一种可变倾角的温室保温被太阳能集热系统及方法

技术领域

本发明涉及农业太阳能热利用领域，具体涉及一种可变倾角的温室保温被太阳能集热系统及方法。

背景技术

随着太阳能蓄热技术的不断成熟，温室中对太阳能蓄热的利用得到普遍发展，成为了提高温室中太阳能利用的重要手段，也是发展现代设施装备不可或缺的一部分，但与此同时，目前温室中存在的太阳能利用技术存在着占用温室种植面积，占用温室蓄热面积，遮挡温室内的采光，功耗高，利用效果较差等问题，因此发展新的集热系统势在必行。

发明内容

针对现有技术中提到的问题，本发明提出一种提高了温室太阳能利用及增加了温室内热量的输入和存储的可变倾角的温室保温被太阳能集热系统及利用方法，并针对该系统提出了应用方法及运行策略。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种可变倾角的温室保温被太阳能集热系统，包括温室，其特殊之处在于：所述可变倾角的温室保温被太阳能集热系统包括集热模块，集热模块设置在温室顶部，集热模块一端通过供水管与冷介质储水箱相连，另一端通过回水管与热介质储水箱相连，冷介质储水箱设置在温室底部地下，热介质储水箱设置在温室底部地上，冷介质储水箱与热介质储水箱之间通过散热管道相连，集热模块包括真空集热管、联箱、扰流板、框架、集热器支点、活动连接处、集热器支架、齿轮齿条和步进电机，真空集热管两端分别位于联箱和框架内，真空集热管内部设有扰流板，通过扰流板将真空集热管分为进水通道和出水通道，使真空集热管串联在一起，框架通过集热器支点与集热器支架连接在一起，框架通过活动连接处和齿轮齿条与集热器支架连接在一起，齿轮齿条与步进电机连接，集热器支架设置在温室外侧，框架的集热器支点和活动连接处均可旋转。

进一步的，温室顶部设置有保温被，集热模块设置在保温被卷曲后上部。

进一步的，框架采用刚性材料制成的水平框架，框架底部设有集热器支撑脚，集热器支撑脚放置后与温室骨架接触。

进一步的，集热模块为多组，均布在温室顶部。

进一步的，供水管上依次安装有水泵和第一电磁阀，散热管道上依次安装有温控阀、第二电磁阀和第三电磁阀。

进一步的，可变倾角的温室保温被太阳能集热系统还包括三个泄压阀，三个泄压阀分别为位于冷介质储水箱顶部的第一泄压阀、位于热介质储水箱顶部的第二泄压阀和位于集热模块顶部的第三泄压阀。

进一步的，可变倾角的温室保温被太阳能集热系统还包括三个温度传感器，三个温度传感器分别为监测集热模块温度的第一温度传感器、监测温室内温度第二温度传感器和监测热介质储水箱温度的第三温度传感器。

进一步的，热介质储水箱和冷介质储水箱的壳体结构相同，均为多层结构，由外向内依次为外壳、填充材料、复合层、气凝胶层和内胆，外壳为高密度EPS保温板或真空板并接有刚性支撑骨架，填充材料采用珍珠岩或气泡砂浆，复合层由橡塑保温棉、隔热棉和废旧保温被组成，气凝胶层内的气凝胶可采用空心陶瓷微珠或SiO2气凝胶，内胆外层涂有耐高温隔热保温涂料，热介质水箱内还设置有电加热丝、相变材料和水箱扰流板，电加热丝和相变材料竖向设置在热介质水箱内，水箱扰流板横向设置在热介质水箱内。

进一步的，热介质储水箱为两个，分为第一热介质储水箱和第二热介质储水箱，可变倾角的温室保温被太阳能集热系统还包括第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀、第八电磁阀和第九电磁阀，第四电磁阀位于第一热介质储水箱和第二热介质储水箱间的连接管道上，起阻断和连接第一、二热介质储水箱的作用，第五电磁阀位于连接第一热介质储水箱和散热管道的连接管上，起控制第一热介质储水箱是否输出热水的作用，第六电磁阀位于连接供水管和散热管道的连接管上，在夜间放热，冷介质储水箱中冷水进入到第一或第二热介质储水箱时，起封闭管道的作用，第七电磁阀位于连接冷介质储水箱和第一热介质储水箱的连接管上，起控制冷水是否进入第一热介质储水箱的作用，第八电磁阀位于连接冷介质储水箱和第二热介质储水箱的连接管上，起控制冷水是否进入第二热介质储水箱的作用，第九电磁阀位于供水管上，在夜间放热，冷介质储水箱中冷水进入到第一或第二热介质储水箱时，起封闭供水管，使水不进入集热模块的作用。

