CN116989377B - 一种太阳能采暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能采暖技术领域，具体涉及一种太阳能采暖系统，包括多维度自动追踪的太阳能收集器、热量储存器、热量分配器、智能控制单元；所述多维度自动追踪的太阳能收集器内含全光谱光热转换元件；所述太阳能收集器配置有双轴自动追踪系统，用于使收集器始终能对准太阳，最大化地利用太阳能；所述热量储存器采用复合相变材料作为储热介质，所述热量分配器基于自适应的热量调控算法，用于根据环境温度变化进行实时调整，根据用户的生活习惯预测需求；所述智能控制单元基于深度学习，本发明，在提高太阳能利用效率、改善热量储存和分配效果、增强系统智能性和舒适度以及保护环境等方面都有显著优势，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能采暖技术领域，尤其涉及一种太阳能采暖系统。
背景技术
随着社会对环保和可再生能源需求的增加，太阳能作为清洁、无污染的能源，越来越受到重视，太阳能采暖系统作为太阳能利用的一种重要方式，特别是在住宅供热和区域供热方面，由于气候变化和环保的压力，绿色、可持续的供热解决方案越来越受到社会各界的关注，在这种背景下，需要的太阳能采暖系统不仅需要有效解决传统系统的不足，还要使其适用于住宅和小型至中型社区的集中供热。
传统的太阳能采暖系统一般包括太阳能集热器、热量存储装置和热量分配系统，太阳能集热器主要用于收集太阳能并转化为热能，热量存储装置用于储存收集到的热能，而热量分配系统则根据需要将热能分配给各个需要加热的设备。
然而，这些传统的太阳能采暖系统存在几个主要的问题，首先，传统的太阳能集热器通常只能有效地收集特定波段的太阳光，对于全光谱的太阳光的利用效率较低，其次，传统的热量存储装置一般采用水或其他液体作为储热介质，这种储热方式的热量损失较大，不利于长时间的热量储存，最后，传统的热量分配系统往往缺乏足够的灵活性和智能性，无法根据环境条件和用户需求的变化进行实时的热量调控。
鉴于上述问题，提出了一种新的太阳能采暖系统，其采用全光谱光热转换元件来提高太阳能的收集效率，采用复合相变材料作为热量存储介质以减少热量损失，同时引入基于机器学习的自适应热量调控算法和双轴自动追踪系统，提高了系统的智能性和使用舒适度。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种太阳能采暖系统。
一种太阳能采暖系统，该系统包括多维度自动追踪的太阳能收集器、热量储存器、热量分配器、智能控制单元；
所述多维度自动追踪的太阳能收集器内含全光谱光热转换元件，所述全光谱光热转换元件采用新型纳米材料，与传统收集器相比；
所述太阳能收集器配置有双轴自动追踪系统，用于使收集器始终能对准太阳，最大化地利用太阳能；
所述热量储存器采用复合相变材料作为储热介质；
所述热量分配器基于自适应的热量调控算法，用于根据环境温度变化进行实时调整，根据用户的生活习惯预测需求，个性化进行温度控制，提高舒适度；
所述智能控制单元基于深度学习，可自我学习并优化整个系统的工作状态。
进一步的，所述全光谱光热转换元件具有光热转换特性，具体包括：
纳米吸光层：纳米吸光层采用新型纳米材料，该材料具有强大的光吸收能力和广泛的光谱响应，用于吸收太阳光中的可见光、红外光、紫外光，对太阳光进行全光谱的吸收和转换；
自适应结构：该结构用于根据入射光的光强和光谱自动调整材料的吸光特性，使全光谱光热转换元件在不同的环境条件下保持高效的光热转化效率；
热稳定层：用于保证全光谱光热转换元件在高温环境下的稳定性，该热稳定层可抵御高温，保证元件在高温下仍保持光电性能；
纳米反射层：用于提高光热转换效率，该反射层能反射未被吸收的太阳光回到纳米吸光层，对太阳光进行二次吸收，提高了光热转换效率。
进一步的，所述自适应结构由光强感应微结构和纳米材料组合组成，具体如下：
光强感应微结构：在纳米吸光层内，嵌入特殊光强感应微结构，该微结构用于感应到入射光的光强，当光强变化时，微结构会发生相应的形变，改变吸光层的吸光特性；
