新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统的制作方法

1.本发明是太阳能低温热利用领域一种用于大棚温室、露天土壤加热蓄热增温，提高地温、室温，改善土壤生态和反季节种养的新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统。


背景技术：

2.太阳能取之不尽，用之不竭，是全球可开发利用潜力最大、最清洁的能源，太阳能低温热利用(即：太阳能热水热能)的光热转换效率比光伏发电、光热发电转换效率高3倍以上，1平方米太阳能集热器可收集利用的太阳能，比4平方米光伏板可收集利用的太阳能还要多，是所有太阳能利用方法中太阳能转换效率最高的利用方法。
3.太阳能热水热能，可就近获取、就近储存、就地利用，更贴近用户需求，其适用范围和领域大到难以估量，理应可产生更高效益，成就更大规模的产业。
4.在太阳能低温热利用领域，全球相关科研院所、高校、企业科技人员奋斗上百年，至今只建成相对使用价值较高的平板集热器类、真空管类太阳能低温热利用技术和产品体系，长期大规模使用实践已证明，现有平板集热器类、真空管类太阳能热水器、热水系统，都存在先天性缺陷和一系列无法解决的问题，无法将太阳能低温热利用天然优势转变成产品优势，严重制约了太阳能低温热利用产业发展。
5.以全方位原创的智能型多功能太阳能集热器为核心构建的太阳能低温热利用技术和产品体系，称为：智能型多功能太阳能集热器技术和产品体系，简称为：“新体系”，新体系是一种全新的技术路线，其产品所能实现的，都是特别重要的，现有平板集热器类、真空管类太阳能低温热利用技术无法实现的，是一种具有全方位绝对优势的太阳能低温热利用技术和产品体系。
6.新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统，是新体系系列产品之一，为便于与现有平板集热器类、真空管类技术体系内的太阳能加热土壤蓄热增温系统区分，故命名为：新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统。
7.太阳能可就近获取，如果能以简便、高效、低成本的方法，将取之不尽的太阳能注入土壤和地下水内，利用土壤和地下水，长周期蓄热增温，可用于改善亿万公顷计的大棚温室、露天土壤生态，可用于大面积反季节种养，只要将土壤种养层温度持续提高2～10度，土壤生态将变得不一样，可将不适宜种养地转变成适宜种养地，可将适宜种养地根据市场需求提前或延后种养，就连公路融冰化雪防滑，畜、禽舍增温也用得上，可大幅度提高种养收益，可人造地热、温泉，其单一工程大到每年可将相当于将数亿度电的太阳能注入地下，凡需要提高土壤、地下水温度的地方都用得上，世界上只有太阳能低温热利用，可满足土壤蓄热增温所需低成本、无比巨大能源需求。
8.现有真空管类、平板集热器类太阳能热水系统于土壤和地下水加热增温，存在的共同问题是
9.1.集热器防冻难：采用防冻液防冻导热，存在的问题：一是防冻液防冻需要增加储液、补液、纳胀、隔离换热、双泵两侧循环、测控等一系列设备，导致设备复杂化，故障因素增
多，可靠性降低，集热耗电量增大，综合成本大幅提高；二是防冻液存在老化变质、定期换液问题；三是防冻液属化工材料，废弃液大量排放污染土壤和地下水。
10.2.集热器防过热难：集热器最高温度不受控，高温加速集热器各部件腐蚀、结垢、炸管，严重影响集热效率和使用寿命，特别是真空管集热器类太阳能热水系统，难以解决因停电和故障引起的过热问题，集热系统受过热的危害极大，任何一支真空管破裂，整个热水系统都要瘫痪。
