一种具有光热发电功能的多功能温室及其实现方法与流程

本发明涉及太阳能利用领域，特别是涉及一种具有光热发电功能的多功能温室及其实现方法。

背景技术：

多功能温室是一种利用太阳光的光能和热能在不同季节中能作不同用途的一种装置，它既可以在冬季外面温度较低时利用温室的保温性能进行农作物的种植和育苗，又可以在夏季外面温度较高时利用封闭的温室效应积聚太阳光的热能，从而在温室内形成内部的高温进行农产品的晾晒烘干。可应用的领域包括：冬季进行各种瓜果和叶菜的种植，或各种苗木的培育，夏季可进行中草药的晾晒，如枸杞、金花葵等，葡萄干、核桃等果品的晾晒，水稻、小麦、玉米、番薯等粮食的晾晒等。多功能温室的优点是明显的，它能将系统内部的温度条件与外部的气候条件相结合，在不同的季节作不同的用途，以减少冬季加温和夏季降温的成本和能耗，只要具有简单的通风措施就可以满足不同用途的需求，从而在冬季可获得较好的种植效果，在夏季又可获得高品质的烘干成品。相比于直接将植物放在露天环境下种植或将产品直接裸露在外面进行晾晒，则由于冬天温度较低而不能种植，夏天的烘干也较慢，且会随着一天之内日光能量的变化呈现不稳定性，且无法防止短时雷雨天气带来的影响。

多功能温室的四周及屋顶采用薄膜或玻璃密闭，带有通风口调节气温及湿度，其内部的气温在南方的冬天可以达到25℃以上，非常适合于植物的种植或育苗，在夏天则可达到60℃~70℃，又非常适合于各种农产品的烘干。而且在种植或烘干过程中还可以将多余太阳能用于光热发电。但现有的温室系统在处理多余的能量时往往用遮阳网加上水帘和风机，使得多余的太阳能没有得到有效的利用，将其白白浪费了，而且风机也消耗了附加的电能。本发明描述的即是在自然通风时将这部份多余的太阳能用于发电，以供给照明、排气等常规需求，并提出一种具有光热发电功能的多功能温室。

经查询目前尚未发现带有发电功能的多功能温室。针对光热发电的具体机构，申请号201410424377.x的发明公布了一种采用真空玻璃管吸收太阳光的热量，并通过温室效应使管内温度升高，并在冷却系统作用下使半导体发电片的冷端面与热端面产生温差，从而发电的机构；申请号201410296090.3的发明公布了一种太阳能光热发电支架，以从结构的角度满足光热发电时的强度性能要求。针对光热发电的类似发明有许多，但未见有与本发明相关的系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有光热发电功能的多功能温室及其实现方法，通过基本密闭的温室空间实现冬季种植夏季烘干的功能，并利用多余的热能进行发电，供给常用执行机构使用。

本发明采用以下方案实现：一种具有光热发电功能的多功能温室，包括一温室主体，所述温室主体包括由四周构成的温室棚体以及与其相连的温室屋顶，所述温室主体采用薄膜或玻璃密闭组成；所述温室主体的地面铺设有高光能吸收率的黑色毛毡，用以提高室内温度，增加光热发电和冬季种植及夏季烘干的效率；所述温室棚体的一个侧面的底部开设一可开合的栅形补气窗，用以进风补气；所述温室主体的内部设置有若干排晾晒架，所述晾晒架的上面铺设有金属网格，用以在冬季作为种植架或在夏季放置待烘干的物品；所述温室屋顶上等间隔装设置有若干个用以供光热发电用的发电管道，每个所述的发电管道的顶部设置一无动力风帽，所述无动力风帽的下部依次设置有一止回机构；所述的发电管道的底部为进气管道，所述进气管道与温室主体的屋顶相连，所述进气管道由上至下采用渐宽型结构，所述进气管道的中间设有风力驱动的风轮机，所述风轮机上固定着若干由风力驱动的叶片；所述风轮机的机轴与一发电机的机轴相连，当温室内的气流通过进气管道时，空气的流动带动风轮机上叶片的转动，从而驱动发电机产生电能。