光谱感应纳米材料：该材料附着于纳米吸光层材料，其用于感应入射光的光谱，当光谱变化时，该材料自动调整其能带结构，改变其对不同光谱的吸收特性，以适应不同的光谱条件。
进一步的，
所述纳米吸光层的材料采用二硫化钼（MoS2），所述二硫化钼（MoS2）具有宽阔的吸收光谱，用于吸收从紫外到红外的广泛波长的光；
所述纳米吸光层的结构采用纳米颗粒阵列，该纳米颗粒阵列结构用于增加光与材料的相互作用，提高光的路径长度，从而提高吸光效率；
所述纳米吸光层基于金属薄膜作为稳定支撑结构；
所述热稳定层材料采用为无机材料或陶瓷材料；
所述无机材料包括氧化铝，氧化硅或氮化硅，无机材料用于在高温下保持稳定性以及光学性能；
所述陶瓷材料包括如氧化锆；
所述热稳定层的结构为均匀的薄膜，所述薄膜通过化学沉积方法在全光谱光热转换元件的表面形成：
所述纳米反射层材料为银（Ag）和二氧化硅（SiO2）；
所述纳米反射层的结构为一个薄膜结构，通过化学的沉积法在全光谱光热转换元件的底部形成，其制备方法如下：
准备基材：选择全光谱光热转换元件底部为基材，
物理溅射：将选定的材料通过物理溅射的方法沉积在基材上，形成一层纳米厚的膜；
刻蚀处理：使用湿化学刻蚀方法在沉积的膜上形成纳米孔等特殊结构，在纳米反射层上再沉积一层二氧化硅（SiO2）材料，以改变反射层的光学特性以保护反射层。
进一步的，所述热量分配器用于将全光谱光热转换元件收集到的热能，按照需要分配给不同的用热设备，从而进行热能的高效利用，具体包括：
热量探测器：用于精确测量全光谱光热转换元件收集到的热能，为热量分配提供准确的依据；
热量流控制阀：用于根据热量探测器的测量结果，调整热量的流向和流量，将热能精确地分配到不同的用热设备；
用户界面：通过用户界面设定热量分配的规则，查看当前的热量分配状态，进行热量分配的调整。
进一步的，所述自适应的热量调控算法用于根据环境温度和用户需求动态调整热量分配，其数据获取渠道具体包括：
环境感知模块：环境感知模块使用多种传感器实时获取环境参数，该参数被用于精确计算当前的热量需求；
用户行为学习模块：用于根据用户过去的热量使用记录，学习用户的生活习惯；
预测和优化模块：用于根据环境感知模块和用户行为学习模块的数据，预测未来的热量需求并优化热量分配；
反馈调整模块：算法根据实际的热量使用情况，不断调整预测和优化模块的参数，以提高预测的准确性和优化的效果。
进一步的，所述自适应热量调控算法采用基于回归模型的预测控制（ModelPredictive Control, MPC）算法，首先，通过对历史环境参数和用户热量使用行为数据收集，构建一个预测模型，该模型用于预测在给定的环境和热量分配条件下，未来的热量需求。
模型公式如下：y(t+1) = f(y(t), u(t), e(t))；
其中，
y(t)是当前的热量需求，包括暖气的需求、热水器的需求；
u(t)是当前的热量分配，包括分配给暖气的热量、分配给热水器的热量；
e(t)是当前的环境参数，包括环境温度、湿度；
f()是预测模型，基于支持向量机的机器学习方法来学习；
进而，需要优化的目标函数为：
J(u)=∑[r(t)-y(t+1)]∧2；
其中，r(t)是在时刻t的热量需求预测，目标是最小化预测的热量需求和实际的热量需求之间的差距；
在每个时刻t，均通过优化目标函数来计算出最优的热量分配u(t)，通过梯度下降法计算最优的热量分配u(t)：
u(t)=u(t)-α▽J(u)；
其中，α是学习率，▽J(u)是目标函数J(u)关于u的梯度。
进一步的，热量分配器还包括温控器、循环泵、应急加热装置，
所述温控器，用于自动调节室内温度，以保持恒定的室内环境；
所述循环泵，用于推动热量通过系统的热管道流动。
进一步的，所述应急加热装置包括：
辅助热源：包括电热元件、燃气炉，用于在太阳能热量供应不足时，辅助热源被启动，产生额外的热量来补充系统的热量供应；
热量传输元件：热量传输元件用于将辅助热源产生的热量传输到系统的其他部分；
安全保护系统：包括过热保护和过流保护，用于当应急加热装置的温度或电流超过预设的安全值时，安全保护系统自动切断电源或燃气供应，保护设备和用户的安全。
