一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统的制作方法

本发明属于能源利用领域，具体涉及一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统。

背景技术：

我国是世界上烟草种植面积最大的国家，烤烟产量多年稳居世界第一。密集烤房是密集烘烤加工烟叶的专用设备，现有密集烤房多为连体建造,形成几十座甚至上百座连体密集烤房群,房顶面积多的可达3000m²以上。

随着我国对环境保护要求的提高，烟叶初烤系统正逐步淘汰高污染的生物质或燃煤能源，而代之以清洁无污染的电能、太阳能或天然气等。电力驱动热泵烤烟热转换率高，环保效益显著，但是目前发电仍靠燃煤来实现，本质上是一种能量转移，优能低用、综合热效不占优。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，太阳能无需开采和运输，开发利用方便简单。我国比较成熟的太阳能利用的产品主要有两类太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统，但是受到时间、季节、地点等因素影响而不稳定，并不能独立用于烟叶初烤整个过程。

我国环境保护政策中一个重要的内容就是大力推广使用天然气，天然气燃烧热值高、干净环保。在我国目前已经基本建成全国性天然气管网的前提下，使用天然气进行烟叶初烤的外围投资比较小。在技术上，天然气使用难度小，易于点火和熄火，可以长期稳定地燃烧，而且负荷调整速度快、精度高，作为热能利用的原始燃料，具有非常好的优点。但是目前天然气在烟叶初烤领域的研究还比较少。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统，充分利用密集烤房的房顶平台，本着太阳能优先供热的原则，以太阳能光热、光伏和天然气供能互补的方式提供烟叶初烤所需热量，提高了能源利用率，节能环保。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统，包括密集烤房模块、太阳能光热加热模块、太阳能光伏加热模块、天然气热风炉加热模块、智能控制模块;

所述密集烤房模块包括装烟室、循环风机、送风口、回风口、排湿口、补风门；所述循环风机设置在加热室内，所述加热室与所述装烟室相邻布置，所述加热室与装烟室上方通过送风口连通，下方通过回风口连通，所述补风门设置在加热室下方，所述排湿口设置在装烟室下方，装烟室内部设置有两组干湿球温度传感器t1和t2；

所述太阳能光热加热模块包括太阳能集热器、水箱、水-空气热交换器、水泵p1、阀门v1、水泵p2、阀门v2；所述太阳能集热器通过循环管一连接水箱，所述水泵p1、阀门v1设置在循环管一上，所述水箱通过循环管二连接水-空气热交换器，循环管二上设有水泵p2、阀门v2、温度传感器t3，所述水-空气热交换器设置在加热室内；

所述太阳能光伏加热模块包括太阳能电池板组、光伏逆变器、电加热器、电加热器控制开关；所述太阳能电池板组通过光伏逆变器连接国家电网和电加热器；所述电加热器设置在加热室内，通过所述电加热器控制开关的闭合/断开来实现工作/停止；

所述天然气热风炉加热模块包括设置在加热室内的天然气燃烧器、高温燃烧筒和两级换热器，自上而下依次为所述高温燃烧筒和所述两级板式换热器，串联布置；所述天然气燃烧器则布置在天然气热风炉装置侧面的上部，与所述高温燃烧筒相连接；

所述智能控制模块分别与天然气燃烧器、补风门、循环风机、干湿球温度传感器t1和t2、温度传感器t3、电加热器控制开关、水泵p1、阀门v1、水泵p2、阀门v2相连接，并根据烟叶对热量的需求协调不同加热系统之间的运行切换。