11.3.全玻真空管类太阳能集热系统，真空管内储有大量的水，水中储有大量的热能，昼夜经非真空保温的联箱持续流失，热损大，收集的太阳能利用率要打15％左右折扣。
12.4；集热效率低，现有太阳能热水系统几乎都是温差控制，强制循环集热，集热温差小，效率低，循环集热泵大部分时间处于3～5度低温差运转状态，所需循环泵功率大，耗电量大，供电难，泵易损坏。
13.5.采用u型地埋管向地下注入热，不但注热效率低，而且注入的热能易经地埋管流失。
14.6.涉及设备种类、数量多，故障因素多，对种养面积和现场形象影响大。
15.7.综合成本高，运行、维修、管理费用高，难以产生应有效益。
16.综上所述，现有真空管类、平板集热器类技术，用于太阳能加热土壤蓄热增温，存在的问题多，实际使用价值都不高。


技术实现要素：

[0017][0018]
本发明提供一种新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统，可系统解决上述问题，本发明解决上述问题的方法是：
[0019]
1、采用具有集热、蓄热、暂存、高效导热、抗冻、防过热、抗水垢、输出水温设置、综合测控、可随时停用或启用、适于加热洁净水、昼夜热损小、可无缝并联、大面积并联的智能型多功能太阳能集热器 (1)集热，可系统解决现有平板集热器类、真空管类集热器防冻难、防过热难、隔离换热难、热能导出效率低、涉及设备种类数量多、故障因素多、集热耗电量大、供电难等问题，可大幅度优化简化新体系太阳能加热土壤蓄热增温系统，智能型多功能太阳能集热器已另案申报发明专利，故不详述。
[0020]
2、采用水位保障箱(2)储存、补充导热工质，为循环集热创造必要条件，多路独立的太阳能加热土壤蓄热增温系统可共用水位保障箱(2)，水位保障箱(2)可手动或自动上水。
[0021]
3、采用地埋箱(4)做土壤换热器，地埋箱(4)做土壤换热器的优势：一是可先将热能储存在地埋箱(4) 内，地面不用设置专用储热水箱，二是储存在地埋箱(4)内的太阳能可持续与周围土壤隔离换热，向地下注热持续时间长，换热效率高；三是只需一只地埋箱(4)就可满足30～50平方米土壤蓄热增温要求，所需地面挖孔数量少，费用低，四是地埋箱(4)与地面连通只有2根细小的塑胶管，开挖的地埋箱(4)孔封堵后，地下热能不易从开挖孔流失；五是可通过地埋箱反向提取储存在土壤中热能加以利用，除地埋箱(4)外，本发明用于土壤和空气加热的换热器种类还有：u型地埋管(4a)、水平地埋管(4b)，散热烘干器(4c)，可满足不同的场合加热要求，本发明组成独立运行的太阳能加热土壤蓄热增温系统，地埋箱
(4)数量、集热面积根据使用要求选配，多路独立运行的太阳能加热土壤蓄热增温系统可并用，可组成任意规模太阳能加热土壤蓄热增温系统。
[0022]
4、采用洁净水、蒸馏水做蓄热、导热工质，一是可确保集热器不受水垢影响，二是可将导热工质成本降低至接近于零。
[0023]
5、采用定温循环集热方法，将太阳能直接注入地下，涉及设备种类、数量少，向地下注热效率高，所需集热泵(5)功率极小，耗电量极小，可不接市电，缺水缺电的野外都适用。
[0024]
本发明由集热器(1)、水位保障箱(2)、分流器(3)、地埋箱(4)、集热泵(5)、测控系统(6)组成，其特征是：集热器(1)采用智能型多功能太阳能集热器，水位保障箱(2)采用非承压水箱，安装在略高于集热器 (1)的位置，地埋箱(4)深埋在土壤内，集热器(1)上接口与水位保障箱(2)下接口和分流器(3)输入端连通，分流器(3)与各地埋箱(4)和集热泵(5)输入端连通，集热泵(5)输出端与集热器(1)下接口连通，定温循环集热，通过集热泵(5)驱动导热工质在集热器(1)与地埋箱(4)之间循环，把集热器(1)收集的太阳能导入地埋箱(4)内，通过地埋箱(4)外壁与周围土壤换热，把太阳能导入并储存在土壤内，测控系统(6)可安装在水位保障箱(2)、集热器(1)任意位置。
