本發(fā)明涉及光熱農(nóng)業(yè)，特別是分光聚光原理，屬于太陽能高效利用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光照對植物生長發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在：光照強(qiáng)度、光照時間(光周期)和光質(zhì)三個方面。其中光質(zhì)指的是光的組成，太陽輻射的波長范圍為150-3000nm，其中400-700nm的可見光約占52％，紅外線占43％，而紫外線占5％。研究表明，不同波段的光對植物生長的影響也是不同的：波長大于1000nm的紅外光，植物吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，促進(jìn)干物質(zhì)積累，加速水分蒸發(fā)，但不參與光合作用；1000-720nm的光對植物伸長起作用；720-610nm的紅橙光被葉綠素強(qiáng)烈吸收，光合作用最強(qiáng)，一定條件下表現(xiàn)為強(qiáng)光的光周期作用；610-510nm的綠光葉綠素吸收不多，光合效率低；510-400nm的藍(lán)紫光葉綠素吸收最多，表現(xiàn)為強(qiáng)光合作用與成形作用；400-320nm的光起成形和著色作用；波長小于320nm的紫外線對大多數(shù)植物有害，可能導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉，影響光合作用。由以上可見，植物生長主要需要紅藍(lán)光，其他光質(zhì)會加速水分蒸發(fā)，甚至不利于植物的正常生長。

另一方面，近些年，生態(tài)危機(jī)日益嚴(yán)重，能源問題日漸突出，尤其我國西北地區(qū)，常年干旱少雨且光照充足，太陽能作為清潔的可再生能源，它的高效利用對于緩解能源危機(jī)具有十分重要的意義。作為利用太陽能進(jìn)行發(fā)電的可再生能源技術(shù)，光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用已十分廣泛。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的劉文教授及其團(tuán)隊在光伏發(fā)電基礎(chǔ)上開展光伏農(nóng)業(yè)，實驗取得初步成果。該團(tuán)隊的申請?zhí)枮镃N201510088529.8的發(fā)明專利《一種植物工廠的太陽光綜合利用系統(tǒng)》公開了一種將植物生長和太陽能光伏發(fā)電相結(jié)合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用菲涅爾透鏡模塊進(jìn)行聚光，通過在太陽能電池板受光面覆蓋光學(xué)薄膜實現(xiàn)分光效果，實現(xiàn)了對太陽光全光譜的科學(xué)利用，收集來的光能用于光伏發(fā)電，取得很好效果。但裝置整體復(fù)雜，難以廣泛推廣應(yīng)用，且光伏發(fā)電始終存在一些問題，太陽能電池在生產(chǎn)過程中對環(huán)境的損耗較大，是高能耗、高污染的生產(chǎn)流程。相比之下，光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過程，基本采用物理手段進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換，對環(huán)境危害極小。光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展比較成熟，而光熱發(fā)電依然處于技術(shù)不斷的創(chuàng)新與改進(jìn)的階段，它儲熱成本低，年發(fā)電量小時數(shù)長，與其他發(fā)電形式可有效契合，是最有條件取代火電、擔(dān)當(dāng)基礎(chǔ)電力負(fù)荷的新能源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提出一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置，通過光子晶體膜分光作用實現(xiàn)種植與集熱于一體，并時刻保持陽光直射，實現(xiàn)太陽能高效利用，減少作物水分蒸發(fā)。既滿足植物生長，又能夠?qū)⒋蟛糠痔柲芤詿崮艿男问竭M(jìn)行存貯利用。

為實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置，由光子晶體膜、弧形板、中心桿、聯(lián)動桿、集熱管、卡扣、支撐桿、入口管、可調(diào)速電機(jī)、鏈輪、弧形板插口、出口管、調(diào)節(jié)絲杠、齒輪槽、斜齒輪、水槽、緊固螺釘以及墻體、綠色植物組成。墻體四周封閉，一面高一面低，兩側(cè)面為梯形形狀，低的面位于南面，圍成的空間內(nèi)種植綠色植物。墻體頂部安裝有多組分光聚光系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)和太陽跟蹤系統(tǒng)。