进一步地，所述发电管道的长度大于20米。

进一步地，所述进气管道的内壁上安装有流速传感器，用于测量流过气体的速度，所述进气管道与温室主体的屋顶相连的一端作为进气管道入口，所述进气管道入口的内壁上安装有一第一气压传感器，所述进气管道的另一端作为进气管道出口，所述进气管道出口的外壁安装有一第二气压传感器，所述第一气压传感器与第二气压传感器用以测量温室内外气压的差值。

进一步地，所述进气管道的底部为进气口，所述进气口为圆环状结构，所述圆环状结构的中心由无法调节的固定阻挡结构和可调阻挡结构构成，中心的周边为进气道。

进一步地，所述可调阻挡结构由固定杆、滑动环、机械关节、连杆和遮挡片构成类似折叠伞状的机构；其中，所述滑动环与所述连杆和所述机械关节相连，并通过沿所述固定杆上下运动改变所述可调阻挡结构侵占所述进气道的大小，使得所述进气道的大小得到调节，从而改变进入发电管道的气体量和气流速度，并由此改变发电机的发电量和气流驱动的效率；整个可调阻挡结构外覆盖有可调节的遮挡片，使其不能透过气体。

进一步地，所述遮挡片为金属薄片。

进一步地，所述温室主体的内部还设置有温湿度自动检测与控制系统，用以检测室内的温度和湿度，并对所述栅形补气窗的开口大小以及进气管道的可调阻挡结构进行自动控制。

进一步地，所述温湿度自动检测与控制系统包括微控制器mcu以及与其相连的用以采集温度与湿度信息的温湿度传感器、用以采集温室内部气压值的第一气压传感器，用以采集温室外部气压值的第二气压传感器、用以供给电能的电源模块、用以存储历史数据的存储器、与所述栅形补气窗及可调阻挡结构的滑动环相连的电机驱动器。

进一步地，所述可调阻挡结构用以调节进气管道的进气口大小，进而控制通过风轮机的气体流量和流速，所述温湿度自动检测与控制系统采用基于曲线拟合预测的比例-积分-微分pid反馈控制实现可调阻挡结构的控制，具体为：首先，所述温湿度自动检测与控制系统通过对种植或烘干与发电部分能量分配控制算法得出当前用于发电的日光能量，从而计算出风轮机应有的转速；接着，通过第一气压传感器与第二气压传感器之间的气压差作为输入，依据曲线拟合算法预测下一个时间可能的气流速度值，以便电机驱动器提前采取控制措施，稳定气流速度，气流的调节利用从进气管道安装的流速传感器取得反馈信息，通过pid方式进行；其中，气压差的输入曲线拟合在预测算法前，先通过kalman滤波器滤除噪声。

本发明还采用以下方法实现：一种具有光热发电功能的多功能温室的实现方法，包括以下步骤：

步骤s1：所述温湿度传感器采集得到当前温室内外的温湿度信息并传输至微控制器mcu中；

步骤s2：所述微控制器mcu通过kalman滤波器降低噪声干扰带来的不稳定性，得到测量结果后，所述微控制器mcu通过存储的气窗开度映射关系，获得在当前种植或烘干情况下需要用以进行发电的余热值；

步骤s3：所述微控制器mcu根据需要的余热值得到栅形补气窗的开度值，并通过气窗调整执行程序控制电机驱动器达到相应的开度，进行补气操作。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的主要内容分为：（1）适宜于多功能温室的发电机构设计；（2）控制温室内进行种植和烘干与发电之间热能平衡的策略与系统。本发明通过基本密闭的温室空间实现冬季种植夏季烘干的功能，并利用多余的热能进行发电，供给常用执行机构使用。

