能源独立型氢能发电系统一体型智能农场的制作方法

1.本发明涉及一种能源独立型氢能发电系统一体型智能农场。


背景技术：

2.在因农村人口的持续减少及高龄化而导致农户的收入停滞不前的时间点上，用于将与第四次工业革命相关的技术应用到农业的各种研究正在积极开展。因此，随着用于提高农业成产力的尝试正积极开展，智能农场也变得活跃。智能农场通过物联网、大数据、人工智能等技术来适当维护并管理农作物的生长环境，由于可通过个人计算机或智能手机等远程自动管理，因此，可提高生产效率和便利性。但是，由于当前所有智能农场只能直接使用从发电厂供给的电力，因此，具有无法在电力供给存在限制的场所使用的问题。


技术实现要素：

3.技术问题
4.本发明要实现的技术目的在于，提供如下的能源独立型氢能发电系统一体型智能农场，即，在设置及运营提高农业生产力并增加农户收入的智能农场的过程中能够克服只能从发电厂接收供电的地域限制。
5.技术方案
6.根据一实施方式，本发明提出的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理系统包括：能源独立型氢能发电部，对取水后得到的用水进行净水处理并通过水电解生成清洁氢，利用所生成的清洁氢并通过燃料电池生成并储存能源；以及栽培环境控制部，通过从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器及摄像头的能源来控制栽培农作物所需环境。
7.能源独立型氢能发电部包括：取水及高级净水部，将取水后得到的用水储存在储水箱，通过去除沉淀物来进行净水处理；太阳能水电解部，经过净水处理的用水向其流入，利用由太阳能集热板产生的能源并通过水电解生成氢，在对所生成的氢进行纯化后储存；以及能源生产和储存部，所储存的氢向其注入，利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池生成能源，将所生成的能源储存在能源储存装置，所储存的能源还用于向太阳能水电解部供电。
8.栽培环境控制部通过包括温湿度传感器、土壤信息传感器、培养液信息传感器、二氧化碳(co2)信息传感器、灌水控制传感器在内的多个传感器和摄像头监控栽培环境，基于监控到的栽培环境来控制栽培农作物所需的智能农场的环境。
9.能源独立型氢能发电部及栽培环境控制部通过移动终端或网络进行监控，基于监控结果执行包括用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节、栽培环境的温湿度调节、土壤成分管理、培养液供给和调节、二氧化碳浓度调节及灌水控制在内的远程机械控制，将增加能源生产和储存部的使用寿命，当燃料电池的水电解运行中断或自身电力产生中断时，可通过外部电力流入来执行远程电力控制。
10.能源生产和储存部利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池将氢转化为能源，通过回收剩余氢来使其经过氢纯化装置重新注入到燃料电池，燃料电池具有由多个燃料电池并联连接的双引擎结构，为了提高能源储存装置的使用寿命，具有充放电切换结构。
11.根据另一实施方式，本发明提出的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理方法包括如下的步骤：通过能源独立型氢能发电部对取水后得到的用水进行净水处理并通过水电解生成清洁氢以及利用所生成的清洁氢并通过燃料电池生成并储存能源；以及通过栽培环境控制部从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器及摄像头的能源来控制栽培农作物所需环境。
12.发明的效果
13.本发明实施例的能源独立型氢能发电系统一体型智能农场具有如下效果，即，在没有外部电力的情况下，能源独立型氢能发电系统可利用太阳光和从沿岸及河川取水后得到的水并以无外部电力的方式通过水电解装置生产氢。通过燃料电池来将所生产的氢生产为能源，从而可通过将所生产的能源储存在电池或直接向智能农场的控制器供给电力来生产农作物。
附图说明
14.图1为示出本发明一实施例的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理系统的结构的图。
15.图2为示出本发明一实施例的能源独立型氢能发电部的结构的图。
16.图3为用于说明本发明一实施例的能源独立型氢能发电一体型智能农产的管理方法的流程图。
17.图4为示出本发明一实施例的模块化的能源独立型氢能发电部的结构的图。
18.图5为用于说明本发明一实施例的远程机械控制的图。
19.图6为用于说明本发明一实施例的远程电力控制的图。
20.图7为用于说明本发明一实施例的回收氢并循环使用的过程的图。