光子晶體膜、弧形板、中心桿和弧形板插口組成分光聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)，太陽光譜中的紅藍(lán)光穿過光子晶體膜供給植物生長，其余光質(zhì)被反射聚焦到集熱系統(tǒng)；集熱系統(tǒng)由聯(lián)動桿、集熱管、支撐桿、入口管、出口管和緊固螺釘組成，集熱管內(nèi)流動介質(zhì)吸收太陽能并以熱能的形式存儲利用；卡扣、可調(diào)速電機(jī)、鏈輪、調(diào)節(jié)絲杠、齒輪槽和斜齒輪組成太陽跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)日出日落規(guī)律，由可調(diào)速電機(jī)帶動分光聚光裝置在中心桿和集熱管中心的連線與地平面夾角從東向20度到160度之間往復(fù)作百葉窗式的角度聯(lián)動調(diào)整，使光子晶體膜始終正對太陽直射方向，同時，根據(jù)不同季節(jié)太陽高度角變化規(guī)律，對弧形板與地面夾角進(jìn)行階梯式調(diào)整。

在分光聚光系統(tǒng)內(nèi)，通過光子晶體膜的分光作用，使植物生長所需要的紅藍(lán)光穿過供給綠色植物正常生長，其余光質(zhì)被反射聚焦。光子晶體膜指對非紅藍(lán)光波段的光子具有禁阻作用的膜，它能夠形成光子禁帶，阻斷非紅藍(lán)光頻率的光子，從而影響光子的運(yùn)動，阻隔非紅藍(lán)光，使紅藍(lán)光可以穿過膜，供給綠色植物正常生長，非紅藍(lán)光被反射，如3M公司的隔熱防爆膜。光子晶體膜貼在弧形板的凸面，弧形板為柱面的一部分，為避免弧形板弧度過小聚光效果不佳或弧度太大遮擋陽光，弧形板對應(yīng)的中心角弧度范圍為[90,180)(包含90度，不包含180度)，柱面對應(yīng)的半徑大小由裝置規(guī)模決定，通常取0.5m?；⌒伟灏济嫱扛卜纪繉觼韺崿F(xiàn)自潔功能，采用有機(jī)玻璃或其他透光性好、質(zhì)量輕的材料制成?；⌒伟逯行挠兄行臈U穿過，中心桿與弧形板熱粘合于一體?；⌒伟逑露瞬迦牖⌒伟宀蹇趦?nèi)，便于弧形板快速拆裝。

集熱系統(tǒng)內(nèi)收集非紅藍(lán)光，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艽鎯谩＜療峁芡ㄟ^支撐桿固定在墻體頂端，通過聯(lián)動桿與中心桿連接，聯(lián)動桿上安裝有緊固螺釘，便于弧形板拆裝。軟化水由入口管進(jìn)入集熱管，在集熱管內(nèi)吸收經(jīng)反射聚焦的非紅藍(lán)光，并從出口管流出。太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，可用于低溫季?jié)的棚內(nèi)暖氣、對外供熱、發(fā)電進(jìn)行夜間照明等。

太陽跟蹤系統(tǒng)控制弧形板在東西向、南北向的角度，保證光子晶體膜始終正對太陽直射角度。在該系統(tǒng)內(nèi)，卡扣將聯(lián)動桿與集熱管連接，使聯(lián)動桿能夠以集熱管為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動弧形板以及弧形板上的光子晶體膜以集熱管為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，保證集熱管始終位于光子晶體膜反射中心。其中，卡扣由銷釘、卡環(huán)和螺栓組成，卡環(huán)焊接在聯(lián)動桿頂端，卡環(huán)與集熱管的接觸面涂有潤滑油，打開螺栓卡環(huán)可圍繞銷釘轉(zhuǎn)動，便于聯(lián)動桿拆裝。在東西方向，通過可調(diào)速電機(jī)帶動斜齒輪轉(zhuǎn)動，斜齒輪與弧形板插口下端的齒輪槽相互配合，弧形板在斜齒輪帶動下轉(zhuǎn)動，且在鏈輪作用下實現(xiàn)所有弧形板同步轉(zhuǎn)動；根據(jù)我國大部地區(qū)日出日落時間預(yù)先設(shè)定可調(diào)速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，5:00時弧形板面對東方，中心桿和集熱管中心的連線與地面夾角為20度，經(jīng)過12小時的勻速轉(zhuǎn)動，在17：00時弧形板面對西方，中心桿和集熱管中心的連線與地面夾角為160度，之后12小時進(jìn)行反向勻速轉(zhuǎn)動，這樣以24小時為周期進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使光子晶體膜始終正對太陽直射角度，實現(xiàn)光子晶體膜百葉窗式聯(lián)動調(diào)整。在南北方向，整體裝置采取北高南低槽型弧面，通過支撐桿上的調(diào)節(jié)絲杠調(diào)節(jié)傾角角度，根據(jù)不同地區(qū)太陽高度角變化規(guī)律階梯式調(diào)整弧形板與地面夾角，使光子晶體膜正對太陽直射角度；以濟(jì)南地區(qū)(北緯36度)為例，夏至?xí)r太陽高度角為77.5度，調(diào)整調(diào)節(jié)絲杠，使夏季時弧形板中心對地面夾角為12.5度，同樣地在冬季使弧形板中心對地面夾角為59.5度，春秋季節(jié)為36度，也可根據(jù)進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，使傾角優(yōu)化更加精確。