[0025]
本发明工作原理：
[0026]
水位保障箱(2)安装在高于集热器(1)位置，手动或自动注满洁净水，直至水位保障箱(2)水满，此时集热器(1)、地埋箱(4)内充满水，当集热器(1)内温度上升到测控系统(6)设定值，测控系统(6)接通集热泵(5) 电源，集热泵(5)抽取地埋箱(4)内底部低温水，从集热器(1)下接口进入各集热器(1)内，从集热器(1)上接口输出的高温热水从地埋箱(4)顶部进入地埋箱(4)内，通过地埋箱(4)外壁与周边土壤换热，把热能储存在土壤内，当集热器(1)出口水温降至测控系统(6)设定的复位值，集热泵(5)关闭，待集热器(1)内温度再次上升到高于设定值，重复上述过程。
[0027]
由于土壤蓄热容量极大，土壤整体温升幅度小，地埋箱(4)底部水温低，集热器最高温度可控制在很低范围，较弱光照下收集的太阳能也可注入土壤内。
[0028]
储存在土壤内的热能，通过缓释，持续提高地温水温，达到土壤蓄热增温、改善土壤生态、反季节种养等目的，土壤蓄热周期、蓄热容量与地埋箱(4)埋藏深度成正比，土壤增温幅度与配置的集热器(1)成正比，即集热器(1)面积越大，承载的土壤面积越小，土壤增温幅度越高。
[0029]
本发明有益效果：
[0030]
1、集热器(1)不怕冻，全球使用无禁区。
[0031]
2、集热器(1)防冻不用防冻液，不存在定期换液问题，无废弃防冻液排放，对土壤和地下水无污染。
[0032]
3、集热器(1)不过热，不受过热危害。
[0033]
4、收集的太阳能都能导入地下，不存在真空管类集热器昼夜热损大的问题。
[0034]
5、集热器(1)之间可无缝并联，并联处不占用采光面积，形象好，安装极其简便。
[0035]
6、地埋箱(4)深埋在地下，开挖孔径小，易封堵，不影响地面种养。
[0036]
7、定温循环集热，向地下注热温差大、效率高，所需泵功率极小，耗电量小，仅需小功率光伏电源就可把集热器(1)收集的太阳能导入地埋箱(4)内，可不接市电，无漏电伤人
等不安全隐患，适于缺水缺电的野外、露天使用。
[0037]
8、组成独立的太阳能加热土壤蓄热增温系统，最大集热面积大于50平方米，按每平方米集热面积每年向地下注入相当于600度电产生的热能计算，每套独立的太阳能加热系统每年可将相当于3万度电的太阳能注入深层土壤，多套独立的太阳能加热系统可并用，集热、蓄热规模需要多大可做多大。
[0038]
9、适用范围广，大棚、温室冬季土壤增温，猪牛羊圈禽舍供暖、大面积露天土壤、田池增温都适用，可用于烘干、发酵，可用于人造地热、温泉、热水发电，可用于公路、各类场院融冰化雪防滑等，凡需要热能的地方都适用。
[0039]
10、涉及设备种类、数量少，综合成本低，运行维修费用接近零，可产生的效益高，与现有全球最先进的平板集热器类、真空管类太阳能热水系统同比，涉及的设备种类、数量减少50％以上，集热和向地下注热耗电量降低70％以上，测控项目减少70％以上，故障因素减少80％以上，综合成本降低50％左右，运行、维修、管理费降低70％以上。
附图说明
[0040]
图1：本发明地埋箱加热型太阳能加热土壤蓄热增温系统基本原理图。
[0041]
图2：本发明多路独立的太阳能加热土壤蓄热增温系统并用基本原理图。
