可不用辅助能源的——新型太阳能光伏电热变功率蓄能四季温室大棚

芜湖市科华新型材料应用有限责任公司   程崇钧 研究员
【关键词】:太阳能电池,非蓄电、非逆变光伏电热,变功率电热蓄能,相变潜热蓄能材料,潜热、显热、潜显热蓄能,太阳能光伏直接电热变功率蓄能,光热温室效应,不需要辅助能源互补,变功率光伏电直接转化电热器件,交直流自动切换控制器,变功率终端
大棚温室效应给寒冷地区或反季节的农业栽培提供了现代化农业的基本条件,但至今仍存在一些关键性技术瓶颈制约着该项室内农业现代产业化的发展(特别是高寒地区)。芜湖市科华新型材料应用有限责任公司及战略联合体以董事长程崇钧研究员为首的专家团队集多年新材料、新能源、智能控制等集成应用技术的研究,不断创新,取得了一系列重大科技成果。其核心技术获国家科学技术进步奖。新型太阳能光伏电热变功率蓄能技术、地下水用组合U型管蓄冷交换器等获国家发明专利,处于国内外领先。该项技术成功地应用于健康工作环境、健康住宅环境。这里又移植至现代农业温室大棚,采用非蓄电、非逆变太阳能光伏电热与太阳能光热大棚温室效应结合显热或潜热蓄能材料及蓄能技术,并可以分棚基本控制或进行近程或远程计算机集中分棚控制,远距离近况视屏显示。因地区太阳能辐照条件的优良,可以完全不需要辅助互补能源,也可以与其他能源互补,而达到最完美的节能、环保和可再生能源、生态环境材料等光伏、光热、地热栽培领先技术的集成综合应用。
一、非蓄电、非逆变太阳能光伏电热技术概述
1.1 随着全球能源形势的日益紧张,节能与环保成为当今世界各国关注的热点。为了提高能源的利用效率和控制环境污染,传统的燃煤、燃气供热方式以及多种恒功率电热供热等已无法满足现有城镇区域的建筑供热(暖)的环保节能需要,即使近年来涌现出诸多供热新技术和新模式,例如利用低谷电的供热供暖技术、以及利用可再生能源的太阳能集热器和水源或空气源热泵并、串联供热技术等。然而,现有新型供热方式各自仍存在一定缺陷,甚至是无法解决的致命缺陷,直接影响着可再生能源的利用和发展。例如低谷电供热方式虽然提高了能源的有效利用,但只能满足冬季供暖需求,更甭提非谷期电热供暖,同时也都还是以二次能源为主。太阳能集热器受地区,昼夜、气候和日照采集率变化和储能输送方法等因素的影响致使所提供热水的温度不稳定,即使采用大储罐进行显热储能储水,也达不到供热的要求,只能间接互补,储存效率较低,得不偿失。同时也带来几十吨甚至上千吨水箱的过负荷,防冻、抗冻、分体与建筑结合难等以及各种器件存在无法克服或长期尚未克服的技术瓶颈,水源热泵或空气源热泵易受水源或空气源的自然条件影响,特别是在低温制热高温制冷时,其COP值并未或很难达到“1:1”,以及自动化控制系统愈演愈烈愈复杂,因此设计开发新一代的集成供热技术是非常必要的。
1.2 针对现有城镇区域建筑供热系统在节能环保方面所存在的瓶颈问题,特别是冬冷夏热的南方集中供暖的可行性问题提出了适用于区域建筑供热系统的一年四季低谷电热转换与储存非谷期利用的新模式。将新一代安全节能型变功率电热器件“特种专用自控温加热器”与“相变储能材料”及应用技术有机结合在一起作为变功率潜热、潜显热、显热蓄能电热转化体。(1)以低谷电与太阳能非蓄电非逆变光伏电互补能源的变功率分体蓄能供热技术。(2)结合建筑住宅区所处地理位置的特点,可以是非蓄电非逆变“光电热”利用和非蓄电“风电热”利用,以及太阳能光热温室效应与非蓄电、非逆变光伏电热变功率蓄能利用。相结合在全国部分城镇区域性住宅建筑中推广应用,也可以在广大农村特别是西部现代农业温室大棚或特种养殖、畜牧等或边远无网电供应的地区进行推广应用,甚至可以是在高寒南北极地区对太阳能、无蓄电池、无逆变器、光伏直接变功率电热利用,在国际上引领太阳能光伏集成供热技术的发展。
1.3 非蓄电、非逆变光伏电变功率蓄能供热技术。
光伏发电作为可再生能源已列入我国科技发展与高技术产业发展的优先领域。特点是因受气候条件的改变,而提供一个功率变化的电力供应系统,而这种系统只能与同样是变功率工作的接收系统“负载”相匹配,才能充分发挥功效。目前国内外在几乎找不到任何适用于该直流负载的情况下,只能通过蓄电逆变技术将光电蓄电储存,通过两次转换(这两次转换又存在转化效率高达20%的损失),将转化后的基本稳定的直流变成交流,再并入电网上去,用电网充当虚拟负载。而逆变系统存在诸如高压损坏、孤岛效应、并网同步等技术问题。而离网发电系统又必须采用电化学储能装置(蓄电池或超级电容器)将电能转化为化学能储存起来。蓄电池的介入非但没有降低应用难度,反而因蓄电池存在寿命和环境污染问题使问题变得更为复杂。总之,目前并网和离网发电系统均存在成本高、效率低、环保隐患、应用不方便等缺陷。为此,芜湖科华、山西耀华、华东理工大学等战略联合体联合开发非逆变、非蓄电的离网光伏电热变功率蓄能技术,即直接将变功率光伏电能通过变功率电热转化积累性潜热、潜显热、显热大容量储能,满足建筑(其中含现代农业温室大棚、养殖、畜牧)及生活设施的热需求,是一项市场需求极大的新技术,甚至可以使我国光伏产业走向健康发展之路。芜湖科华已率先提出并成功地应用于4000平米的科华研发中心和西部现代农业大棚的示范工程。