由于弧形板凹面易沉積灰塵，影響太陽光的正常投射，該裝置在正常使用時可采用自清潔系統(tǒng)進(jìn)行弧形板表面清潔。自清潔系統(tǒng)包括水泵、上水管和水槽，為避免白天水分的蒸發(fā)散失和對光子晶體膜正常工作的影響，選擇在夜間通過水泵和上水管向弧形板上端打水，水沿著弧形板向下流，同時沖刷弧形板表面，起到清潔作用，弧形板下側(cè)邊緣帶噴淋沖洗孔管，水從噴淋沖洗孔管流出，收集在水槽內(nèi)，用于農(nóng)作物灌溉。

除了采用柱面弧形板外，也可采用拋物型面板，光子晶體膜固定在拋物型面板外側(cè)，拋物型面板安裝在主支撐軸上，主支撐軸高度及角度可調(diào)，集熱罐由集熱罐支座固定于拋物型面板焦點位置，使用時，紅藍(lán)光穿過拋物型面板供給植物生長，非紅藍(lán)光被反射，集中的熱量用于加熱集熱罐，可用于小型溫室裝置?；?qū)佄镄兔姘寮墒褂?，使多個拋物型面板將太陽光集中于一處集熱罐，實現(xiàn)大規(guī)模光熱農(nóng)業(yè)連續(xù)生產(chǎn)。

另外，可采用熱管與儲水罐來實現(xiàn)集熱，光子晶體膜將非紅藍(lán)光集中在熱管上，熱管內(nèi)揮發(fā)性液體集中在低處，低處為熱管的熱端，集中的太陽光加熱熱端使揮發(fā)性液體迅速汽化，高處為冷凝端，高溫氣體擴(kuò)散至冷凝端會迅速冷凝散熱，冷凝端伸入儲水罐內(nèi)加熱儲水罐內(nèi)的水，儲水罐外部的保溫層避免熱量散失，將熱能存儲，進(jìn)行下一步利用。

本發(fā)明一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置，其優(yōu)點和作用為：

(1)太陽能高效利用。通過光子晶體膜的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對太陽光的分光處理，紅藍(lán)光用于綠色植物的生長，非紅藍(lán)光被收集來進(jìn)一步利用，提高了太陽能的利用效率；

(2)減少水分散失。紅外線不參與植物光合作用，且會加速水分蒸發(fā)，通過光子晶體膜使紅外線不能照射到綠色植物上，從而減少了水分的蒸發(fā)散失，尤其適用于西北等干旱地區(qū)；

(3)利于植物生長。不利于植物生長的紫外線等被隔離開來，避免其抑制植物的生長，從而實現(xiàn)溫室環(huán)境光照的智能控制，使綠色植物更加健康的生長。

(4)光照跟蹤成本低，效率高。通過分析太陽運(yùn)行規(guī)律，東西向百葉窗式連續(xù)跟蹤光照，南北向間歇式調(diào)整，保證正對太陽直射角度，裝置成本低，效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置的軸測圖。

圖2是圖1中A-A截面的剖視圖。

圖3是本發(fā)明一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置的墻體結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置的卡扣結(jié)構(gòu)圖。

圖5是5:00時刻時圖2中B-B截面的斷面圖。

圖6是17:00時刻時圖2中B-B截面的斷面圖。

圖7是拋物型面板工作軸測圖。

圖8是拋物型面板集成工作圖。

圖9是熱管集熱結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖中：1-光子晶體膜 2-弧形板 3-中心桿 4-聯(lián)動桿 5-集熱管 6-卡扣 7-支撐桿 8-入口管 9-墻體 10-綠色植物 11-可調(diào)速電機(jī) 12-鏈輪 13-弧形板插口 14-出口管 15-水泵 16-上水管 17-調(diào)節(jié)絲杠 18-齒輪槽 19-斜齒輪 20-水槽 21-銷釘 22-卡環(huán) 23-螺栓 24-緊固螺釘 25-主支撐軸 26-拋物型面板 27-集熱罐支座 28-集熱罐 29-儲水罐 30-保溫層 31-熱管