一种利用上述的可变倾角的温室保温被太阳能集热系统的方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)白天第一集热阶段：白天清晨，步进电机启动，集热模块以集热器支点为支点抬起，随后保温被的卷起，集热模块以集热器支点为支点落下，系统开始运行，温室环境温度≤28℃时，开启水泵、第一电磁阀和第二泄压阀，关闭第二电磁阀、第三电磁阀、第一泄压阀和第三泄压阀，使冷介质储水箱中的水通过供水管充满集热模块，集热模块吸收太阳辐射转化为热能储存在水中，第一温度传感器监测集热模块中水的温度T

2)白天第二集热阶段：随着时间推移和系统运行，温室环境温度＞28℃时。开启水泵、第三电磁阀和第二泄压阀，关闭第一电磁阀、第二电磁阀、第一泄压阀和第三泄压阀，使冷介质储水箱中的水通过散热管道进入供水管充满集热模块，集热模块吸收太阳辐射转化为热能储存在水中，第一温度传感器监测集热模块中水的温度T

3)泄压排水阶段：下午，光照减弱，保温被需要覆盖时，集热模块中的热水经过第一或第二集热阶段进入热介质储水箱中储存后，开启第一泄压阀、第二泄压阀和第三泄压阀，步进电机带动集热模块逆时针转动，此时集热模块、供水管和回水管中的水由于重力作用分别回到冷介质储水箱和热介质储水箱中，关闭第三泄压阀，保温被铺放，集热模块放下；

4)夜间放热阶段：夜间温室内温度降低，第三温度传感器检测热介质储水箱中热水温度T

本发明提供的一种可变倾角的温室保温被太阳能集热系统及方法改变了过去集热模块安放在室内或室外出现占用用地面积的现象，而选择将集热模块安放在卷起后的保温被位置处，充分合理地提高了温室的利用空间且不占用地面积，也增加了温室外太阳辐射的利用；同时，冷介质储水箱和热介质储水箱的上下高度差设计，在进行供热时，依靠高度差，可以零功耗运行；通过电磁阀进行水流控制，白天集热阶段还可以通过散热管道带走温室热量，增加温室内热量的利用效率；可变倾角的集热器设计可以更好的接受太阳辐射，并收纳保温被于集热器下方，减少对温室的遮光；真空管内扰流板的设计，可以最大程度地保证热水的排出，相较于自然对流具有更高的换热能力；散热管道的设计，可以散热的同时承担运输轨道的作用；夜间泄压排水的设计，减轻步进电机压力和保证系统结构稳定的同时，可以很好地避免液体受冻泄漏对保温被和真空集热管造成的损害；热介质储水箱中水箱扰流板和多层设计，以及相变材料环形设计可以使水分层，保持水箱温度稳定；双热介质储水箱的设计可以充分利用相变材料中的热量，提供电加热丝的加热时间，使热量能够延时储存、及时供热。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的集热模块结构示意图；

图3为本发明保温被卷起后集热模块位置示意图；

图4为本发明保温被卷起或铺放过程集热模块位置示意图；

图5为本发明的冷介质储水箱结构示意图；

图6为本发明的热介质储水箱结构示意图；

图7为本发明白天第一集热阶段流体走向示意图；

图8为本发明白天第二集热阶段流体走向示意图；

图9为本发明夜间放热阶段流体走向示意图；

图10为本发明升级为双热介质储水箱时结构示意图。

附图标记说明如下：

1、集热模块；101、真空集热管；102、联箱；103、扰流板；104、框架；105、集热器支撑脚；106、集热器支点；107、活动连接处；108、集热器支架；109、齿轮齿条；110、步进电机；2、冷介质储水箱；3、第一热介质储水箱；301、外壳；302、填充材料；303、复合层；304、气凝胶层；305、内胆；306、相变材料；307、电加热丝；308、水箱扰流板；4、散热管道；5、回水管；6、供水管；7、水泵；8、第三电磁阀；9、第一电磁阀；10、温控阀；11、第二电磁阀；12、第一温度传感器；13、保温被；14、第一泄压阀；15、第二泄压阀；16、第三泄压阀；17、第二温度传感器；18、第三温度传感器；19、第二热介质储水箱；20、第四电磁阀；21、第七电磁阀；22、第八电磁阀；23、第五电磁阀；24、第六电磁阀；25、第九电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1-4，本发明一种可变倾角的温室保温被太阳能集热系统具体实施例的结构如下：