进一步的，所述复合相变材料包括硅藻土和硬脂酸盐。
本发明的有益效果：
本发明，通过采用全光谱光热转换元件，系统可以有效地利用全光谱的太阳能，不仅大幅提高了太阳能的收集效率，使得住宅或区域供热系统仍能保持高效的热能输出，即使在季节变化或不同天气条件下，住户和社区仍可以依赖这一系统作为主要或补充的热量来源，同时复合相变材料的使用，实现了高效的热量储存，由硅藻土和硬脂酸盐复合而成的相变材料不仅具有出色的热传导性能，还能在需要时释放更多的储存热量，无论是单一住宅还是整个社区，在夜间或阴天等太阳能不足的时候，也能保证持续稳定的热量供应。
本发明，通过基于深度学习的自适应热量调控算法，系统可以实时地根据环境温度和用户习惯进行热量调控，实现个性化的温度控制，提高用户的舒适度，在太阳能热量供应不足时，热量分配器中的应急加热装置可以提供额外的热量，确保系统的热量供应稳定性，提高用户体验，通过双轴自动追踪系统，系统能够始终保持最佳的太阳光接收角度，进一步提高了太阳能的利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统逻辑示意图；
图2为本发明实施例的自适应的热量调控算法数据获取渠道示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1-图2所示，一种太阳能采暖系统，该系统包括多维度自动追踪的太阳能收集器、热量储存器、热量分配器、智能控制单元；
多维度自动追踪的太阳能收集器内含全光谱光热转换元件，全光谱光热转换元件采用新型纳米材料，与传统收集器相比，不仅能太阳能进行更高效的捕获和转换，而且对于低照度的环境也具有优秀的适应性；
太阳能收集器配置有双轴自动追踪系统，用于使收集器始终能对准太阳，最大化地利用太阳能；
热量储存器采用复合相变材料作为储热介质，这种材料在相变过程中可以储存与释放大量的潜热，相对于传统的储热材料，可以在同样的体积下储存更多的热量；
热量分配器基于自适应的热量调控算法，用于根据环境温度变化进行实时调整，根据用户的生活习惯预测需求，个性化进行温度控制，提高舒适度；
智能控制单元基于深度学习，可自我学习并优化整个系统的工作状态，既提高了采暖效率，又大幅度提升了用户使用体验。
全光谱光热转换元件具有光热转换特性，具体包括：
纳米吸光层：纳米吸光层采用新型纳米材料，该材料具有强大的光吸收能力和广泛的光谱响应，用于吸收太阳光中的可见光、红外光、紫外光，对太阳光进行全光谱的吸收和转换；
自适应结构：该结构用于根据入射光的光强和光谱自动调整材料的吸光特性，使全光谱光热转换元件在不同的环境条件下保持高效的光热转化效率；
热稳定层：用于保证全光谱光热转换元件在高温环境下的稳定性，该热稳定层可抵御高温，保证元件在高温下仍保持光电性能；
纳米反射层：用于提高光热转换效率，该反射层能反射未被吸收的太阳光回到纳米吸光层，对太阳光进行二次吸收，提高了光热转换效率；
这四部分相互配合，使得全光谱光热转换元件具有广泛的光谱响应，高效的光热转换效率，以及优良的环境适应性和稳定性，是太阳能采暖系统的关键技术。
具体的，其利用纳米材料强大的光吸收和高效的光热转化能力，对太阳光全光谱进行吸收和转换，在该过程中，全光谱光热转换元件可以将入射的太阳光中的可见光、红外光甚至紫外光等全部或者大部分转化为热能，大大提高了太阳能的利用效率。
更具创新性的是，这种全光谱光热转换元件还设计了光敏自适应结构，可以在不同光强和光谱条件下，自动调整其吸光特性，使得在不同环境下都能保持高效的光热转化效率。例如，当入射光强较弱时，例如阴天或者日出日落时，全光谱光热转换元件会通过调整其内部纳米结构，提高对低强度光的吸收，从而确保系统在低光照环境下仍能保持良好的工作状态。
此外，全光谱光热转换元件还采用了热稳定设计，能够在高温环境下保持稳定的物理性能和光电性能，从而保证在高温环境下，例如夏季强烈阳光下，系统仍然可以安全、稳定地工作。
总的来说，这种全光谱光热转换元件具有广泛的光谱响应，高效的光热转化，优良的环境适应性和稳定性，是该太阳能采暖系统的关键技术，为系统的高效运行提供了强有力的保证。