二、具体新技术、新材料介绍
2.1 特种专用自控温电热带是一种智能型电热器件(不是只要是自限温电热带就可以,而是专用产品),所采用发热材料是具有PTC特性(即电阻正温度系数效应)完全不燃的特种导电聚合物复合材料。因此,自控温电热带的电阻会随着被加热体系温度的升高而增大,从而自动调节输出功率,以达到控温和节能的目的。与其它电热器件相比,有以下优点:(1)交直流两用,±50%宽幅工作电压;(2)3-600V交直流电压系列化等级可供选用;(3)低温加热快捷,电热转化效率高(100%);(4)可自动限制加热温度,具有开关特性和记忆特性等特点;(5)可任意切断或接长使用,安装使用简便;(6)产品PTC材料承受温度高达160℃,自身不燃,安全可靠,使用寿命长(50年)。鉴于此,采用这种与光伏器件匹配的专用变功率光伏电热转化器件:特种自控温电热带或电热器件为建筑(其中含农业温室大棚)及生活设施供热是非常理想的。
2.2 潜热蓄热技术是利用无机、无毒、无害的高相变焓的相变储能材料的固液相变过程来实现能量的贮存和释放,在能源的有效利用和全球气候保护方面发挥了重要作用。相变潜热蓄能技术用于住宅建筑等较多领域呈现许多优点:
① 相变潜热大,积累性蓄热能力强,相变时温度基本恒定,具有温度自控调节能力,从而减小室内空气温度波动,较长时间保持所需温度,提高人体舒适度,以及满足动植物的不同温度需求;
② 非供热时实现主动蓄能控温,供热时被动蓄能时序编程,通过吸热 △T1与放热 △T2的大小变化,可实现谷期(夜间)用电蓄热,非谷期(白天)停电供热,或白天的光伏电热蓄热夜间释放利用;
③ 潜热蓄能系统可以将峰期用电负荷向谷期转移,在电力上削峰填谷,缓解能量的供求矛盾,是国家用电政策“电力需求侧管理”鼓励节约用电的有效途径;
④ 减轻建筑物的承载负荷,降低建筑造价;
⑤ 白天光热温室效应与非蓄电、非逆变光伏电热变功率蓄热共存,白天供热、蓄能,夜间释放、供热。实现只要白天阳光充足时,24小时完全由太阳能光伏供热。也是最简单、最可行的唯一方法。
2.3 鉴于特种自控温电热器件具有交直流两用、变功率、宽幅电压、多级系列化工作电压、开关记忆特性及节能、安全、特别是安全低压、使用寿命长等特点,相变材料拥有蓄热(冷)能力强的优点,将二者有机结合起来在“光伏利用”领域内进行变功率积累性电热转换与积累性潜热、潜显热、显热储存,既解决了大面积离网发电非蓄电非逆变光伏变功率电力直接利用问题,又大大提高了低谷电的利用率。该法将成为崭新且极具发展潜力并全面推动可再生能源利用行业与时俱进的创新性发展。
三、非蓄电、非逆变太阳能光伏电热和光热温室效应技术在农业大棚上的应用
本应用技术以最简单的、最先进的、最有效的方式进行集成应用。
3.1 将太阳能光伏电热技术以太阳能电池所产生的变功率光伏电(可以是多级安全电压),直接随机通过多种组合各异的导电电路,传递给变功率蓄能电热终端。不需要蓄电池,不需要逆变器。
3.2 该变功率蓄能电热终端可以是地面(土壤、沙石、混凝土、水、相变材料等蓄能材料或传热材料)、墙体、苗床、金属构架或散热器。其功能可以用于大棚温室调控,同时可辅以进行地热栽培。(具体结构见另图)
3.3 当用于现代农业大棚中时,利用太阳能的光热转化,白天太阳光一边通过透明阳光棚的“温室效应”使室温维持在控制的温度范围内,多余的热量可通过蓄能材料主动蓄能。而增设的太阳能光伏电池接受阳光后,因电池板的光伏效应,将产生的变功率光伏电通过上述3.13.2转化为热,储存在“变功率终端”,移向无太阳的夜晚,缓释于大棚室内,形成全天候四季温室大棚。(见另图)
可另设小功率蓄电池,采用非逆变LED照明技术来满足夜间照明之需要。由于采用了上述蓄能终端,蓄电池置放于其中,这种优良的工作环境有利于使酸铅电池使用效率更好,寿命更长。
3.4 当出现连续阴雨天(连续阴雨天≤10天时,可以不需要互补能源系统),无太阳光可集时,通过交直流自动切换系统,引进网电或启动柴油发电机发电进行互补,仍然通过同一变功率蓄能电热终端发热、蓄能、散热、控温。(这一互补能源技术在太阳能年采集率达70%以上的西部地区,完全可以不需要。)
3.5 棚内室温与交流电互补及切换可以单控,也可以实现计算机远程分棚群控,可以实现人在基地总控室通过数块、数十块显示屏远距离近视大棚内的一切情况和对室温、地温、湿度等各种棚内环境技术要求进行分棚控制。结合滴灌、施肥现代技术,实现真正的现代农业温室大棚。(详见原理示意图)