具体实施方式
21.以下，参照附图详细说明本发明的实施例。
22.图1为示出本发明一实施例的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理系统的结构的图。
23.本发明在设置及运营提高农业生产力并增加农户收入的智能农场的过程中能够克服只能从发电厂接收供电的地域限制。本发明提出的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理系统包括能源独立型氢能发电部110和栽培环境控制部120。
24.本发明实施例的能源独立型氢能发电部110对取水后得到的用水进行净水处理并通过水电解生成清洁氢，利用所生成的清洁氢并通过燃料电池生成并储存能源。所储存的能源还用于向水电解装置供给不足的电力。
25.例如，在没有外部电力的情况下，能源独立型氢能发电部110利用太阳光和从沿岸及河川取水后得到的水并通过水电解装置生产氢。通过燃料电池将所生产的氢转化为能
源，将像这样生产的能源储存在能源储存装置(换言之，电池)或向智能农场的栽培环境控制部120直接供给电力来生产农作物，这种能源独立型氢能发电部110为一体型系统。
26.本发明实施例的栽培环境控制部120通过从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器和摄像头126的能源来控制栽培农作物所需环境，例如，上述多个传感器有温湿度传感器121、土壤信息传感器122、培养液信息传感器123、二氧化碳信息传感器124及灌水控制传感器125。
27.本发明实施例的用于栽培农作物的空间可利用通过能源独立型氢能发电部提供的电力来驱动栽培环境控制部，因此，在岛屿、山地及农村地区等难以供电的任何地方均可运营能源独立型智能农场。这种智能农场可被制作成集装箱或塑料大棚等形态，尺寸可根据用途和农作物的量而变得不同。
28.栽培环境控制部120通过包括温湿度传感器121、土壤信息传感器122、培养液信息传感器123、二氧化碳信息传感器124及灌水控制传感器125在内的多个传感器和摄像头126监控栽培环境，基于监控到的栽培环境来控制栽培农作物所需的智能农场的环境。
29.通过多个传感器测定的栽培环境可通过移动终端或网络进行监控，可基于监控结果进行对于能源独立型氢能发电部的用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节等的控制，并且，可进行对栽培环境的温湿度调节、土壤成分管理、培养液供给和调节、二氧化碳浓度调节及灌水控制。这种控制通过显示器显示监控结果来使得使用人员能够手动控制，或者，也可通过移动终端或网络来实现远程机械控制。
30.以下，参照图2，进一步详细说明本发明一实施例的能源独立型氢能发电部的结构。
31.图2为示出本发明一实施例的能源独立型氢能发电部的结构的图。
32.能源独立型氢能发电部包括取水及高级净水部210、太阳能水电解部220及能源生产和储存部230。
33.取水及高级净水部210将取水后得到的用水储存在储水箱，通过去除沉淀物来进行净水处理。取水及高级净水部210优先向储水箱211储存雨水、海水、自来水并筛除沉淀物。通过储水箱211内部的筛网进行第一次过滤。随后，在通过过滤器213进行第二次过滤后，通过紫外线(uv)214和膜过滤器215进行第三次过滤来实现净水处理。将向太阳能水电解部供给经过净水处理的水，同时也可用作饮用水。
34.处理工序将用水的使用用途作为侧重点，由凝集/沉淀、过滤、活性炭吸附、反渗透、高级氧化等连续工序组成。反应器通过考虑目标值的处理水平、最佳注入浓度、光照强度、接触时间、每种水质因子特性设计而成。并且，由于个别单元要素系统对每个处理目标物质的控制及维护管理时间上存在规定，因此，可长时间维持高效的系统性能。
35.经过净水处理的用水向太阳能水电解部220流入，太阳能水电解部220利用由太阳能集热板产生的能源并通过水电解生成氢，在对所生成的氢进行纯化后储存。
36.经过净水处理的用水向太阳能水电解部220流入并实施水电解，从而产生纯清洁氢。水电解工序利用通过太阳能集热板222收集的太阳能有效进行，在水电解装置221利用太阳能和用水产生的氢将在氢纯化装置223中经过纯化过程转化为高纯度的清洁氢并储存于储氢罐224。随后，通过自动控制装置225来使得规定量的氢周期性地注入到能源生产和储存部230。分析相对于水电解时所需电力的太阳能发电效率，来通过自动控制装置225有
效进行。
37.向能源生产和储存部230注入所储存的氢，利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池生成能源，将所生成的能源储存在能源储存装置。所储存的能源还用于向水电解装置供给不足的电力。
