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太陽能結合溫室栽培床智能加溫系統的設計

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  • 更新日期:2015-05-15 13:11
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摘要:為實現溫室內全天供熱、變溫管理和節能的目的,結合大型玻璃溫室和無土栽培技術要求,確定了總體加溫結構設計方案和工作原理,對主要裝置集熱器進行選型和結構設計;利用Solidworks三維建模對太陽能板的安裝和排布進行說明和分析,并結合當地的氣象資料對單位面積的集熱效率進行經濟性分析,考慮太陽能的不穩定因素,分別設計了主加熱及輔助加熱系統。結果表明,對太陽能集熱的設計和科學的安置有效地提高了太陽能的利用率;與傳統電加溫進行經濟性計算,在20年內單位面積可節約能源12 942.46 kW·h,為我國現代化溫室加溫系統的研究提供了參考。

關鍵詞:溫室采暖方式;溫室采暖原理;太陽能加溫;變溫管理

中圖分類號:S625 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2015)06-1479-04

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.051

Abstract: In order to provide heating all day, manage variable temperatures, and save energy in greenhouse, the heating system of greenhouse was designed based on solar energy and cultivation bed. The overall project, operating principles and critical components of energy collection were designed according to the large automatic greenhouses and the technical requirement of soilless cultivation. The setup and assignment of solar panels was described and analyzed by using solidworks modeling operations. The heating efficiency in per unit area was analyzed based on the local meteorological data. Considering the unstable factors of solar energy, the heating system contained main heating and auxiliary system. The reasonable assignment and design of solar collector enhanced the heating efficiency. Comparing with traditional electric heating, the energy was saved 12 942.46 kW·h in per unit area. It will provide reference for heating of modern greenhouse in China.

Key words: greenhouse heating; cultivation bed; solar energy; variable temperature management

溫室采暖方式根據設施種類、規模、栽培品種與方式、氣候和燃料等條件的不同而分類復雜,而目前常用的采暖方式有煙道加溫、熱水加溫、蒸汽加溫、熱風加溫、電加溫等。節能環保溫室采暖系統的設計建立了溫室供熱負荷的數學模型,并提出了地下蓄熱加溫系統[1]。在玻璃鋼架水暖溫室結構的研究中,著重對玻璃溫室內的分布和安排進行了系統的研究[2]。傳統的加溫方式普遍存在熱力供應量小、預熱時間較長、燃料費用較高、溫度波動較大、耗能多等缺點,不適合現代大型溫室節能智能化管理等要求。

太陽能資源清潔無污染,而且取之不竭、用之不盡[3-5]。某賓館太陽能預加熱熱水系統設計方案研究對合理有效地利用太陽能進行了科學的計算[6]。太陽能跟蹤系統設計提出了如何最大限度地吸收太陽能設計方案,通過電子系統的融入使太陽能利用更加智能化[7]。將太陽能合理利用到溫室加溫系統中,結合大型溫室栽培床生長模式,利用單片機控制系統設計了一種能夠實時監控、調整翻轉集熱器角度的管理系統,以期為我國溫室智能化管理及太陽能在溫室中的利用提供參考。

1 工作原理及裝置組成

1.1 設計目標

大型玻璃溫室透光性強、空間大,便于種植操作,是現代化農業的一種產物[8,9]。基質栽培和營養液栽培均在大型玻璃溫室中得到大力的推廣和應用,這不但解決了溫室的連作障礙和空間的有效利用,而且提高了溫室的經濟效益,以及便于操作[10,11]。

太陽能栽培床加溫系統是指利用源源不斷的太陽能作為溫室的熱源,通過集熱片對比熱容最高的水加熱,然后通過循環管道輸送給栽培床下部加溫管道,利用管道散熱給溫室加熱,循環泵加壓使水以一定的速度流動保持溫室內溫度。

1.2 主要裝置

由圖1可以看出,太陽能結合溫室栽培床加溫系統主要裝置有集熱系統(平板集熱器、集熱控制器);控制系統(單片機控制器、伺服電機);主副加熱系統(水箱、保溫箱、電磁閥、循環泵、吸水泵、進出水管)。栽培床下部管道蓄熱系統各參數根據溫室系統的熱容量、供熱量和栽培床形狀及體積等溫室加溫系統要求確定,從而進一步確定太陽能集熱片數量和面積、水箱體積、進水管道、加熱管道型號、管道布置、循環泵、電磁閥等各個設備參數。

1.3 工作原理

熱水進入進水管后通過循環泵送往各個加熱栽培床,提高溫室種植區域的空氣溫度,最后循環流動到出水管被吸水泵又運送到水箱里通過太陽能循環加熱,電磁閥能精確控制水流的每個去向和控制區域,保證植物的最佳生長狀態。因考慮夜間、陰天或雨天等自然因素,設計了輔助加熱系統,輔助加熱系統包括兩個,一個是由集熱片加熱過的部分高于循環流動的熱水貯存于保溫箱,夜間開啟保溫箱中的熱水以一定的速度流動維持植物夜間生長所需的最低熱量;另一個是通過鍋爐輔助加熱,在遇到陰天或雨、雪天開啟鍋爐加熱系統。太陽能集熱系統通過伺服電機驅動,能夠實現工作時間內全程跟蹤太陽運行輻射,以保證太陽光與集熱器之間的最大輻射角不變,提高太陽能利用率。