[0042]
图3：本发明智能型多功能太阳能集热器主视示意图
[0043]
图4：本发明智能型多功能太阳能集热器侧视示意图。
[0044]
图5：本发明u型地埋管加热型太阳能加热系统基本原理图。
[0045]
图6：本发明水平地埋管加热型太阳能加热系统基本原理图。
[0046]
图7：本发明散热烘干型太阳能加热系统基本原理图。
[0047]
图1～7图中编号是：1.集热器，2.水位保障箱，3分流器，4.地埋箱，5.集热泵，6.测控系统，7.水处理器，8.上水阀，4a.u型地埋管，4b.水平地埋管，4c.散热烘干器，a.自来水。
[0048]
图1是本发明地埋箱加热型太阳能加热土壤蓄热增温系统基本原理图，是单路独立运行的系统，其集热器面积可在2～50平方米范围内根据需求选配。
[0049]
图2是本发明多路独立的太阳能加热土壤蓄热增温系统并用基本原理图，是本发明的实施例之一，其特点在于：任意路独立运行的太阳能加热土壤蓄热增温系统都可共用一只水位保障箱(2)，自动控制水位保障箱(2)内水位。
[0050]
图5是本发明u型地埋管加热型太阳能加热土壤蓄热增温系统基本原理图，是本发明深层土壤加热实施例之一。
[0051]
图6是本发明水平地埋管加热型太阳能加热系统基本原理图，是本发明浅层土壤加热实施例之一。
[0052]
图7是本发明散热烘干型太阳能加热系统基本原理图，是本发明用于农作物烘干实施例之一。
[0053]
本发明图1、图5、图6还适用粪类烘干、发酵，泥水烘干、沼泽污泥烘干。
具体实施方式
[0054]
集热器(1)采用具有集热、蓄热、暂存、高效导热、抗冻、防过热、抗水垢、输出水温设置、综合测控、可随时停用或启用、适于加热洁净水、昼夜热损小、可无缝并联、大面积并
联的智能型多功能太阳能集热器，众多集热器(1)可并联组成集热系统，并联的集热器(1)数量根据使用要求确定。
[0055]
水位保障箱(2)是为循环集热提供所需水位而设置的水位保障箱，安装在高于集热器(1)的位置，用于为集热运行提供所需液位和补充导热工质，水位保障箱(2)可采用塑胶类、金属类保温水箱，水位保障箱(2) 内导热工质为洁净水、蒸馏水，也可以是防冻液类导热工质，水位保障箱(2)根据现场条件，手动或自动补充，多路独立的太阳能加热土壤蓄热增温系统，水位保障箱(2)可共用，可自动补充导热工质。
[0056]
分流器(3)用于向各地埋箱(4)等量分配流量，保障注入各地埋箱(4)获得的热能相近。
[0057]
地埋箱(4)由不锈钢制造，为便于机械打地埋箱(4)孔，降低打孔难度和费用，尽可能选用直径小的地埋箱(4)，地埋箱容积根据不同场合使用要求选择，用于不同深度的土壤加热，可选用不同类型的加热器，适于本发明使用的土壤加热器还有：u型地埋管加热器(4a)、水平地埋管加热器(4b)，用于农作物烘干，可选用散热烘干器(4c)。
[0058]
集热泵(5)采用耐100度以上水温的水泵，交直流泵都适用，首选小功率直流泵，以利于光伏供电。
[0059]
测控系统(6)是本发明信号处理、控制、显示系统，用于控制、显示和联网远程监控，实现测控系统(6) 功能的电路、方法很多，凡能实现测控系统(6)功能的电路、方法都适用，测控系统(6)可安装在集热器(1)、水位保障箱(2)任意位置。
[0060]
水处理器(7)、上水阀(8)、水位保障箱(2)共同组成多路独立系统共用的水位保障系统，用于自动上水和控制水位，处于同一地平面的太阳能加热土壤蓄热增温系统，无论独立运行的集热系统数量有多少，都可共用同一套水位保障系统，水位保障箱(2)安装在底部略高于集热器顶部的位置。