自适应结构由光强感应微结构和纳米材料组合组成，具体如下：
光强感应微结构：在纳米吸光层内，嵌入特殊光强感应微结构，该微结构用于感应到入射光的光强，当光强变化时，微结构会发生相应的形变，改变吸光层的吸光特性，比如，在阳光强烈时，微结构会扩张，降低吸光层的光吸收，避免过热；在阳光弱时，微结构会收缩，增加吸光层的光吸收，保证充足的热量收集；
光谱感应纳米材料：该材料附着于纳米吸光层材料，其用于感应入射光的光谱，当光谱变化时，该材料自动调整其能带结构，改变其对不同光谱的吸收特性，以适应不同的光谱条件；
通过上述的光强感应微结构和光谱感应纳米材料，全光谱光热转换元件实现了对环境光条件的自适应调整，使得在不同的环境条件下，例如太阳光的光强和光谱发生变化时，都能保持高效的光热转换效率。这种自适应结构的设计，不仅提高了光热转换效率，同时也保证了系统的稳定运行，避免了因环境变化而导致的性能下降。
纳米吸光层的具体材料和结构取决于许多因素，包括环境条件、预期的工作温度、预期的光吸收和反射率等，这一层的关键目标是以纳米级别的精度有效地吸收和转换太阳光的全光谱；
所述纳米吸光层的材料采用二硫化钼（MoS2），所述二硫化钼（MoS2）具有宽阔的吸收光谱，用于吸收从紫外到红外的广泛波长的光，此外，也可以采用纳米复合材料，例如硅基的纳米粒子、金/银的纳米粒子等，它们具有特殊的局部表面等离子共振（LSPR）性质，可以被调制来吸收特定波长的光；
所述纳米吸光层的结构采用纳米颗粒阵列，该纳米颗粒阵列结构用于增加光与材料的相互作用，提高光的路径长度，从而提高吸光效率，此外，这些结构也可以通过调整其形状、尺寸和排列来优化其对特定波长的光的吸收。
所述纳米吸光层基于金属薄膜作为稳定支撑结构。
热稳定层的目标是保证全光谱光热转换元件在高温环境下的稳定性，对于这一层的选择，必须保证它能抵抗高温，且不会在高温下损失其光电性能。它需要具备良好的热稳定性，优秀的光学性能（如高透明度，低反射率），以及良好的机械强度和化学稳定性。
所述热稳定层材料采用为无机材料或陶瓷材料；
所述无机材料包括氧化铝，氧化硅或氮化硅，无机材料用于在高温下保持稳定性以及光学性能；
所述陶瓷材料包括如氧化锆；
所述热稳定层的结构为均匀的薄膜，所述薄膜通过化学沉积方法（如化学气相沉积，溅射，电子束蒸发等）在全光谱光热转换元件的表面形成，其厚度足够防止高温对下层材料造成损伤，但也不能太厚，以免阻碍光的传输；
总的来说，热稳定层的设计和选择需要兼顾到光学性能，热稳定性，以及对全光谱光热转换元件的保护作用。
纳米反射层的主要功能是提高光热转换效率，它能反射未被纳米吸光层吸收的太阳光回到纳米吸光层，实现太阳光的二次吸收，从而提高了光热转换效率。以下是对纳米反射层的具体材料和结构的一些描述：
所述纳米反射层材料为银（Ag）和二氧化硅（SiO2）；
所述纳米反射层的结构为一个薄膜结构，通过化学的沉积法在全光谱光热转换元件的底部形成，其制备方法如下：
准备基材：选择全光谱光热转换元件底部为基材，
物理溅射：将选定的材料通过物理溅射的方法沉积在基材上，形成一层纳米厚的膜；
刻蚀处理：使用湿化学刻蚀方法在沉积的膜上形成纳米孔等特殊结构，在纳米反射层上再沉积一层二氧化硅（SiO2）材料，以改变反射层的光学特性以保护反射层。
双轴自动追踪系统具体包括：
轨迹预测模块：利用精确天文算法，预测太阳在天空中的运动轨迹，该模块考虑地球的自转、公转、倾斜因素，预测出太阳在任何时间、任何地点天空中的精确位置；
双轴驱动机构：包括一个水平轴驱动器和一个垂直轴驱动器，分别控制太阳能收集器在水平方向和垂直方向的旋转，水平轴驱动器、垂直轴驱动器独立工作或联合工作，使太阳能收集器在两个方向上进行精确的角度调整；
角度反馈装置：采用高精度角度传感器，实时反馈太阳能收集器的朝向，为驱动机构提供准确的反馈信息，确保太阳能收集器能精确地对准太阳；
根据轨迹预测模块的预测结果和角度反馈装置的反馈信息，智能控制单元精确控制双轴驱动机构，使太阳能收集器始终面向太阳；
