器等，并根据感测结果进行相应的各种运行控制(参考图7)。
作为一个例子，所述控制单元可根据照度传感器的感测结果所测得的光照强度超出对于所述作物计划的日照量值范围时，生成变更所述太阳能面板10高度角的控制指令并传达给所述驱动致动器，以所述遮光区域所占的面积比率，变更所述太阳能面板10产生的阴影区域的大小(参考图8)。
作为另一个例子，当根据照度传感器的感测结果所测得的光照强度低于作物的光饱和点时，控制单元可以产生增加太阳能面板10的高度角的控制指令，传递到驱动致动器，减小遮光区域所占的面积比率。此外，可仅当根据照度传感器的感测结果所测得的光照强度具有高于作物的光饱和点的值时，控制单元才会产生改变太阳能面板10的方位角的控制命令，传递到驱动致动器，太阳能面板10的光入射面根据每天时间的变化跟踪太阳的移动位置，同时可以产生改变太阳能面板10高度角的控制指令，并传输到驱动执行器以跟踪太阳高度的变化。
作为另一个例子，所述控制单元根据所述湿度传感器的感测结果测得的湿度值达到为所述作物预先设定的湿度值时，生成变更所述太阳能面板10方位角的控制指令并传达给所述驱动致动器，变更所述太阳能面板10随着每天时间的变化而产生的阴影区域的大小。
如上所述，根据与农业并行的太阳能发电系统结构、形态和功能，使太阳能发电与果树作物的农业活动并行成为可能，不仅免去为了设置太阳能发电装置而在林地进行的大量土木工程等引起的环境和农田的破坏，还有提高太阳能发电的发电量的效率的效果。另外，可以以低成本同时进行太阳能发电和水果作物的农业活动，为了与农业并行发电，通过不另外设置太阳能电池模块支架而让其兼顾现有作物挡雨棚的功能，可构建经济的系统，即使现有果园的作物不朝南，也可以通过太阳能面板可变更角度的结构物，容易实现发电量最大化。
尽管以上参照本发明的实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员容易理解，可以在不脱离所附权利要求中记载的本发明的精神和范围的范围内对本发明进行各种修改及变更。
Claims (8)
1.一种与农业并行的太阳能发电系统，包括：
多个太阳能面板(10)；以及上端设置有所述多个太阳能面板的设施结构物，
其中，所述设施结构物包括：
多个桩支架(130)，其下端形成有用于埋设在地中的桩(pile)(132)，所述多个桩支架(130)对应于作物种植区面积而在行方向和列方向上分别以预定间隔隔开而竖直设置；
多个水平支架(110,110b)，在上侧将行方向排成一列的各个桩支架(130)之间连成一体，在上侧将列方向排成一列的各个桩支架(130)之间连成一体；
多个面板支架(112,112b)，布置在对应于所述多个太阳能面板(10)分别设置的区域，安装并支撑所述太阳能面板(10)，并连接在所述水平支架(110,110b)的上端；
多个挡雨罩(140,140b)，至少覆盖未设置所述多个太阳能面板(10)的剩余区域而设置，用作作物种植区的屋顶，并且由透光材料制成；
多个挡雨罩支架(114,114b)，布置在对应于所述多个挡雨罩(140,140b)分别设置的区域，安装并支撑所述多个挡雨罩(140,140b)；
多个斜线支架(116)，其一端与所述桩支架(130)连接，另一端与上述水平支架(110)连接或连接在所述挡雨罩支架(114,114b)，分别在桩支架(130)的左右两侧以斜线方向支撑所述水平支架(130)或所述挡雨罩支架(114,114b)。
2.根据权利要求1所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，
列方向排成一列的各个桩支架(130)设置在所述作物种植区域中待种植作物的地埂上，并沿着所述地埂以预定间隔(d)隔开设置，
行方向排成一列的各个桩支架(130)设置在所述作物种植区域中，并以地埂间隔(b)隔开设置，
所述列方向排成一列的各个桩支架(130)隔开设置的所述预定间隔(d)是在考虑该作物种植区的最大积雪量基准值和最大风压基准值的情况下，在满足所述设施结构物的荷重设计条件下最大允许的隔开间隔范围内设计，并考虑在地埂上待种植作物的种植间隔，以不干扰作物侧面方向的生长的隔开间隔而确定，
所述桩支架(130)的地上部分高度设计为至少要超过所述待种植作物高度方向的最大生长高度，并确定为满足事先设计的最低的高度以免妨碍关于所述待种植作物的农业活动。
3.根据权利要求2所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，