38.注入到能源生产和储存部230的氢通过燃料电池231转化为能源，所生成的能源和由太阳能集热板222产生的能源将传输到电池管理系统232(bms，battery management system)。通过电池管理系统232与自动控制装置225的联动来进行最佳能源生产及储存工序。从燃料电池堆产生的电力可通过能源储存装置233储存并用作应急电力。
39.能源生产和储存部230可通过面板评价由燃料电池231生产的剩余电力的储存状态，应用双向功率调节系统(pcs，power conditioning system)将生产成直流的电力转换为交流并储存。
40.能源生产和储存部230可利用由太阳能集热板222产生的能源并通过燃料电池231将氢转化为能源并回收剩余氢来在使氢经过氢纯化装置223被纯化后重新注入到燃料电池231。这种燃料电池231可具有由多个燃料电池并联连接的双引擎结构，为了提高使用寿命，能源储存装置233可具有充放电切换结构。
41.根据本发明的实施例，能源独立型氢能发电部可通过移动终端或网络进行监控，基于监控结果来实现包括用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节在内的远程机械控制。并且，将增加电池使用寿命，当燃料电池的水电解运行中断或自身电力产生中断时，可通过外部电力流入来实现远程电力控制。
42.图3为用于说明本发明一实施例的能源独立型氢能发电一体型智能农产的管理方法的流程图。
43.本发明提出的能源独立型氢能发电一体型智能农场的管理方法包括：步骤310，通过能源独立型氢能发电部对取水后得到的用水进行净水处理并通过水电解生成清洁氢以及利用所生成的清洁氢并通过燃料电池生成并储存能源；以及步骤320，通过栽培环境控制部从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器及摄像头的能源来控制栽培农作物所需环境。
44.在步骤310中，对取水后得到的用水进行净水处理并通过水电解生成清洁氢，利用所生成的清洁氢并通过燃料电池生成并储存能源。
45.例如，在没有外部电力的情况下，能源独立型氢能发电部利用太阳光和从沿岸及河川取水后得到的水并通过水电解装置生产氢。通过燃料电池将所生产的氢转化为能源，将像这样生产的能源储存在能源储存装置(换言之，电池)或向智能农场的栽培环境控制部直接供给电力来生产农作物。
46.步骤310包括：步骤311，通过取水及高级净水部将取水后得到的用水储存在储水箱，通过去除沉淀物来进行净水处理；步骤312，经过净水处理的用水向太阳能水电解部流入，利用由太阳能集热板产生的能源并通过水电解生成氢，在对所生成的氢进行纯化后储存；以及步骤313，向能源生产和储存部注入所储存的氢，利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池生成能源，将所生成的能源储存在能源储存装置。
47.在步骤311中，通过取水及高级净水部将取水后得到的用水储存在储水箱，通过去除沉淀物来进行净水处理。取水及高级净水部将取水后得到的用水储存在储水箱并去除沉
淀物来进行净水处理。取水及高级净水部优先向储水箱储存雨水、海水、自来水并筛除沉淀物。通过储水箱内部的筛网进行第一次过滤。随后，在通过过滤器进行第二次过滤后，通过紫外线(uv)和膜过滤器进行第三次过滤，从而实现净水处理。
48.处理工序将用水的使用用途作为侧重点，由凝集/沉淀、过滤、活性炭吸附、反渗透、高级氧化等连续工序组成。反应器通过考虑目标值的处理水平、最佳注入浓度、光照强度、接触时间、每种水质因子特性设计而成。并且，由于个别单元要素系统对每个处理目标物质的控制及维护管理时间上存在规定，因此，可长时间维持高效的系统性能。
49.在步骤312中，经过净水处理的用水向太阳能水电解部流入，太阳能水电解部利用由太阳能集热板产生的能源并通过水电解生成氢，在对所生成的氢进行纯化后储存。
50.经过净水处理的用水向太阳能水电解部流入并实施水电解，从而产生清洁氢。水电解工序利用通过太阳能集热板收集的太阳能有效进行，在水电解装置利用太阳能和用水产生的氢将在纯化装置中经过纯化过程转化为高纯度的清洁氢并储存于储氢罐。随后，通过自动控制装置来使得规定量的氢周期性地注入到能源生产和储存部。分析相对于水电解时所需电力的太阳能发电效率，来通过自动控制装置有效进行。
51.在步骤313中，向能源生产和储存部注入所储存的氢，利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池生成能源，将所生成的能源储存在能源储存装置。所储存的能源还用于向水电解装置供给不足的电力。