2 關鍵部件的設計

2.1 集熱系統的設計

由于傳統的集熱器存在腐蝕、泄露、結冰等缺點,為了提高溫室加溫系統的使用壽命,集熱器選擇蛇形太陽能集熱器,其屬于平板非滲透太陽能集熱器。集熱器主要由透光蓋板、吸熱板、保溫層和邊框等組成,為了提高集熱器的集熱性能,中間需安裝隔板和導流板[12],蛇形太陽能平板集熱器如圖2所示。集熱器作為加溫的核心部件,多在戶外運行,所以應設計除塵裝置,將透光蓋板設計成可拆卸的組件,方便裝卸和清洗。集熱器的合理設計可以有效地提高其使用效率,并且能夠在夜間保持植物溫度,保溫層的材料和排布也極其重要,集熱器內部結構具體如圖3所示。

利用Solidworks對太陽能板的安置進行三維建模,其效果圖如圖4所示。太陽能板在安裝架上采用串聯方式安裝,冷水從進水口進入,逐級經過太陽能板加熱,最后通過出水口輸送到溫室各個加溫管道中。為了最大限度地吸收太陽輻射量,因此設計太陽能板時要根據太陽輻射角的變化而變化,固定架分為前后兩個支架,后固定架配有十字軸承,所以調動時可以任何角度、上下轉換,并起到支撐作用,前固定架兩邊液壓系統1的作用是上下升降,液壓系統2的作用是通過拉桿作用調整角度,這樣可以完成太陽板無死角的調整。

太陽能結合栽培床加溫系統將太陽輻射的能量轉換成水的熱能,傳送到溫室內栽培床底下。其熱效率是衡量集熱器性能的主要指標,合理有效地使用太陽能板可以很大程度上提高植物產量和降低傳統加溫設備所耗能量。太陽能板的集熱效率用公式(1)至公式(4)進行了理論分析,在設計和安裝太陽能板的角度時可作為參考依據。

集熱器輸出的能量用QU表示[13],則:

式中,m為水的流量,kg/s;Cf為集熱器內水平均溫度條件下的比熱容,J/(kg·℃);ΔT為集熱器進、出口水的溫差,℃;t0為集熱器出口溫度,℃;ti為集熱器進口溫度,℃。

太陽輻射在集熱器釆光面積上的能量用QA表示:

式中,AC為太陽能空氣集熱器的采光面積,m2;G為太陽輻射照度,W/m2。由公式(1)和(3)可得,集熱器的瞬時熱效率為η:

2.2 智能控制系統的設計

控制系統由溫度采集模塊(溫度傳感器)、驅動和執行模塊(液壓伺服電機)、上位機管理系統模塊等組成。單片機是智能控制系統的核心,主要用于現場實地檢測及控制,完成數據處理[13]。本系統采用RS-485總線來實現上位機與下位機的通信,一般PC機只有RS-232接口,若實現RS-485標準接口通信必須采用RS-232/485轉換器,具體如圖5所示。

在進行單片機軟件程序設計時,使用C#語言編寫和調試。整體上軟件程序主要有遠程信號采集運算、實時監控、顯示、通信、參數設定、聲光報警等功能,包括主循環程序模塊、信號采集和處理模塊、實時控制模塊、采樣模塊、串行通信模塊、鍵盤輸入和顯示輸出模塊等,且模塊之間通過系統數據相互關聯[14],系統界面框架如圖6所示。

3 系統管理與節能分析

3.1 生育適溫與變溫管理

日間溫度管理的目的就是要增加光合作用產物及促進產物的輸送、貯藏和有效分配,抑制不必要的呼吸消耗[15]。據研究,上午的光合產物約占全天的3/4,下午約占1/4;白天輸送的光合產物約占全天的3/4,前半夜僅占1/4。上午采用適當高于白天適溫以促進光合產物的形成,下午適當低于白天的適溫,以一定的光合強度及產物輸送;前半夜適當高于夜間的適溫以促進光合產物的輸送和分配,后半夜在適當低于夜間適溫以抑制呼吸消耗[16]。

3.2 經濟與節能性分析

為了充分利用現有集熱器面積產熱能力,合理確定預加熱溫度[17],選擇甘肅省蘭州市氣象局提供的2010年4~10月太陽輻射量的參數進行計算,其各月系統參數計算結果見表1。

由表1可以看出,2010年4~10月太陽能集熱器每平方米可為溫室提供2 213.78 MJ的熱量,使用壽命20年內則單位面積可集熱44 275.60 MJ的熱量,這部分熱量通過電輔助熱源提供,電加熱效率為95%。經過計算可知,單位面積每年可以減少用電647.12 kW·h,20年共節電12 942.46 kW·h,按電費0.55元/(kW·h)計,單位面積可節約能源費用約7 118元。由此可見,通過太陽能加熱系統可以產生較好的節能效果和經濟效益。

4 小結

1)本研究通過設計太陽能結合栽培床的加溫方式,有效地降低了常規能源、節約了生產成本。考慮到太陽能的不穩定因素,分析主加熱系統和輔助加熱系統的工作原理,對太陽能板集熱器的結構進行了單獨的設計,利用三維建模科學地設計出太陽能板的布置與角度調整裝置。

2)從變溫管理角度增強了現代溫室智能控制技術的要求,利用RS-485總線來實現上位機與下位機的通信,信號轉換器選擇RS-232/485轉換器。上位機管理界面采用模塊化管理,本研究提出了系統界面圖為今后管理系統的編程提供參考依據。

3)利用當地氣象局提供的太陽輻射量等數據對單位面積集熱器集熱效率進行計算,并和傳統電源供熱,在20年內單位面積可以節省約7 118元,其節能和經濟效益非常可觀。

參考文獻:

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