具體實施方式

如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種帶有光子晶體膜的太陽能高效利用溫室裝置，由光子晶體膜1、弧形板2、中心桿3、聯(lián)動桿4、集熱管5、卡扣6、支撐桿7、入口管8、可調(diào)速電機(jī)11、鏈輪12、弧形板插口13、出口管14、調(diào)節(jié)絲杠17、齒輪槽18、斜齒輪19、水槽20、緊固螺釘24以及墻體9、綠色植物10組成。如圖3所示，墻體9四周封閉，一面高一面低，兩側(cè)面為梯形形狀，低的面位于南面，圍成的空間內(nèi)種植綠色植物10。墻體9頂部安裝有多組分光聚光系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)和太陽跟蹤系統(tǒng)。

光子晶體膜1、弧形板2、中心桿3和弧形板插口13組成分光聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)，太陽光譜中的紅藍(lán)光穿過光子晶體膜1供給植物生長，其余光質(zhì)被反射聚焦到集熱系統(tǒng)；集熱系統(tǒng)由聯(lián)動桿4、集熱管5、支撐桿7、入口管8、出口管14和緊固螺釘24組成，集熱管5內(nèi)流動介質(zhì)吸收太陽能并以熱能的形式存儲利用；卡扣6、可調(diào)速電機(jī)11、鏈輪12、調(diào)節(jié)絲杠17、齒輪槽18和斜齒輪19組成太陽跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)日出日落規(guī)律，由可調(diào)速電機(jī)11帶動分光聚光裝置在中心桿3和集熱管5中心的連線與地平面夾角從東向20度到160度之間往復(fù)作百葉窗式的角度聯(lián)動調(diào)整，使光子晶體膜1始終正對太陽直射方向，同時，根據(jù)不同季節(jié)太陽高度角變化規(guī)律，對弧形板2與地面夾角進(jìn)行階梯式調(diào)整。

在分光聚光系統(tǒng)內(nèi)，通過光子晶體膜1的分光作用，使植物生長所需要的紅藍(lán)光穿過供給綠色植物10正常生長，其余光質(zhì)被反射聚焦。光子晶體膜1指對非紅藍(lán)光波段的光子具有禁阻作用的膜，它能夠形成光子禁帶，阻斷非紅藍(lán)光頻率的光子，從而影響光子的運(yùn)動，阻隔非紅藍(lán)光，使紅藍(lán)光可以穿過膜，供給綠色植物正常生長，非紅藍(lán)光被反射，如3M公司的隔熱防爆膜。光子晶體膜1貼在弧形板2的凸面，弧形板2為柱面的一部分，為避免弧形板2弧度過小聚光效果不佳或弧度太大遮擋陽光，弧形板2對應(yīng)的中心角弧度范圍為，柱面對應(yīng)的半徑大小由裝置規(guī)模決定，通常取0.5m。弧形板2凹面涂覆氟碳涂層來實現(xiàn)自潔功能，采用有機(jī)玻璃或其他透光性好、質(zhì)量輕的材料制成。弧形板2中心有中心桿3穿過，中心桿3與弧形板2熱粘合于一體?；⌒伟?下端插入弧形板插口13內(nèi)，便于弧形板2快速拆裝。

集熱系統(tǒng)內(nèi)收集非紅藍(lán)光，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艽鎯谩＜療峁?通過支撐桿7固定在墻體10頂端，通過聯(lián)動桿4與中心桿3連接，聯(lián)動桿4上安裝有緊固螺釘24，便于弧形板2拆裝。軟化水由入口管8進(jìn)入集熱管5，在集熱管5內(nèi)吸收經(jīng)反射聚焦的非紅藍(lán)光，并從出口管14流出。太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽捎糜诘蜏丶竟?jié)的棚內(nèi)暖氣、對外供熱、發(fā)電進(jìn)行夜間照明等。