52.注入到能源生产和储存部的氢通过燃料电池转化为能源，所生成的能源和由太阳能集热板产生的能源将传输到电池管理系统。通过电池管理系统与自动控制装置的联动来进行最佳能源生产及储存工序。从燃料电池堆产生的电力可通过能源储存装置储存并用作应急电力。
53.能源生产和储存部可通过面板评价由燃料电池生产的剩余电力的储存状态，应用双向功率调节系统将生产成直流的电力转换为交流并储存。
54.能源生产和储存部可利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池将氢转化为能源并回收剩余氢来在使氢经过氢纯化装置被纯化后重新注入到燃料电池。这种燃料电池可具有由多个燃料电池并联连接的双引擎结构，为了提高使用寿命，能源储存装置可具有充放电切换结构。
55.根据本发明的实施例，能源独立型氢能发电部可通过移动终端或网络进行监控，基于监控结果来实现包括用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节在内的远程机械控制。并且，将增加电池使用寿命，当燃料电池的水电解运行中断或自身电力产生中断时，可通过外部电力流入来实现远程电力控制。
56.在步骤320中，通过栽培环境控制部从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器及摄像头的能源来控制栽培农作物所需环境。
57.从能源独立型氢能发电部接收用于驱动多个传感器和摄像头的能演来控制栽培农作物所需环境，例如，上述多个传感器有温湿度传感器、土壤信息传感器、培养液信息传感器、二氧化碳信息传感器及灌水控制传感器。
58.本发明实施例的用于栽培农作物的空间可利用通过能源独立型氢能发电部提供的电力来驱动栽培环境控制部，因此，在岛屿、山地及农村地区等难以供电的任何地方均可运营能源独立型智能农场。这种智能农场可被制作成集装箱或塑料大棚等形态，尺寸可根
据用途和农作物的量而变得不同。
59.栽培环境控制部通过包括温湿度传感器、土壤信息传感器、培养液信息传感器、二氧化碳信息传感器及灌水控制传感器在内的多个传感器和摄像头监控栽培环境，基于监控到的栽培环境来控制栽培农作物所需的智能农产的环境。
60.通过多个传感器测定的栽培环境通过移动终端或网络进行监控，可基于监控结果进行对于能源独立型氢能发电部的用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节等的控制，并且，可进行对栽培环境的温湿度调节、土壤成分管理、培养液供给和调节、二氧化碳浓度调节及灌水控制。这种控制通过显示器显示监控结果来使得使用人员能够手动控制，或者，也可通过移动终端或网络来实现远程机械控制。
61.图4为示出本发明一实施例的模块化的能源独立型氢能发电部的结构的图。
62.如上述说明，本发明一实施例的能源独立型氢能发电部包括取水及高级净水部、太阳能水电解部以及能源生产和储存部。若按模块表示各个结构，则本发明可由取水及高级净水模块410、太阳能水电解模块420、燃料电池模块430、电池模块440组成。通过这种机械控制系统及电力控制系统的模块化，可使得结合变得容易并确保缺陷检测及维护维修的简易性。并且，可通过对每个结构实现模块化来设计能够移动的能源独立型氢能发电部，从而可通过移动来向需要电力的场所供电。
63.图5为用于说明本发明一实施例的远程机械控制的图。
64.通过多个传感器测定的栽培环境通过移动终端或网络进行监控，可基于监控结果进行对于能源独立型氢能发电部的用水供给、储水箱水位调节、用于水电解的电解质浓度调节等的控制，并且，可进行对栽培环境的温湿度调节、土壤成分管理、培养液供给和调节、二氧化碳浓度调节及灌水控制。这种控制通过显示器显示监控结果来使得使用人员能够手动控制，或者，也可通过移动终端或网络来实现远程机械控制。
65.如图5所示，通过移动终端或网络进行监控(步骤510)，并基于监控结果执行控制(步骤520)。例如，可通过温度计511、流量计512、压力计513及ph浓度计514进行监控(步骤510)。
66.例如，基于监控结果，可通过鼓风机521向燃料电池堆供给氢和空气(air)(换言之，氧)。
67.基于通过温度计511、流量计512、压力计513监控的结果，也可利用加压器522控制氢的量。
68.并且，可通过加湿器523调节一氧化二氢(h2o)的量，也可通过水位计524调节储水箱的水位。
69.换言之，可通过移动终端或网络来远程控制并监控用于向燃料电池供给氢燃料或空气(氧)的供给装置或与用于向高纯水提供电解质的取水系统相连接的装置等。
70.更详细地，在河川水或建筑物等的水管道，通过内部泵自动供水，可通过内部储水箱的水位调节传感器调节内部水位。并且，通过电解质浓度测定传感器自动供给电解质，可维持水电解所需的适当浓度，也可通过在储水箱内部安装搅拌系统来维持电解质的适当浓度。在燃料电池电源阻断时，可通过远程阻断水电解阀门、储氢罐阀门及电源来防止氢气泄漏。