所述装烟室内尺寸为长8m，宽2.7m，高3.5m，容积为75.6m³，一次可装入3-4t的新鲜烟叶，气流下降式，内部设置有两组干湿球温度传感器。

所述太阳能集热器为真空管集热器，布置在密集烤房房顶平台，最佳安装倾角应在当地纬度的基础上减10°，正南朝向。

所述水-空气热交换器为蛇形管式换热器。

所述阀门v1、阀门v2可以根据烟叶初烤所需热量调节开度来控制流量大小。

所述太阳能电池板组是由多个太阳能电池板组成，布置在密集烤房房顶平台，最佳安装倾角在当地纬度的基础上减10°，正南朝向。

所述光伏逆变器将所述太阳能电池板组产生的直流电转变为交流电，并入国家电网或供所述电加热器使用。

所述电加热器是否通电是通过所述电加热器控制开关是否闭合来实现。

所述电加热器为多根并联的陶瓷材质电加热棒，水平布置在天然气热风炉上面。

所述循环风机为1.5kw/2.2kw的双速轴流式风机，有大小风两种运行方式，布置在所述电加热器的上面，并与所述送风口下边缘平齐。

所述烟叶初烤系统与多个连体密集烤房群相结合，所述太阳能光伏加热模块对多个连体密集烤房群集中发电分房供电，所述太阳能光热加热模块对单个连体密集烤房群集中集热分房供热，天然气热风炉加热模块与单个烤房一一对应单独供热。

本发明所述的一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统，其运行方法是：

（1）运行工况一：如果水箱水温高于装烟室烘烤温度30℃时，太阳能光热模块单独供热；其工作原理是：太阳能集热器里的热水进入水箱，水箱里的热水进入水-空气热交换器，与用于烟叶初烤的低温空气进行热交换，空气被加热后温度升高，经循环风机将热空气从送风口送入装烟室内，循环水温度降低后回到水箱，然后进入太阳能集热器重新被加热；

（2）运行工况二：如果水箱水温高于装烟室烘烤温度15-30℃时，太阳能光热模块和太阳能光伏模块共同供热；其中太阳能光伏加热模块工作原理是：当检测到水箱水温高于烘烤温度15-30℃时，闭合电加热器控制开关，电加热器通电后开始工作，对从水-空气热交换器流出的空气进行再次加热，经循环风机将热空气从送风口送入装烟室内；

（3）运行工况三：如果水箱水温高于装烟室烘烤温度0-15℃或者水箱水温低于烘烤温度，太阳能光热模块停止供热，太阳光伏模块停止供电，天然气热风炉模块单独供热；其工作原理是：天然气在天然气燃烧器中被点燃后喷入高温燃烧筒，在高温燃烧筒中燃烧，产生的高温烟气依次进入两级板式换热器与低温空气进行换热，经循环风机将热空气从送风口送入装烟室内；

（4）运行工况四：当非烤烟季时，太阳能光热模块提供附近居民生活热水；

（5）运行工况五：当非烤烟季时，太阳能光伏模块产生电能持续并入国家电网。

烟叶烘烤过程中的供热和湿空气的排出是由光热加热模块、光伏加热模块、天然气热风炉模块配合来承担，既可单独使用也可联合运行，并通过智能控制模块实现协调工作。

本发明的有益效果：

本发明利用太阳能和天然气作为供热能源，具有能源清洁、环境友好的特点。

本发明将太阳能供热和天然气供热相结合实现优势互补，降低系统初投资和运行费用，节能减排。

本发明有着多种运行工况，通过切换不同的运行工况，可使系统在不同的工况下稳定高效的工作运行，大大提高了系统的适用性，提高了烘烤工艺精准性，进而改善烟叶质量。

本发明天然气热风炉模块采用板式换热器，传热系数高，结构紧凑，体积小，节省空间。

本发明太阳能光热模块除烤烟季向烤房提供热量外，还可在非烤烟季供应附近居民生活热水，充分利用太阳能，减少居民生活开支。

本发明光伏发电可全年进行，除烤烟季供电加热设备供热外，其余时间可将所发电能输送给国家电网，获得额外电能收益。

附图说明

图1是本发明的系统工作原理示意图；

图2是本发明的控制线路示意图；

图3是本发明的连体密集烤房群房顶太阳能集热器和电池板分布示意图；

图4是本发明的单个连体密集烤房群房顶太阳能集热器排布示意图；

图5是本发明的电加热器示意图；

图6a是本发明的板式换热器俯视图；

图6b是图6a的a-a视图。

附图标记列表：

1-送风口，2-装烟室，3-回风口，4-循环风机，5-补风门，6-排湿口，7-太阳能集热器，8-水泵p1，9-阀门v1，10-水箱，11-水泵p2，12-阀门v2，13-水-空气热交换器，14-太阳能电池板组，15-光伏逆变器，16-电加热器控制开关，17-电加热器，18-天然气燃烧器，19-高温燃烧筒，20-两级板式换热器，21-智能控制模块，22-两组干湿球温度传感器t1和t2，23-温度传感器t3，24-加热室，25、循环管一，26、循环管二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本发明所述的一种太阳能光热-光伏-天然气互补供能的烟叶初烤系统，与多个连体密集烤房群相结合，太阳能光伏加热模块对多个连体密集烤房群集中发电分房供电（也加热），太阳能光热加热模块单个连体密集烤房群集中集热分房供热，天然气热风炉加热模块与单个烤房一一对应单独供热。连体密集烤房群各个烤房采取错开开烤时间的烘烤模式，可以避免所需热量过于集中，缓解太阳能光热模块集中集热分房供热及太阳能光伏模块集中发电分房供电的压力，延长太阳能的利用时间，节省天然气使用量。