双轴自动追踪系统的设计，使得太阳能收集器始终能对准太阳，从而最大化地利用太阳能。同时，由于采用了高精度的角度传感器和智能控制单元，系统的追踪精度高，响应速度快，使得在快速变化的天气条件下，例如云层快速移动时，系统仍能保持良好的追踪性能。
热量分配器用于将全光谱光热转换元件收集到的热能，按照需要分配给不同的用热设备，从而进行热能的高效利用，具体包括：
热量探测器：用于精确测量全光谱光热转换元件收集到的热能，为热量分配提供准确的依据；
热量流控制阀：用于根据热量探测器的测量结果，调整热量的流向和流量，将热能精确地分配到不同的用热设备；
用户界面：通过用户界面设定热量分配的规则，查看当前的热量分配状态，进行热量分配的调整；
智能控制单元根据用户的设定和实时的热量需求，控制热量流控制阀的工作，从而实现智能的热量分配。例如，用户可以设定在白天主要给热水器供热，晚上主要给暖气供热，智能控制单元能够自动实现这种热量分配。
自适应的热量调控算法用于根据环境温度和用户需求动态调整热量分配，其数据获取渠道具体包括：
环境感知模块：环境感知模块使用多种传感器实时获取环境参数，该参数被用于精确计算当前的热量需求，例如，冬天低温时，需求更多的热量进行供暖；而在湿度较高的时候，可能需要更多的热量用于烘干等；
用户行为学习模块：用于根据用户过去的热量使用记录，学习用户的生活习惯，例如，如果用户在每个工作日的早上都需要热水洗澡，算法会学习到这一习惯，并在未来的工作日早上自动提高热水器的热量供应；
预测和优化模块：用于根据环境感知模块和用户行为学习模块的数据，预测未来的热量需求并优化热量分配，例如，如果预测到明天会有一场雪，它可能会提前增加供暖的热量；如果预测到用户明天会在家工作，它可能会提前准备足够的热水；
反馈调整模块：算法根据实际的热量使用情况，不断调整预测和优化模块的参数，以提高预测的准确性和优化的效果；
通过这四个模块的协同工作，自适应的热量调控算法可以实现对环境温度变化的实时响应，对用户生活习惯的学习和预测，以及对热量分配的智能优化。这种算法不仅可以提高热量利用的效率，也能为用户提供舒适、个性化的温度环境。
自适应热量调控算法采用基于回归模型的预测控制（Model PredictiveControl, MPC）算法，首先，通过对历史环境参数和用户热量使用行为数据收集，构建一个预测模型，该模型用于预测在给定的环境和热量分配条件下，未来的热量需求。
模型公式如下：y(t+1) = f(y(t), u(t), e(t))；
其中，
y(t)是当前的热量需求，包括暖气的需求、热水器的需求；
u(t)是当前的热量分配，包括分配给暖气的热量、分配给热水器的热量；
e(t)是当前的环境参数，包括环境温度、湿度；
f()是预测模型，基于支持向量机的机器学习方法来学习；
进而，需要优化的目标函数为：
J(u)=∑[r(t)-y(t+1)]∧2；
其中，r(t)是在时刻t的热量需求预测，目标是最小化预测的热量需求和实际的热量需求之间的差距；
在每个时刻t，均通过优化目标函数来计算出最优的热量分配u(t)，通过梯度下降法计算最优的热量分配u(t)：
u(t)=u(t)-α▽J(u)；
其中，α是学习率，▽J(u)是目标函数J(u)关于u的梯度；
通过这个自适应热量调控算法，太阳能采暖系统能够根据环境温度变化进行实时调整，同时也能根据用户的生活习惯预测需求，实现个性化的温度控制。这个算法使得系统不仅能高效地利用太阳能，还能提供用户舒适的生活环境。
热量分配器还包括温控器、循环泵、应急加热装置，
温控器，用于自动调节室内温度，以保持恒定的室内环境；
循环泵，用于推动热量通过系统的热管道流动。
应急加热装置包括：
辅助热源：包括电热元件、燃气炉，用于在太阳能热量供应不足时，辅助热源被启动，产生额外的热量来补充系统的热量供应；
热量传输元件：热量传输元件用于将辅助热源产生的热量传输到系统的其他部分；
安全保护系统：包括过热保护和过流保护，用于当应急加热装置的温度或电流超过预设的安全值时，安全保护系统自动切断电源或燃气供应，保护设备和用户的安全；
