日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系制造技术

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

【技术实现步骤摘要】
日光温室太阳能光伏“四重”结构相变蓄热墙体构筑体系


[0001]本专利技术涉及一种利用光伏+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。

技术介绍

[0002]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，具有重要社会经济意义。
[0003]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。
[0004]本专利技术在专利技术专利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 (专利技术专利1：“日光温室太阳能主
‑
被动式“三重”结构蓄热墙体体系”，CN103404391A)，本专利技术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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术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。
[0007]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：
[0008]1.光伏组件板最佳安装角度β最佳确定
[0009]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)。
[0010]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。
[0011][0012]I
D
(β)＝I
DS
×
cosi(2)
[0013]cosi＝cosβ
×
sinh
t
+sinβ
×
cosh
t
×
cosε(3)
[0014]ε＝α
‑
γ(4)
[0015]式中，I
D
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，
°
；I
DS
为水平面太阳直射辐射强度，W/m2；i为太阳入射角，
°
；h
t
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，
°
。
[0016]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。
[0017][0018]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。
[0019][0020]2.电热膜阵列方式及敷设面积确定
[0021]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。
[0022]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2.25m/块为基本选择条件。
[0023]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。
[0024]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1b，B
‑
B)。
[0025]3.电热膜电
‑
热转换效率与发热量确定
[0026]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。
[0027]P＝UI(7)
[0028][0029][0030]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；Δt为各层墙体的导热温差，℃；A为墙体的计算面积，m2。
附图说明
[0031]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
[0032]图1a)系统原理图
[0033]图1b
‑
1敷设电热膜处墙体构筑图
[0034]图1b
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：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；I
D
(β)＝I
DS
×
cosi(2)cosi＝cosβ
×
sinh
t
+sinβ
×
cosh
t
×
cosε(3)ε＝α
‑
γ(4)式中，I
D
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，
°
；I
DS
为水平面太阳直射辐射强度，W/m2；i为太阳入射角，
°
；h
t
为太阳高度角，
°
；ε为倾斜面太阳方位角，
°
；α为太阳方位角，
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，宓雪，韩枫涛，付浩祺，李恭丞，焦勇翔，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：