温室顶部安装有可变倾角的温室保温被太阳能的集热模块1，并通过管道连接冷介质储水箱2和热介质储水箱3共同构成了温室保温被太阳能集热系统。集热模块1设置在保温被13卷曲后上部，其中，集热模块1一端通过供水管6与冷介质储水箱2相连，另一端通过回水管5与热介质储水箱3相连，冷介质储水箱2和热介质储水箱3分别位于温室底部地下和地上，并通过散热管道4相连。

集热模块1包括真空集热管101、联箱102、扰流板103、框架104、集热器支撑脚105、集热器支点106、活动连接处107，并通过集热器支架108、齿轮齿条109、步进电机110等结构固定于温室顶部，实现倾角变化。

真空集热管101两端分别位于联箱102和框架104内。真空集热管101内部设有扰流板103，通过扰流板103将真空管分为进水和出水通道，使真空集热管101串联在一起。

框架104采用刚性材料(如不锈钢)制成水平框架，并在底部设有集热器支撑脚105，集热器支撑脚105放置后与温室的棚体骨架接触，提供支撑。

框架104通过集热器支点106与集热器支架108连接在一起，框架104通过活动连接处107和齿轮齿条109与集热器支架108连接在一起。集热器支点106和活动连接处107均可旋转。

冷介质储水箱2和热介质储水箱3分别位于温室底部地下和地上，两者在数值方向上具有一定的高度差，冷介质储水箱2中的水流通过供水管6进入集热模块中，加热后的水通过回水管5进入热介质储水箱3暂存，夜间热水进入散热管道4放热后，返回冷介质储水箱2。

供水管6上还安装有水泵7和第一电磁阀9。

散热管道4上还安装有温控阀10、第二电磁阀11和第三电磁阀8。

该系统还包含三个泄压阀，三个泄压阀分别为位于冷介质储水箱2顶部的第一泄压阀14、位于热介质储水箱3顶部的第二泄压阀15和位于集热模块顶部的第三泄压阀16。

该系统还包含三个温度传感器，三个温度传感器分别为监测集热模块温度的第一温度传感器12、监测温室内温度第二温度传感器17和监测热介质储水箱温度的第三温度传感器18。

参见图5、6，冷介质储水箱2和热介质储水箱3的壳体结构相同，均具有多层保温结构，从外向内依次为外壳301、填充材料302、复合层303、气凝胶层304和内胆305，其中外壳301为高密度EPS保温板或真空板并有刚性支撑骨架，填充材料302采用珍珠岩或气泡砂浆，复合层303由橡塑保温棉、隔热棉和废旧保温被组成，气凝胶层304内的气凝胶可采用空心陶瓷(玻璃)微珠或SiO2气凝胶，内胆305外层涂有耐高温隔热保温涂料。

热介质储水箱3内还设置有相变材料306、电加热丝307和水箱扰流板308，电加热丝307和相变材料306竖向设置在热介质水箱3内，水箱扰流板308横向设置在热介质水箱3内。来弥补冬季雨雪天气所造成的太阳能效率低的问题。

参见图7-9，本发明的可变倾角的温室保温被太阳能集热系统的工作过程如下：

实施例1

集热模块1的抬放与倾角变化：如图5、6所示，步进电机110带动齿轮逆时针转动，从而使齿条下移，齿条与集热模块1的活动连接处107相连，由于活动连接处107和集热器支点106都为活动设计，因此集热模块1在齿条的拉力作用下以集热器支点106为支点逆时针旋转，使集热模块1抬起；同理步进电机110顺时针转动使集热模块1放下。白天集热器集热过程中，随太阳高度角的变化，集热模块1的倾角可以通过步进电机110的转动实现同步调整，保证最大程度的利用太阳辐射。

白天第一集热阶段：如图7所示，白天清晨，步进电机110启动，集热模块1以集热器支点106为支点抬起，随后保温被13的卷起，集热模块1以集热器支点106为支点落下，系统开始运行，温室环境温度≤28℃时。开启水泵7、第一电磁阀9和第二泄压阀15，关闭第二电磁阀11、第三电磁阀8、第一泄压阀14和第三泄压阀16，使冷介质储水箱2中的水通过供水管6充满集热模块1，集热模块1吸收太阳辐射转化为热能储存在水中。第一温度传感器12监测集热模块1中水的温度T