所述面板支架(112,112b)以所述水平支架(110，110b)为基准形成预定的倾斜角并连接在所述水平支架(110，110b)的上端，从而防止在所述太阳能面板(10)的上面堆积阻碍太阳能发电的障碍物，
所述多个挡雨罩支架(114,114b)设置成具有预定倾斜角，使挡雨罩(140,140b)形成倾斜面，使得雨水或雪不会积聚在其上端，
所述挡雨罩(140,140b)设置为完全覆盖连接在所述列方向排成一列的各个桩支架(130)的挡雨罩支架(114,114b)设置的上端，从而防止雨水直接落到沿地埂待种植的作物上，所述行方向相邻的挡雨罩(140,140b)的两端设置为彼此之间不接触并且其间具有预定间隔,
与所述行方向相邻的挡雨罩(140,140b)的两端之间形成的预定间隔的空间相对应的下端，被设计为对应于所述作物种植区的沟渠的中心(a)，使通过挡雨罩(140,140b)的倾斜面落下的雨水流向沟渠的中心(a)方向。
4.根据权利要求3所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，
在与所述行方向相邻的挡雨罩(140,140b)的两端之间形成的预定间隔的空间相对应的下端设置有形成沿着所述列方向连成一体的水通道的雨水槽(118)，使通过挡雨罩(140,140b)的倾斜面向下端落下的雨水通过所述水通道落到所述作物种植区的外部，而不是落到所述沟渠的方向，
所述雨水槽(118)对应于沿所述行方向相邻的挡雨罩(140,140b)在行方向相邻的所有挡雨罩支架(114,114b)的两端相互紧密连接。
5.根据权利要求4所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，
所述多个太阳能面板(10)在所述设施结构物上以预定间隔(e)隔开设置，
所述多个太阳能面板(10)通过各自包括透光基底部件；以及在所述透光基底部件上以N×M的矩阵形态布置的多个光电转换单元，制作成对应于所述多个光电转换单元之间形成的预定分隔空间(f)而存在通过所述透光基底部件透光的透光区域和被所述多个光电转换单元遮光的遮光区域，
所述太阳能面板(10)的设置数量在所述多个太阳能面板(10)中的被多个光电转换单元遮光的遮光区域所占的面积相对于所述作物种植区中待种植的所述作物的种植区面积的比率不超过以待种植作物的光饱和度为基准时最大允许的最大允许遮光率的范围内，确定为可设置的最多面板的数量。
6.根据权利要求5所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，
包括变更所述太阳能面板(10)的设置角度的角度变更部(50)，
所述角度变更部(50)包括：方位角变更装置，在保持太阳能面板(10)的光入射面的倾斜角的状态下，变更水平方向上的方位角；高度角变更装置，变更垂直方向的高度角以变更所述太阳能面板(10)的光入射面的倾斜角；驱动致动器，为所述方位角变更装置及高度角变更装置提供驱动力。
7.根据权利要求6所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于,包括：
照度传感器，至少一个照度传感器设置于所述设施结构物，测定所述作物的种植空间的光照强度；以及
控制单元，控制所述驱动致动器的操作，从而控制执行所述太阳能面板(10)的方位角变更及高度角变更中的至少一个，
所述控制单元根据所述照度传感器的感测结果所测得的光照强度超出对于所述作物计划的日照量值范围时，生成变更所述太阳能面板(10)高度角的控制指令并传达给所述驱动致动器，以所述遮光区域所占的面积比率，变更所述太阳能面板(10)产生的阴影区域的大小。
8.根据权利要求6所述的与农业并行的太阳能发电系统，其特征在于，包括：
湿度传感器，至少一个湿度传感器设置于所述设施结构物，以测定所述作物的种植空间的湿度；以及
控制单元，用于控制所述驱动致动器的操作，从而控制执行所述太阳能面板(10)的方位角变更及高度角变更中的至少一个，
所述控制单元根据所述湿度传感器的感测结果测得的湿度值达到为所述作物预先设定的湿度值时，生成变更所述太阳能面板(10)方位角的控制指令并传达给所述驱动致动器，变更所述太阳能面板(10)随着每天时间的变化而产生的阴影区域的大小。
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