智能控制单元检测太阳能热量的供应情况，并根据需求启动或关闭辅助热源，智能控制单元通过温度传感器、流量传感器设备来获取太阳能供热的实时状态。当控制系统检测到太阳能供热不足时，它会自动启动辅助热源；当太阳能供热恢复正常时，它会自动关闭辅助热源。
通过这个应急加热装置，太阳能采暖系统能够在太阳能供热不足时提供稳定、安全的热量供应，确保用户的舒适度和系统的安全性。
复合相变材料包括硅藻土和硬脂酸盐，
硅藻土是一种具有优良的热稳定性和热导率的天然矿物，其微孔结构能够提供良好的热量吸收和传输能力。而硬脂酸盐是一种相变材料，其在特定的温度范围内会发生固-液相变，这个过程中会吸收或释放大量的潜热，从而起到热量储存和调节的作用。
在复合相变材料中，硅藻土和硬脂酸盐被均匀地混合在一起。在太阳能加热的过程中，硅藻土能够快速地吸收和传输热量，使得硬脂酸盐迅速地吸热并融化，储存大量的热量。在太阳能供热不足的时候，硬脂酸盐会慢慢地凝固，释放出储存的热量，从而保持系统的热量供应。
这种复合相变材料不仅具有高效的热量储存和调节能力，而且其成分均为环保无污染的天然材料，符合当前的绿色能源和环保的发展趋势，热量储存器还包括一个热感应器，用于监控储存器的热量水平，并根据该水平调整热泵的操作。
为了验证本发明的太阳能采暖系统的可实施性和性能，进行了以下试验测试。
全光谱光热转换元件性能测试：
在一天的不同时间段（包括早晨、中午和傍晚）对全光谱光热转换元件进行测试，以观察其在不同太阳光入射角度下的光热转换效率。结果显示，全光谱光热转换元件的光热转换效率始终保持在高水平，表明其可以有效地吸收全光谱的太阳光，并且其自适应结构能够根据太阳光的入射角度自动调整，以保持最佳的光热转换效率。
复合相变材料储热性能测试：
将复合相变材料暴露在太阳光下，并记录其在不同时间段的温度，以观察其储热能力。结果显示，复合相变材料的温度在太阳光照射下快速升高，并在太阳光消失后仍然保持较高的温度，表明其具有良好的热储存能力。
自适应热量调控算法性能测试：
通过模拟不同的环境温度和用户习惯，来观察自适应热量调控算法的调控性能。结果显示，自适应热量调控算法能够根据不同的环境温度和用户习惯，实时调整热量分配器的工作参数，以满足用户的温度需求。
双轴自动追踪系统性能测试：
在一天的不同时间段观察双轴自动追踪系统的工作状态，以验证其能否始终使全光谱光热转换元件对准太阳。结果显示，无论太阳处于什么位置，双轴自动追踪系统都能够调整全光谱光热转换元件的位置，使其始终对准太阳，表明其能够有效地获取最大的太阳能。
以上实验结果均验证了本发明的太阳能采暖系统的可实施性和良好性能，表明本发明是完全可行的。
为了更好地说明本发明的效果，以下将根据实验数据进行详述。
全光谱光热转换元件：实验数据显示，本发明采用的全光谱光热转换元件在太阳光的全光谱范围内都表现出高效的光热转换效率。在早晨，其转换效率达到90%；中午，其转换效率达到95%；傍晚，其转换效率仍然保持在90%。这明显优于传统太阳能采暖系统的转换效率，通常只能达到70%-80%。这种提高是由于全光谱光热转换元件的特殊结构和材料实现的，这是本发明的一大创新点。
复合相变材料：实验数据显示，当暴露在太阳光下时，复合相变材料的温度可以迅速升高到65℃，并且在太阳光消失后，其温度仍然可以保持在55℃以上长达12小时。这表明本发明的复合相变材料具有出色的热储存能力，远远超过传统的热储存材料，这也是本发明的一大创新点。
自适应热量调控算法：通过模拟不同环境温度和用户习惯，实验数据显示自适应热量调控算法可以在短时间内准确地预测并调整热量分配，以满足用户的温度需求。这使得本发明的太阳能采暖系统不仅可以根据环境温度变化进行实时调整，还能根据用户的生活习惯预测需求，实现个性化的温度控制，这是本发明的另一大创新点。
双轴自动追踪系统：实验数据显示，无论太阳处于什么位置，双轴自动追踪系统都能够调整全光谱光热转换元件的位置，使其始终对准太阳。这使得全光谱光热转换元件始终能够获得最大的太阳能，从而大大提高了太阳能的利用效率。
本发明的关键性能指标计算如下：
1.光热转换效率：
光热转换效率通过以下的比值计算：
；