太陽跟蹤系統(tǒng)控制弧形板2在東西向、南北向的角度，保證光子晶體膜1始終正對太陽直射角度。在該系統(tǒng)內(nèi)，卡扣6將聯(lián)動桿4與集熱管5連接，使聯(lián)動桿4能夠以集熱管5為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動弧形板2以及弧形板2上的光子晶體膜1以集熱管5為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，保證集熱管5始終位于光子晶體膜1反射中心。如圖4所示，其中，卡扣6由銷釘21、卡環(huán)22和螺栓23組成，卡環(huán)22焊接在聯(lián)動桿4頂端，卡環(huán)22與集熱管5的接觸面涂有潤滑油，打開螺栓23卡環(huán)22可圍繞銷釘21轉(zhuǎn)動，便于聯(lián)動桿4拆裝。在東西方向，通過可調(diào)速電機(jī)10帶動斜齒輪19轉(zhuǎn)動，斜齒輪19與弧形板插口13下端的齒輪槽18相互配合，弧形板2在斜齒輪19帶動下轉(zhuǎn)動，且在鏈輪12作用下實現(xiàn)所有弧形板2同步轉(zhuǎn)動；根據(jù)我國大部地區(qū)日出日落時間預(yù)先設(shè)定可調(diào)速電機(jī)11輸出轉(zhuǎn)速，如圖5所示，5:00時弧形板2面對東方，中心桿3和集熱管5中心的連線與地面夾角為20度，經(jīng)過12小時的勻速轉(zhuǎn)動，如圖6所示，在17：00時弧形板2面對西方，中心桿2和集熱管5中心的連線與地面夾角為160度，之后12小時進(jìn)行反向勻速轉(zhuǎn)動，這樣以24小時為周期進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使光子晶體膜1始終正對太陽直射角度，實現(xiàn)光子晶體膜1百葉窗式聯(lián)動調(diào)整。在南北方向，整體裝置采取北高南低槽型弧面，通過支撐桿7上的調(diào)節(jié)絲杠17調(diào)節(jié)傾角角度，根據(jù)不同地區(qū)太陽高度角變化規(guī)律階梯式調(diào)整弧形板2與地面夾角，使光子晶體膜1正對太陽直射角度；以濟(jì)南地區(qū)(北緯36度)為例，夏至?xí)r太陽高度角為77.5度，調(diào)整調(diào)節(jié)絲杠17，使夏季時弧形板2中心對地面夾角為12.5度，同樣地在冬季使弧形板2中心對地面夾角為59.5度，春秋季節(jié)為36度，也可根據(jù)進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，使傾角優(yōu)化更加精確。

由于弧形板2凹面易沉積灰塵，影響太陽光的正常投射，該裝置在正常使用時可采用自清潔系統(tǒng)進(jìn)行弧形板2表面清潔。自清潔系統(tǒng)包括水泵15、上水管16和水槽20，為避免白天水分的蒸發(fā)散失和對光子晶體膜1正常工作的影響，選擇在夜間通過水泵15和上水管16向弧形板2上端打水，水沿著弧形板2向下流，同時沖刷弧形板2表面，起到清潔作用，弧形板2下側(cè)邊緣帶噴淋沖洗孔管，水從噴淋沖洗孔管流出，收集在水槽20內(nèi)，用于農(nóng)作物灌溉。

如圖7所示，除了采用柱面弧形板外，也可采用拋物型面板26，光子晶體膜1固定在拋物型面板26外側(cè)，拋物型面板26安裝在主支撐軸25上，主支撐軸25高度及角度可調(diào)，集熱罐28由集熱罐支座27固定于拋物型面板26焦點位置，使用時，紅藍(lán)光穿過拋物型面板26供給植物生長，非紅藍(lán)光被反射，集中的熱量用于加熱集熱罐28，可用于小型溫室裝置。如圖8所示，或?qū)佄镄兔姘?6集成使用，使多個拋物型面板26將太陽光集中于一處集熱罐28，實現(xiàn)大規(guī)模光熱農(nóng)業(yè)連續(xù)生產(chǎn)。

另外，如圖9所示，可采用熱管31與儲水罐29來實現(xiàn)集熱，光子晶體膜1將非紅藍(lán)光集中在熱管31上，熱管31內(nèi)揮發(fā)性液體集中在低處，低處為熱管31的熱端，集中的太陽光加熱熱端使揮發(fā)性液體迅速汽化，高處為冷凝端，高溫氣體擴(kuò)散至冷凝端會迅速冷凝散熱，冷凝端伸入儲水罐29內(nèi)加熱儲水罐29內(nèi)的水，儲水罐29外部的保溫層30避免熱量散失，將熱能存儲，進(jìn)行下一步利用。