白天第二集热阶段：如图8所示，随着时间推移和系统运行，温室环境温度＞28℃时。开启水泵7、第三电磁阀8和第二泄压阀15，关闭第一电磁阀9、第二电磁阀11、第一泄压阀14和第三泄压阀16，使冷介质储水箱2中的水通过散热管道4进入供水管6充满集热模块1，集热模块1吸收太阳辐射转化为热能储存在水中。第一温度传感器12监测集热模块1中水的温度T

泄压排水阶段：下午，光照减弱，保温被13需要覆盖时，集热模块1中的热水经过第一或第二集热阶段进入热介质储水箱3中储存后，开启第一泄压阀14、第二泄压阀15和第三泄压阀16，步进电机110带动集热模块1逆时针转动，此时集热模块1、供水管6和回水管5中的水由于重力作用分别回到冷介质储水箱2和热介质储水箱3中，关闭第三泄压阀16，保温被13铺放，集热模块1放下。

夜间放热阶段：如图9所示，夜间温室内温度降低，第三温度传感器18监测热介质储水箱3中热水温度T

极端天气：如阴天或雨雪天气，集热模块不能正常运行或效率低下，冷介质储水箱2中的水进入到热介质水箱3中，利用相变材料306所储热量对水进行加热，甚至热介质储水箱3中电加热丝307运行，对热介质储水箱3中水进行加热来弥补冬季雨雪天气所造成的太阳能效率低的问题。

实施例2

本实施例与实施例1工作过程和原理基本相同，本实施例是在实施例1的基础上做的改进。实施例2中由实施例1中一个热介质储水箱升级为多个热介质储水箱，可以起到延时储存，及时供热的效果。

如图10所示，此处以两个热介质储水箱为例，分为第一热介质储水箱3和第二热介质储水箱19，可变倾角的温室保温被太阳能集热系统还包括第四电磁阀20、第五电磁阀23、第六电磁阀、第七电磁阀、第八电磁阀和第九电磁阀，第四电磁阀20位于第一热介质储水箱3和第二热介质储水箱间19的连接管道上，起阻断和连接第一热介质储水箱3和第二热介质储水箱间19的作用，第五电磁阀23位于连接第一热介质储水箱3和散热管道4的连接管上，起控制第一热介质储水箱3是否输出热水的作用，第六电磁阀24位于连接供水管6和散热管道4的连接管上，在夜间放热，冷介质储水箱2中冷水进入到第一热介质储水箱3或第二热介质储水箱19时，起封闭管道的作用，第七电磁阀21位于连接冷介质储水箱2和第一热介质储水箱3的连接管上，起控制冷水是否进入第一热介质储水箱3的作用，第八电磁阀22位于连接冷介质储水箱2和第二热介质储水箱19的连接管上，起控制冷水是否进入第二热介质储水箱19的作用，第九电磁阀25位于供水管6上，在夜间放热，冷介质储水箱2中冷水进入到第一热介质储水箱3或第二热介质储水箱19时，起封闭供水管6，使水不进入集热模块的作用。

白天集热过程同实施例1，使第一热介质储水箱3和第二热介质储水箱19完成储热，夜间放热阶段，第一热介质储水箱3优先放热，此时第四电磁阀20关闭，第五电磁阀23和第三电磁阀8打开，热水通过散热管道4进行散热后进入冷介质储水箱2中；放热结束后，温室控制系统通过计算，第二热介质蓄水箱19中热水不足以提供温室所需热量时，第三电磁阀8、第四电磁阀20、第五电磁阀23、第六电磁阀24、第八电磁阀22、第九电磁阀25关闭，第一电磁阀9和第七电磁阀21开启，冷介质储水箱2中留有余温的冷水通过水泵7进入到第一热介质储水箱3中，利用其内的相变材料306和电加热丝307对水进行加热备用，注水结束后，第二电磁阀11和第三电磁阀8打开，第二热介质蓄水箱19中热水通过散热管道4进行散热后进入冷介质储水箱2中。如此利用第一热介质储水箱3和第二热介质储水箱19进行循环放热。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

以上，仅为本发明公开的具体实施方式，但本发明公开的保护范围并不局限于此，本发明公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。