参见图1，系统工作原理：

密集烤房模块：加热后的热空气经上部送风口1进入装烟室2，与烟叶进行热湿交换后，带走烟叶中的水分，温度降低，湿度增加，经下部回风口3排出，回风分为两部分，一部分经过加热设备外围空间向上流动，另一部分再次进入加热设备进行加热，随后外围冷风与内部加热后的热风在上部混合，经循环风机4后再次进入装烟室2进行新一轮的循环。为了保证烟叶烘烤质量，装烟室2内需要维持湿度动态平衡，因此需要不定时排湿与补风，排湿与补风是联动的。当烤房内湿球温度过高时，首先补风门5打开，外界低温低湿空气（即补风）在循环风机4抽吸作用下经过加热设备后被送入装烟室2内。由于补风不断进入，使得装烟室2内形成正压，进而使高温高湿空气顶开排湿口6排出。

太阳能光热加热模块：当白天有光照时，太阳能集热器7工作，水泵8和阀门9开启，循环水经太阳能集热器7加热后经循环管一25输送到水箱10；当烟叶烤房有热量需求且水箱水温高于烘烤温度30℃时，水泵11和阀门12开启，循环水经循环管二26进入水-空气热交换器13，与用于烟叶初烤的低温空气进行热交换，空气被加热后温度升高，循环水温度降低后回到水箱10，然后进入太阳能集热器7重新被加热。在烘烤过程中，根据烤房所需热量大小灵活控制阀门9和阀门12开度。

单个连体密集烤房群房顶的多个太阳能集热器相连接，共用1个水箱，每个烤房均各自布置水-空气热交换器，实现集中集热、分房供热。

太阳能光伏加热模块：当白天有光照时，太阳能电池板组14接收太阳辐射能发生光生伏打效应并转换为电能，经光伏逆变器15后转化为交流电并入国家电网。当检测到水箱水温高于烘烤温度15-30℃时，太阳能光热模块无法独自满足供热需求，此时闭合电加热器控制开关16，电加热器17通电后开始工作，对从水-空气热交换器13流出的空气进行再次加热。

多个连体密集烤房群房顶布置太阳能电池板组集中发电，每个烤房均各自布置电加热器实现分房供电。

天然气热风炉加热模块：当水箱水温高于烘烤温度0-15℃或者低于烘烤温度时，太阳能光热模块和光伏模块同时工作也无法满足供热需求，此时光热模块停止供热，光伏模块停止供电，天然气热风炉模块开始工作。天然气在天然气燃烧器18中被点燃后喷入高温燃烧筒19，在高温燃烧筒19中剧烈燃烧，产生的高温烟气依次进入两级板式换热器20与低温空气进行换热。天然气热风炉采用逆流布置，烟气自上向下流动，空气自下向上流动，逆流布置换热温差大、换热系数高，可以大大提高换热效率。

参见图2，智能控制模块21分别与循环风机4、补风门5、水泵8、阀门9、水泵11、阀门12、电加热器控制开关16、天然气燃烧器18、两组干湿球温度传感器22、温度传感器23相连接，并根据烟叶对热量的需求协调不同加热系统之间的运行切换。

加热室24内有循环风机4、水-空气热交换器13、天然气热风炉、电加热器17，便于将各种温度的热空气从送风口送入装烟室1内。

实施例：

烤烟地区以云南省昆明市为例，地处北纬25°、东经103°，当地烤烟月份为7-9月。参见图3，密集烤房每10座连为一体，2行3列共60座，房顶总面积约3000m²。单个烤房装烟容量4000kg。