附图说明

图1为本发明所述太阳能烘干温室及其屋顶发电管道的示意图。

图2为本发明进气管道结构示意图。

图3为本发明进气口结构示意图。

图4为本发明止回机构出气原理示意图。

图5为本发明止回机构进气原理示意图。

图6为本发明硬件组成框图。

图7为本发明可调阻挡结构控制原理示意图。

图8为本发明软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种具有光热发电功能的多功能温室，包括一温室主体，所述温室主体包括由四周构成的温室棚体以及与其相连的温室屋顶，所述温室主体采用薄膜或玻璃密闭组成；所述温室主体的地面铺设有高光能吸收率的黑色毛毡，用以提高室内温度，增加光热发电和冬季种植及夏季烘干的效率；所述温室棚体的一个侧面（在我国的东南沿海通常为面向东南的侧面）的底部开设一可开合的栅形补气窗，用以进风补气；所述温室主体的内部设置有若干排晾晒架，所述晾晒架的上面铺设有金属网格，用以在冬季作为种植架或在夏季放置待烘干的物品；所述温室屋顶上等间隔装设置有若干个用以供光热发电用的发电管道，每个所述的发电管道的顶部设置一无动力风帽，所述无动力风帽的下部依次设置有一止回机构；所述的发电管道的底部为进气管道，所述进气管道与温室主体的屋顶相连，所述进气管道由上至下采用渐宽型结构，所述进气管道的中间设有风力驱动的风轮机，所述风轮机上固定着若干由风力驱动的叶片；所述风轮机的机轴与一发电机的机轴相连，当温室内的气流通过进气管道时，空气的流动带动风轮机上叶片的转动，从而驱动发电机产生电能。

在本实施例中，所述栅形补气窗的开合和开口大小可根据外部光照的强度及温室内部对种植或烘干温度的要求进行自动调节。当外部的光照强度较强且温室内部的温度较高时，增大通风口，提高通风量，以便获得更大的光热发电效率，当外部的光照强度较弱且温室内部的温度较低时，减小通风口，降低通风量，以便获得更好的种植或烘干效果。

在本实施例中，所述温室屋顶上等间隔安装的发电管道的长度应大于20米，以便充分利用温室内的热量并利用发电管道产生的虹吸效应来提高管道内的风速，增加光热发电的效率。在发电管道的顶部采用无动力风帽，既能通风又可防止雨水进入管道；发电管道的底部为图2所示的进气管道，采用渐宽型结构，中间部分用固定式和可调式阻挡结构阻止气流的通过，并引导气流从四周穿过以驱动风轮机叶片的端部，从而提高驱动的力矩和驱动的效率。

在本实施例中，所述进气管道的内壁上安装有流速传感器，用于测量流过气体的速度，所述进气管道与温室主体的屋顶相连的一端作为进气管道入口，所述进气管道入口的内壁上安装有一第一气压传感器，所述进气管道的另一端作为进气管道出口，所述进气管道出口的外壁安装有一第二气压传感器，所述第一气压传感器与第二气压传感器用以测量温室内外气压的差值。

在本实施例中，所述进气管道的底部为进气口，采用如图3所示的结构，所述进气口为圆环状结构，所述圆环状结构的中心由无法调节的固定阻挡结构和可调阻挡结构构成，中心的周边为进气道，由于管道的中间部分被遮挡，其内的气流被导向管道周边的进气道，从而可增加气流对风轮机驱动的力矩，有益于发电效率的提高。

在本实施例中，如图3所示，所述可调阻挡结构由固定杆、滑动环、机械关节、连杆和遮挡片构成类似折叠伞状的机构；其中，所述滑动环与所述连杆和所述机械关节相连，并通过沿所述固定杆上下运动改变所述可调阻挡结构侵占所述进气道的大小，使得所述进气道的大小得到调节，从而改变进入发电管道的气体量和气流速度，并由此改变发电机的发电量和气流驱动的效率；整个可调阻挡结构外覆盖有可调节的遮挡片，使其不能透过气体。