在实验中，测量在确定的时间段内，接收到的总光能以及被转化为热能的光能，其中，早晨接收到的总光能为1000J，实际转化为热能的光能为900J；中午接收到的总光能为1100J，实际转化为热能的光能为1045J；傍晚接收到的总光能为950J，实际转化为热能的光能为855J，因此，
；
；
。
2.复合相变材料热储存温度：
直接测量得到的参数，使用温度传感器或热电偶直接监测材料的温度，记录在日光下的最高温度和在夜晚的温度，记录得到日间为65℃，夜间为55℃。
3.用户需求预测准确度：
计算方式为：
；
通过采集的用户需求的数据集来计算准确度，总的预测次数为 1000次，其中正确的预测次数为 980次，因此，
。
4.太阳能利用效率：
与光热转换效率相似，但还涉及其他效率损失，如系统散热、传输损失等，因此，其计算公式为：
；
测量在确定的时间段内接收到的太阳能和被系统实际利用的太阳能，其中，接收到的总太阳能为2000J，实际利用的太阳能为1900J，因此，
。
以下的数据表格，分别描述了本发明与现有技术在关键性能指标上的对比：
光热转换效率：本发明在各个时间段（早晨，中午和傍晚）的光热转换效率均高于现有技术，显著提高了太阳能的利用率。
复合相变材料热储存温度：本发明的复合相变材料在日间和夜间的热储存温度均显著高于现有技术，从而能够提供更持久的热量。
用户需求预测准确度：通过自适应热量调控算法，本发明的用户需求预测准确度达到98%，显著高于现有技术，能更好地满足用户需求。
太阳能利用效率：通过双轴自动追踪系统，本发明的太阳能利用效率达到95%，显著高于现有技术。
以上数据明确地显示了本发明在关键性能指标上的显著优势，展现了其在太阳能采暖系统领域的显著创新性。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太阳能采暖系统，其特征在于，该系统包括多维度自动追踪的太阳能收集器、热量储存器、热量分配器、智能控制单元；
所述多维度自动追踪的太阳能收集器内含全光谱光热转换元件，所述全光谱光热转换元件采用新型纳米材料，且全光谱光热转换元件具有光热转换特性，具体包括：
纳米吸光层：纳米吸光层采用新型纳米材料，该材料具有强大的光吸收能力和广泛的光谱响应，用于吸收太阳光中的可见光、红外光、紫外光，对太阳光进行全光谱的吸收和转换；
自适应结构：该结构用于根据入射光的光强和光谱自动调整材料的吸光特性，使全光谱光热转换元件在不同的环境条件下保持高效的光热转化效率，所述自适应结构由光强感应微结构和纳米材料组合组成，具体如下：
光强感应微结构：在纳米吸光层内，嵌入特殊光强感应微结构，该微结构用于感应到入射光的光强，当光强变化时，微结构会发生相应的形变，改变吸光层的吸光特性；
光谱感应纳米材料：该材料附着于纳米吸光层材料，其用于感应入射光的光谱，当光谱变化时，该材料自动调整其能带结构，改变其对不同光谱的吸收特性，以适应不同的光谱条件；
热稳定层：用于保证全光谱光热转换元件在高温环境下的稳定性，该热稳定层可抵御高温，保证元件在高温下仍保持光电性能；
纳米反射层：用于提高光热转换效率，该反射层能反射未被吸收的太阳光回到纳米吸光层，对太阳光进行二次吸收，提高了光热转换效率；
所述太阳能收集器配置有双轴自动追踪系统，用于使收集器始终能对准太阳，最大化地利用太阳能；
所述热量储存器采用复合相变材料作为储热介质；
所述热量分配器基于自适应的热量调控算法，所述自适应的热量调控算法用于根据环境温度和用户需求动态调整热量分配，其数据获取渠道具体包括：
环境感知模块：环境感知模块使用多种传感器实时获取环境参数，环境参数包括温度、湿度，该参数被用于精确计算当前的热量需求；
用户行为学习模块：用于根据用户过去的热量使用记录，学习用户的生活习惯；
预测和优化模块：用于根据环境感知模块和用户行为学习模块的数据，预测未来的热量需求并优化热量分配；
反馈调整模块：算法根据实际的热量使用情况，不断调整预测和优化模块的参数，以提高预测的准确性和优化的效果；
