CN114916356B - 日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系 - Google Patents

日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系 Download PDF

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Abstract

日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系实现太阳能周年高效利用，属于现代设施农业绿色建造与生产领域及可再生能源应用领域，解决利用将光伏系统产生的电能直接并网，应用模式单一、投入产出率低、推广应用难度大的问题。墙体由最外侧的保温材料层、次外侧的重质水泥砌块砖层、中间的电热膜以及内侧的相变材料层构成；设计方法包括光伏组件板最佳安装角度β最佳确定，还包括根据光伏组件板的安装面积及其光电效率、以及电热膜的敷设面积及其电热效率，确定敷设在日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体内作为“内热源”的发热量。

Description

日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系
技术领域
本发明涉及一种利用光伏+电热+相变蓄热技术，实现太阳能周年高效利用的日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系，属于现代设施农业绿色建造与生产领域及可再生能源应用领域。
背景技术
将光伏/电热技术、相变蓄热技术、绿色建筑技术应用于日光温室建造与生产运营，对将可在生能源技术应用于设施农业生产、显著提高我国北方地区日光温室越冬生产喜温瓜菜经济效益、助力乡村振兴与现代设施农业发展，具有重要社会经济意义。
目前日光温室应用的建筑一体化光伏技术，多是利用将光伏系统产生的电能直接并网，应用模式单一、投入产出率低、推广应用难度大。
本发明在发明专利2(“一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法,CN113079881A)的基础上，将太阳能光伏技术、电热膜技术、相变蓄热技术及建筑墙体构筑技术有机融合，充分发挥光伏系统能源使用灵活的优势：冬季，光伏系统产生的电能，以“太阳能光-电-热”的形式储存在相变蓄热墙体内，夜晚再向日光温室放热供暖，实现光伏电日光温室自身消纳；其它非供暖季节，光伏系统产生的电能优先用于为日光温室通风换气与降温、以及农机设备提供动力电源，余下部分并网。相比以太阳能空气集热系统作为主动热源的日光温室太阳能主-被动式“三重”结构相变蓄热墙体体系(发明专利1：“日光温室太阳能主-被动式“三重”结构蓄热墙体体系”，CN103404391A)，本发明具有能源供给形式灵活且多样特点，可电也可热、可自行消纳也可并网。不但提高了光伏系统的全年高效利用率，更重要的是为光伏电能在设施农业生产的应用，提供了新的思路和途径。
发明内容
本发明为克服以太阳能空气集热系统作为主动热源的日光温室太阳能主-被动式“三重”结构相变蓄热墙体体系中的系统太阳能利用率低、仅冬季供热可用、能源使用策略粗放等不足，提出了一种日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系。
本发明通过有机融合太阳能光伏技术、电热膜技术、相变蓄热技术及建筑墙体构筑技术，提出了一种日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系(如图1所示)，实现了光伏能源的多模式、多形式在设施农业生产的高效应用。
日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体由最外侧的保温材料层、次外侧的重质水泥砌块砖层、中间的电热膜以及内侧的相变材料层构成；涉及日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体关键技术及其设计计算方法如下：
1.光伏组件板最佳安装角度β最佳确定
1)根据太阳运行轨迹全年变化规律与光伏组件板光热转化性能特点，将全年分为夏季(6月15日～8月15日)、冬季(11月7日～翌年3月7日、以及过渡季(3月7～6月15日、8月16日～11月6日)。
2)过渡季节，室外环境温度有利于光伏组件板高效工作，假定其太阳能利用率为1.0；夏季，室外环境温度高、不利于光伏组件板散热，影响其光电转化效率，假定其太阳能利用率为0.8；冬季，室外环境温度低、也不利于光伏组件板高效工作，假定其太阳能利用率为0.9，则对应不同安装角度β光伏组件板全年累计可接收到的太阳直射辐射量可按式(1)～式(4)计算。