在本实施例中，如图3所示，所述遮挡片为金属薄片。

在本实施例中，如图1所示，温室的屋顶可按相等间距设置多组发电管道，每组发电管道由四个部分构成：进气管道、风轮机、止回机构、无动力风帽，温室棚体开有栅形补气窗，补气窗开度可以通过电动机进行自动调节。该多功能温室利用室内外温差产生的上升气流推动风轮机带动发电机进行发电。由于棚内的温室效应，在夏季温室内气温往往能达到60℃~70℃，在冬季温室内气温则可达到25℃~30℃，而棚外则是常温，因此棚内相对于棚外有较大的温度差。在有温度差的情况下，棚内的热空气会主动上升通过发电管道通往外部，从而驱动风轮机旋转带动发电机进行发电。由于热空气的不断外溢，若不补充等量的气体将导致棚内气压下降，形成负压，影响大棚结构的稳定性，故在温室棚体设置了栅形补气窗，并可通过电动机调节进气量的大小，以弥补棚内空气的不足。

在本实施例中，栅形补气窗的进气量与发电外溢的热空气量相等，其开度由微控制器（microcontrolunit,mcu）驱动电机完成。在高温气体外溢推动风轮机发电的过程中，为了防止外界的气体倒灌入发电管道，发电管道中还设置了止回机构，图4和图5所示为止回机构原理示意图。由于发电溢出的是高温空气，而栅形补气窗补入的是常温空气，因此发电过程会导致室内温度下降影响种植或烘干的过程。因而该装置获得的日光热能将被运用于升温种植或烘干与光热发电两项任务中，系统通过运行日光能量分配控制算法来对用于这两项任务的能量进行分配。

在本实施例中，所述温室主体的内部还设置有温湿度自动检测与控制系统，用以检测室内的温度和湿度，并对所述栅形补气窗的开口大小以及进气管道的可调阻挡结构进行自动控制，以达到同时调节室内的温、湿度和光热发电量的目的。图6为硬件系统框图，所述温湿度自动检测与控制系统包括微控制器mcu以及与其相连的用以采集温度与湿度信息的温湿度传感器、用以采集温室内部气压值的第一气压传感器，用以采集温室外部气压值的第二气压传感器、用以供给电能的电源模块、用以存储历史数据的存储器、与所述栅形补气窗及可调阻挡结构的滑动环相连的电机驱动器。

在本实施例中，由于风轮机的转速决定了发电量的多少，在通过能量分配控制算法确定了一段时间内用于发电的日光能量以后，便可以推断出风轮机的转速。在发电的过程中，为使设备稳定运行，需在一定范围内维持风轮机转速的稳定，即风轮机偏离预设转速的幅度较小，而这一要求需通过带有反馈的控制系统来实现。

在本实施例中，如图7所示为可调阻挡结构控制原理示意图，所述可调阻挡结构用以调节进气管道的进气口大小，进而控制通过风轮机的气体流量和流速，所述温湿度自动检测与控制系统采用基于曲线拟合预测的比例-积分-微分pid反馈控制实现可调阻挡结构的控制，具体为：首先，所述温湿度自动检测与控制系统通过对种植或烘干与发电部分能量分配控制算法得出当前用于发电的日光能量，从而计算出风轮机应有的转速；接着，通过第一气压传感器与第二气压传感器之间的气压差作为输入，依据曲线拟合算法预测下一个时间可能的气流速度值，以便电机驱动器提前采取控制措施，稳定气流速度，气流的调节利用从进气管道安装的流速传感器取得反馈信息，通过pid方式进行；其中，气压差的输入曲线拟合在预测算法前，先通过kalman滤波器滤除噪声。

在本实施例中，栅形补气窗控制软件流程图如图8所示，系统通过读取传感器采集到的当前室内外温湿度的信息，并通过kalman滤波器降低信号噪声干扰带来的不稳定性。kalman滤波器是一种由卡尔曼（kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波器，这是一种将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计未来误差的滤波器，它能有效降低现场噪声的干扰并得出较为合理的结果。得到测量结果后，通过系统中存储的气窗开度映射关系，获得在当前种植或烘干情况下能使用多少余热来进行发电的数值，并进一步得到栅形补气窗开启大小的信息，然后通过气窗调节执行程序控制电机驱动器调节栅形补气窗开启的大小，以便得到合适的开度。上述气窗开度映射关系的取得，主要通过在系统实际使用前进行大量的种植或烘干实验，对各种不同种植或烘干物在不同内外温差情况下的种植或烘干效果进行曲线分析而获得。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。