所述智能控制单元基于深度学习，可自我学习并优化整个系统的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于；所述纳米吸光层的材料采用二硫化钼，所述二硫化钼具有宽阔的吸收光谱，用于吸收从紫外到红外的广泛波长的光；
所述纳米吸光层的结构采用纳米颗粒阵列，该纳米颗粒阵列结构用于增加光与材料的相互作用，提高光的路径长度，从而提高吸光效率；
所述纳米吸光层基于金属薄膜作为稳定支撑结构；
所述热稳定层材料采用为无机材料或陶瓷材料；
所述无机材料包括氧化铝，氧化硅或氮化硅，无机材料用于在高温下保持稳定性以及光学性能；
所述陶瓷材料包括如氧化锆；
所述热稳定层的结构为均匀的薄膜，所述薄膜通过化学沉积方法在全光谱光热转换元件的表面形成；
所述纳米反射层材料为银和二氧化硅；
所述纳米反射层的结构为一个薄膜结构，通过化学的沉积法在全光谱光热转换元件的底部形成，其制备方法如下：
准备基材：选择全光谱光热转换元件底部为基材，
物理溅射：将选定的材料通过物理溅射的方法沉积在基材上，形成一层纳米厚的膜；
刻蚀处理：使用湿化学刻蚀方法在沉积的膜上形成纳米孔等特殊结构，在纳米反射层上再沉积一层二氧化硅材料，以改变反射层的光学特性以保护反射层。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于，所述热量分配器用于将全光谱光热转换元件收集到的热能，按照需要分配给不同的用热设备，从而进行热能的高效利用，具体包括：
热量探测器：用于精确测量全光谱光热转换元件收集到的热能，为热量分配提供准确的依据；
热量流控制阀：用于根据热量探测器的测量结果，调整热量的流向和流量，将热能精确地分配到不同的用热设备；
用户界面：通过用户界面设定热量分配的规则，查看当前的热量分配状态，进行热量分配的调整。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于，所述自适应热量调控算法采用基于回归模型的预测控制算法，首先，通过对历史环境参数和用户热量使用行为数据收集，构建一个预测模型，该模型用于预测在给定的环境和热量分配条件下，未来的热量需求；
模型公式如下：y(t+1) = f(y(t), u(t), e(t))；
其中，
y(t)是当前的热量需求，包括暖气的需求、热水器的需求；
u(t)是当前的热量分配，包括分配给暖气的热量、分配给热水器的热量；
e(t)是当前的环境参数，包括环境温度、湿度；
f()是预测模型，基于支持向量机的机器学习方法来学习；
进而，需要优化的目标函数为：
J(u)=∑[r(t)-y(t+1)]∧2；
其中，r(t)是在时刻t的热量需求预测，目标是最小化预测的热量需求和实际的热量需求之间的差距；
在每个时刻t，均通过优化目标函数来计算出最优的热量分配u(t)，通过梯度下降法计算最优的热量分配u(t)：
u(t)=u(t)-α▽J(u)；
其中，α是学习率，▽J(u)是目标函数J(u)关于u的梯度。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于，热量分配器还包括温控器、循环泵、应急加热装置，
所述温控器，用于自动调节室内温度，以保持恒定的室内环境；
所述循环泵，用于推动热量通过系统的热管道流动。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于，所述应急加热装置包括：
辅助热源：包括电热元件、燃气炉，用于在太阳能热量供应不足时，辅助热源被启动，产生额外的热量来补充系统的热量供应；
热量传输元件：热量传输元件用于将辅助热源产生的热量传输到系统的其他部分；
安全保护系统：包括过热保护和过流保护，用于当应急加热装置的温度或电流超过预设的安全值时，安全保护系统自动切断电源或燃气供应，保护设备和用户的安全。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能采暖系统，其特征在于，所述复合相变材料包括硅藻土和硬脂酸盐。
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