Figure GDA0004251649130000021
ID(β)＝IDS×cosi(2)
cosi＝cosβ×sinht+sinβ×cosht×cosε(3)
ε＝α-γ(4)
式中，ID为不同安装角度β光伏组件板全年累计可接收到的太阳直射辐射量，W/(m2·a)；β为光伏组件板安装角度，°；IDS为水平面太阳直射辐射强度，W/m2；i为太阳入射角，°；ht为太阳高度角，°；ε为倾斜面太阳方位角，°；α为太阳方位角，°；γ为朝向，°。
3)综合考虑冬季太阳高度角相对较低、太阳辐射强度不如其他季节，但温室电热供暖需求大，因此要求光伏组件板冬季累计可接收到的太阳直射辐射量与其全年的之比不低于30％，但综合考虑全年光伏组件板运行效率，要求光伏组件板冬季累计可接收到的太阳直射辐射量与其全年的之比不高于32％。即，有式(5)成立。
Figure GDA0004251649130000031
4)满足式(6)的βi，即为对应工程场地光伏组件板最佳安装角度β最佳。
Figure GDA0004251649130000032
2.电热膜阵列方式及敷设面积确定
根据光伏组件板7产品的安装面积及其光电效率、以及电热膜2产品的敷设面积及其电热效率，确定敷设在日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体内作为“内热源”的发热量。
1)单块电热膜的敷设面积确定。根据电热膜电-热转换效率以及发热特性，确定单块电热膜电阻≥3.3Ω、敷设长度<3m、敷设面积为2.25m2/块为基本选择条件。
2)光伏组件板安装面积和发电量确定。单块太阳能光伏组件板日输出电量平均为0.8～1.0kWh/块、输出电压约为42V。为此，对于东西走向、长度为L长的日光温室，如图1安装的光伏组件日总发电量即可求出。
3)电热膜在温室北墙体中的布置形式确定。若单块电热膜宽度750mm、长度H；其电阻即可确定；进而根据电量可计算电热膜的敷设数量。沿温室长度方向分别从东西两侧每间隔x(2～3m)布置一块电热膜(图2)，未铺设电热膜的墙体区域，次外侧的空气砌块砖的空腔可设置空气通道(图1中b-4)。
3.电热膜电-热转换效率与发热量确定
根据式(7)～式(9)可计算得到电热膜的输入功率P、电热转换效率η、发热量q。也即，根据光伏组件的发电量和电热膜的电热转换效率，即可确定电热膜的在墙体中的发热量。
P＝UI(7)
Figure GDA0004251649130000033
Figure GDA0004251649130000041
式中，U为电热膜的输入电压，伏；I为电热膜的输入电流，安培；η为墙体材料的导热系数，W/(m·K)；δ为墙体材料的厚度，m；△t为各层墙体的导热温差，℃；A为墙体的计算面积，m2。
附图说明
图1日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系
图1中a为系统原理图
图1中b-1为敷设电热膜处墙体构筑图
图1中b-2为空气通道处墙体构筑图
图1中b-3为A-A剖面图
图1中b-4为B-B剖面图
1、GH-20水泥基复合相变蓄热墙板，2、电热膜，3、水泥空心砌块砖，4、竖向墙体空气通道，5、空气通道出口，6、被粘土或细颗粒沙砾填实的部分，7、保温板，8、太阳能光伏系统，9、家用或农用电器，10、蓄电池，11、主电网端。
图2日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体电热膜布置图
图3计算案例电热膜布置图
具体实施方式
下面结合附图1～图3对本发明进行详细说明。
日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体由最外侧的保温材料层、次外侧的重质水泥砌块砖层、中间的电热膜以及内侧的相变材料层构成；在东西走向的日光温室北墙体内侧表面贴敷GH-20水泥基复合相变蓄热墙板(发明专利3：“一种水泥复合定形相变材料砂浆及其制备方法以及应用”，CN105271991A.)，将连接小型低压光伏发电系统的电热膜按一定间距敷设在次外侧的重质水泥砌块砖层内表面，以通过太阳能光伏光热技术实现墙体高效主动蓄热；GH-20水泥基复合相变蓄热墙板与电热膜紧密贴敷。次外侧的重质水泥砌块砖如果采用空心砌块砖，部分空气心腔体可作为空气通道(图1中b-4)，将温室顶部高温的空气通入墙体，使室内多余的热量储存在墙体内来提高墙体内部蓄热量；余下部分的空腔可粘土或细颗粒沙砾填实(图1中b-3)(一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法,CN113079881A)。
太阳能光伏系统(7)包括太阳能光伏组件板、太阳能控制器、太阳能逆变器、开关，在白天可为相变蓄热墙体系统中的电热膜、家用或农用电器供电，多余电量可储蓄入蓄电系统，或并入主电网端。