71.图6为用于说明本发明一实施例的远程电力控制的图。
72.根据本发明的一实施例，燃料电池可以为由多个燃料电池并联连接的双燃料电池堆640，为了提高能源储存装置的使用寿命，可具有充放电切换结构。
73.通过电池管理系统623及能源管理系统621控制及监控能源生产和储存部(换言之，电池630)，通过电力计测定电流及电压，可通过温度计612及电力负荷控制部611远程监控电池的状态。
74.可通过移动终端或网络远程控制及监控使得由双燃料电池推640产生的电能与电力系统相连接的电力控制。可通过设计成双燃料电池推640，来使两个燃料电池并联连接，以在一个燃料电池关闭的情况下也可生产电。
75.并且，可采用电池630充放电切换系统来提高电池使用寿命。由于固定有充电电池与放点电池，因此，在完成充电的情况下，可切换放电电池来防止过充电。应用双向功率调节系统将生产成直流的电力转换为交流并储存，并且，可通过变压器613监控电池的状态。
76.当燃料电池及水电解运行中断或自身电力产生中断时，系统可通过外部电力650流入来进行工作。
77.图7为用于说明本发明一实施例的回收氢并循环使用的过程的图。
78.根据本发明的一实施例，利用由太阳能集热板产生的能源并通过燃料电池720将从储氢罐710接收的氢转化为能源。在此情况下，回收转化后剩余的氢并在使氢经过氢纯化装置730被纯化后重新注入到燃料电池720，从而可循环使用。
79.以上说明的装置可通过硬件结构要素、软件结构要素和/或硬件结构要素及软件结构要素的组合实现。例如，在实施例中说明的装置及结构要素可利用如处理器、控制器、算术逻辑单元(alu，arithmetic logic unit)、数字信号处理器(digital signal processor)、微型计算机、现场可编程阵列(fpga，field programmable gate array)、可编程逻辑单元(plu，programmable logic unit)、微型处理器或可执行并响应指令(instruction)的其他装置的一个以上的通用计算机或特殊目的计算机体现。处理装置可执行操作系统(os)及在上述操作系统上执行的一个以上的软件应用程序。并且，处理装置可响应软件的执行来访问、存储、操作、处理及生成数据。为了便于理解，说明了仅使用一个处理装置的情况，本发明所属技术领域的普通技术人员可以知道处理装置可包括多个处理要素(processing element)和/或多个类型的处理要素。例如，处理装置可包括多个处理器或一个处理器及一个控制器。并且，还可包括如同并联处理器(parallel processor)的其他处理结构(processing configuration)。
80.软件可包括计算机程序(computer program)、代码(code)、指令(instruction)或它们中的一种以上的组合，能够以按需要进行工作的方式构成处理装置或者独立或结合性(collectively)地对处理装置下达指令。软件和/或数据可为了通过处理装置解释或者为了向处理装置提供指令或数据而被任何类型的机械、结构要素(component)、物理装置、虚拟装置(virtual equipment)、计算机存储介质或装置所具体化(embody)。软件分散在通过网络连接的计算机系统上，从而可通过分散的方法存储或执行。软件及数据可存储于一个以上的计算机可读记录介质。
81.实施例的方法体现为可通过多种计算机单元执行的程序指令形态来记录在计算机可读介质。上述计算机可读介质可单独或组合性地包括程序指令、数据文件、数据结构等。记录在上述介质的程序指令可使用为了实施例而特别设计且计算机软件领域中的普通
技术人员已知的程序指令。例如，计算机可读记录介质包括硬盘、软盘及磁盘的磁介质(magnetic media)、如cd-rom及dvd的光记录介质(optical media)、如光磁软盘(floptical disk)的磁光介质(magneto-optical medium)及如只读存储器、随机存取存储器、闪存等用于存储并执行程序指令的特别硬件装置。作为程序指令的例，不仅包括通过编译器形成的机械语言代码，而且还包括使用解译器等来在计算机执行的高级语言代码。
82.以上，虽然通过限定的实施例和附图说明了多个实施例，但是，本发明所属技术领域的普通技术人员可通过以上记载进行多种修改及变形。例如，所说明的技术以与所说明的方法不同的顺序执行和/或所说明的系统、结构、装置、电路等结构要素以与所说明的方法不同的实施方式结合或组合，或者，即使被其他结构要素或等同技术方案所代替或置换也可实现适当结果。
83.因此，与其他实例、其他实施例及发明要求保护范围等同的技术方案均属于发明要求保护范围。