太阳能光热加热模块初步设计：

本着太阳能光热优先供热的原则，先进行太阳能集热器初步计算。根据经验和估算，水经过太阳能集热器加热后温度最高达90℃，90℃的水能够将20℃空气最高加热到约50℃，所以太阳能集热器只能在烟叶初烤前期单独供热。因此太阳能集热器的设计标准是在变黄期光照充足的情况下，集热器单独供热可以满足装烟室内温度要求。

（1）烟叶烘烤过程前期所需理论功率测算：

对于单个烤房，在变黄期失水量最大值约为20kg/h（烤房温度42℃左右），如果这部分热量全部由太阳能集热器单独提供，考虑到各种热损失，取供热量放大系数为1.2，则集热器每小时需提供的热量为6×10⁴kj，即16.7kw。

（2）太阳能集热器集热面积确定：

以8月份为例，昆明地区倾斜表面月平均日太阳能总辐射量约13.963mj/m²，月日照小时数约147.2h，则单位集热面上日平均每小时太阳辐射量约2.94mj/m²，即太阳辐射强度为0.82kw/m²，太阳能集热效率取60%，经计算得单烤房所需集热器集热面积约为33m²。

（3）密集烤房房顶太阳能集热器排布：

参见图3，太阳能集热器布置在6个阴影区域即6个连体密集烤房群房顶区域。单个集热器规格选取为3000mm×1000mm×75mm，集热面积约3m²。参见图4，单个连体密集烤房群（10座烤房）房顶平台可布置（横12行×竖10列）共120个集热器，集热面积为（3m²×120=360m²）>（33m²×10=330m²）,即在光照充足的情况下可以满足密集烤房在烘烤前期所需热量。

太阳能集热器安装倾角为15°，正南朝向，可以充分吸收太阳辐射能。

单个连体密集烤房群（10座烤房）共用1个水箱，每座烤房均各自布置水-空气热交换器，实现集中集热、分房供热。

太阳能光伏加热模块初步设计：

（1）密集烤房房顶太阳能电池板组排布：

参见图3，除去平板太阳能集热器所占区域外，可用于太阳能电池板组排布的房顶面积约840m²，分成5个区域，区域1：100m×6m，区域2、3、4、5：5m×12m。

选取单个太阳能电池板规格：长1037mm×宽526mm×厚35mm，重7.4kg，功率约80w。

区域1内可布置电池板（横11行×竖95列）共1045个，区域2、3、4、5内可布置电池板（横23行×竖5列）个×4共460个，合计1505个电池板。在日平均每小时太阳辐射强度约0.82kw/m²、平均日照小时数为5h的情况下，太阳能电池板组日发电量约600kw·h。

太阳能电池板组安装倾角为15°，正南朝向，可以充分吸收太阳辐射能。

（2）昆明地区在9：00~15：00光照时间段内太阳辐射强度约0.5~0.9kw/m²，当太阳光照较弱辐射强度约为0.5kw/m²时，经计算得太阳能光热模块可向烤房供热约10.8kw，单个烤房烘烤前期所需最大功率16.7kw，因此需要太阳能光伏模块供电约6kw，考虑太阳能光照的不稳定性，电加热器功率选取为10kw。

参见图5，电加热器为10根并联的陶瓷材质电加热棒，平行并排放置。单根电加热棒直径60mm，长度600mm，功率1kw。陶瓷材质电加热棒发热速度快，发热效率高，使用寿命长。

天然气热风炉加热模块初步设计：

（1）烟叶烘烤过程所需最大功率测算：

对于单个烤房，在烘烤过程失水量最大值约为60kg/h（定色后期，约47℃），所需功率约为42kw，考虑加热排湿空气热量及烤房围护结构散热，则系统需要的最大加热功率约为50kw。

（2）热风炉模块设备选型

系统选用相应功率的燃烧器，即铭牌出力5万大卡的大―小两段火天然气燃烧器，可以满足烟叶烘烤要求。

天然气在高温燃烧筒内理论燃烧温度达1800℃，材质选用310不锈钢，尺寸为：长1m，内径0.5m。

烟气从高温燃烧筒排出后温度有所降低，因此两级板式换热器材质选用普通304不锈钢即可。参见图6a和6b，根据计算，板式换热器长1m×宽1m×高0.4m，由10组板片组成，2片为1组，烟气在两板片间流动，空气在两组板片间流动，烟气和空气交叉流动换热。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

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