所述GH-20水泥基复合相变蓄热墙板(1)为日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体的内表面层；水泥空心砌块砖(3)构成的北墙体的次外侧层，其中设置有多个墙体空气通道(4)，并联后依次与管道风机形成温室顶风余热利用系统，北墙体最外侧为保温板层(6)；日光温室北墙体内表面层的GH-20水泥基复合相变蓄热墙板(1)与此外侧的水泥空心砌块砖层(3)之间设置电热膜(2)，且电热膜(2)连接DC/DC变流器后，可由太阳能光伏系统(7)、蓄电系统或主电网端低谷电供电发热。
家用或农用电器用电系统包括家用或农用电器(8)、DC/DC变流器、开关，可由太阳能光伏系统(7)、蓄电系统或主电网端低谷电供电。
蓄电系统系统包括蓄电池(9)、DC/DC变流器、开关，可蓄积来自太阳能光伏系统(7)产电及主电网端低谷电。
主电网端(10)输配电系统进入用户端时需连接AC/DC变流器。太阳能光伏系统(7)在白天产生多余电量可并入主电网端(10)。此外，用户端从外网流入的电量可随光伏发电情况不同而发生变化，属于柔性负载。
该在供暖季节的晴朗白天，日光温室利用相变蓄热墙体内部的竖向空气通道(4)形成温室顶风余热利用系统，将白天温室室内较高的空气热量蓄积集在墙体内部，墙体内表面的相变蓄热墙体板(1)能够以被动蓄热的方式直接储存透射在其表面上的太阳能，顶风余热利用系统工作过程参见文件2(一种可适用于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法，CN113079881A)：在未铺设电热膜的墙体区域的水泥砌块砖空腔中设置空气通道，利用风机将日光温室白天室内温度较高的空气抽送到“三重”结构相变蓄热墙体空气通道中，分别通过光-电-热转换、光-热转换以导热方式将太阳能储存至墙体中，夜间为日光温室“热区”热环境营造提供热源；此外，由太阳能光伏系统(7)将太阳能转化为电能，并通过电热膜(2)发电储存在相变蓄热墙体内部，多余电量可为家用或农用电器(8)供电，或储蓄入蓄电系统，或并入主电网端(10)。
在供暖季节夜晚，温室内温度降低，墙体内部的蓄热量可通过墙体内表面释放至室内，来弥补温室夜间所需供热量。
对于连阴天或极寒天气导致的墙体内部蓄热量不足的情况，可采用蓄电系统或主电网端(10)低谷电对相变蓄热墙体内部的电热膜(2)进行供电，进而弥补温室所需供热量。
在非供暖季白天，太阳能光伏系统(7)可直接为家用或农用电器(8)供电，多余电量可储蓄入蓄电系统，或并入主电网端(10)；在非供暖季夜间，可采用蓄电系统或主电网端(10)低谷电对家用或农用电器(8)供电，也可将主电网端低谷电积蓄入蓄电系统中。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方法进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出各种修改或变形，但仍在本发明的保护范围以内。
以北京地区长度为80m日光温室为例，确定北京光伏组件板最佳安装角度和电热膜阵列设计。
1.光伏组件板最佳安装角度
1)北京位于东经40°，北纬116°，以典型气象年为例，通过气象网等数据网站查得典型气象年水平太阳辐射量IDS(W/m2)，通过公式(2)求得不同倾斜角度光伏组件板每小时实际所得太阳辐照量ID(β)，将ID(β)按夏季、过渡季、冬季的日期进行整合，得表1如下。
表1不同倾斜角不同季节光伏板太阳得照量
Figure GDA0004251649130000061
2)将不同季节按照公式(1)的折减量进行加和，求得全年加权总和后的不同角度太阳得照量，得表2如下。
表2不同倾斜角光伏组件板太阳得照量全年加权总和
Figure GDA0004251649130000071
3)求得冬季太阳辐照量占全年比例，得表3如下。
表3不同倾角光伏组件板冬季太阳得照量占全年比例
Figure GDA0004251649130000072
按照式(5)选出负荷条件的倾角分别为β＝40°、β＝45°，根据式(6)选出最佳光伏组件板安装角度为β＝45°。
2.电热膜阵列设计
1)单块电热膜的敷设面积确定。根据电热膜电-热转换效率以及发热特性，确定单块敷设长度为3m、敷设面积为2.25m2/块、电热膜电阻为3.3Ω为基本选择条件。
2)光伏组件板安装面积和发电量确定。单块太阳能光伏组件板规格尺寸一般为2094x1038x45mm，日输出电量平均为0.8～1.0kWh/块、输出电压约为42V。为此，对于东西走向、长度为80m长的日光温室，如图1安装的光伏组件板日总发电量约为61.6kWh。
3)电热膜在温室墙体中的布置形式确定。若单块电热膜规格尺寸为3000x750mm、电阻为3.3Ω，则可沿温室长度方向每间隔3m布置一块电热膜，共计21块电热膜(图3)。