 

五、单棚基本控制(略)
六、计算机网络控制系统(当太阳能采集率≥70%时,此系统可以省略)
计算机网络控制系统能够对非蓄电、非逆变太阳能光伏电与低谷电互补的变功率蓄能供热、地面辐射供暖质量、用电负荷特性、储放热随环境温度及时间变化特性用电行为实现集中智能控制,通过“供暖网站、采暖服务器、网络控制器、数据交互机、室内外温度控制器、自限温蓄热地面终端”形成该智能控制系统。
6.1 系统原理方框图:              

 

 

6.2 计算机网络控制主要功能:
① 授权许可申请功能;② 报表统计及分析功能;③ 数据存储、备份功能;④远程监视功能;⑤ 入网校验功能;⑥ 操作历史记录功能。
6.3 计算机系统软件功能技术要求:
① 使用配置有CPU处理器和储存系统的设备使智能判断得以实现,能通过户外温度、地面温度、变压器负载情况、温度异常变化等情况智能判断,使最需要供热的地方立即可以升温,使温度精确控制,使电能得利用达到最佳合理化。
② 能在变压器负荷满载时释放部分压力,实现变压器负载自动调配。
③ 设立供热优先级制度,实现用户信息储存化、供热信息数据化,能与企业管理建立erp系统化,使供热系统模块化。
6.4 计算机系统温度控制技术要求:
① 采用控制器采用集中控制弱电系统,分户(分棚)控制强电系统(强弱电分离体系)的网状对应关系,并且一个户式控制器设计为对应一户的最终末端控制单位。
② 控制器应配有CPU处理器、储存系统、功能按键和显示屏,可组合实现温控器体系所不具备的智能系统。
③ 控制器能使温控器的功能与该户二级配电箱的作用进行整合,成为了一个设备。
④ 控制器应在安装、维修、调试、升级等方面采用便捷简单原则。
⑤ 控制器一般安装于户(棚)外或隐蔽处,使棚内再无任何明装的强电设备和接线安装漏洞。
六、结束语:
1、本项目利用太阳能光伏电热(不用蓄电池,不用逆变器)、光热温室效应与多种蓄能技术的结合是当今国内外唯一领先集成应用技术,切实可行。
2、该项目完全利用太阳能在西部(例如青海)、东北部地区太阳能光照条件很好时(太阳能采集率达到70%以上),将不再需要其他能源互补。仅仅在连续阴雨7-10天以上时,将会用其他能源互补。可不用辅助能源的太阳能光伏电热变功率蓄能技术。
3、本项目一次投资较大,主要是光伏电池板投资额较大。而如果该项目向当地省市及国家发改委申报立项,可获得9/W的政策补贴。此时,本项目的投资任何单位和个人皆可承受,则本项目投资反而是最小。20年内无维护费用,也无运行费用。无污染,安全电压无隐患。
4、当太阳能采集率较低地区,本项目采用计算机远程集中分棚控制,低谷电互补实现了产业化现代农业自动化水平的要求。
七、设计参数
要求:1、棚温 10≤tp25℃,地温 Td≤25
若仅要求棚温Tp15W/㎡, 1000㎡ 15KW
若 Tp+Td 即:30W/㎡, 1000㎡ 30KW
以上温室效应热能补充未计算,以上两项仅为补充热负荷。如果温室效应热能包含在内估算为30-45 W/㎡,即总负荷在无太阳能可集时,电热补充热负荷为30-45KW。
析:1000㎡,30 W/㎡,夜12小时,即360KW,12小时采光可积累储热12×30W,累计360KW,故进出基本平衡。万一不足,可以采取交流电互补。
析:参照地面辐射供暖,当地面温度在26-30℃时,室温可维持在16-22℃。当白天由温室效应补充温度时,室温可高达至25℃以上。因此该大棚可以达到地热栽培和温室两种效果。更有利于农植物的生长需要。特别有利于苗圃和土下块茎或根须的生长发育。
加热电缆的敷设:
1、苗圃:苗床下5-10cm沙土内。
2、土地:地面下15cm以下(15-20cm)
3、墙:墙表内10cm以内(10-15cm)