Claims (1)

1.日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系，其特征在于：墙体由最外侧的保温材料层、次外侧的重质水泥砌块砖层、中间的电热膜以及内侧的相变材料层构成；
具体设计方法如下：
(1)光伏组件板最佳安装角度β最佳确定
1)根据太阳运行轨迹全年变化规律与光伏组件板光热转化性能特点，将全年分为夏季、冬季、以及过渡季；
2)过渡季节，室外环境温度有利于光伏组件板高效工作，假定其太阳能利用率为1.0；夏季，室外环境温度高、不利于光伏组件板散热，影响其光电转化效率，假定其太阳能利用率为0.8；冬季，室外环境温度低、也不利于光伏组件板高效工作，假定其太阳能利用率为0.9，则对应不同安装角度β光伏组件板全年累计可接收到的太阳直射辐射量按式(1)～式(4)计算；
Figure FDA0004251649120000011
ID(β)＝IDS×cosi (2)
cosi＝cosβ×sinht+sinβ×cosht×cosε (3)
ε＝α-γ (4)
式中，ID为不同安装角度β光伏组件板全年累计可接收到的太阳直射辐射量，W/(m2·a)；β为光伏组件板安装角度，°；IDS为水平面太阳直射辐射强度，W/m2；i为太阳入射角，°；ht为太阳高度角，°；ε为倾斜面太阳方位角，°；α为太阳方位角，°；γ为朝向，°；
3)综合考虑冬季太阳高度角相对较低、太阳辐射强度不如其他季节，但温室电热供暖需求大，因此要求光伏组件板冬季累计可接收到的太阳直射辐射量与其全年的之比不低于30％，但综合考虑全年光伏组件板运行效率，要求光伏组件板冬季累计可接收到的太阳直射辐射量与其全年的之比不高于32％；即，有式(5)成立；
Figure FDA0004251649120000021
4)满足式(6)的βi，即为对应工程场地光伏组件板最佳安装角度β最佳；
Figure FDA0004251649120000022
(2)电热膜阵列方式及敷设面积确定
根据光伏组件板的安装面积及其光电效率、以及电热膜的敷设面积及其电热效率，确定敷设在日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体内作为“内热源”的发热量；
1)单块电热膜的敷设面积确定；单块电热膜电阻≥3.3Ω、敷设长度<3m、敷设面积为2.25m2/块为基本选择条件；
2)光伏组件板安装面积和发电量确定；单块太阳能光伏组件板日输出电量平均为0.8～1.0kWh/块、输出电压为42V；然后求出安装的光伏组件日总发电量；
3)电热膜在温室北墙体中的布置形式确定；
根据总电量计算电热膜的敷设数量：沿温室长度方向分别从东西两侧每间隔2～3m布置一块电热膜，未铺设电热膜的墙体区域，次外侧的空气砌块砖的空腔设置空气通道；
(3)电热膜电-热转换效率与发热量确定
根据式(7)～式(9)计算得到电热膜的输入功率P、电热转换效率η、发热量q；也即，根据光伏组件的发电量和电热膜的电热转换效率，确定电热膜的在墙体中的发热量；
P＝UI (7)
Figure FDA0004251649120000023
Figure FDA0004251649120000024
式中，U为电热膜的输入电压，伏；I为电热膜的输入电流，安培；η为墙体材料的导热系数，W/(m·K)；δ为墙体材料的厚度，m；△t为各层墙体的导热温差，℃；A为墙体的计算面积，m2。
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