本發明涉及多能融合控制，特別涉及一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統及調控方法。

背景技術：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術，并不必然構成現有技術。

2、植物工廠是一種利用現代農業技術和設施，以高度可控的環境條件進行植物生產的系統。通過調節光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養液等因素，可以實現一年四季不間斷的作物生產，最大化提高作物產量和質量。然而，植物工廠雖然可以通過控制環境條件實現農作物的跨時域種植，但其通常依賴大量電力來維持光照和溫度，這對能源效率和成本構成了一定挑戰。植物工廠盡管可以節約水資源和減少農藥使用，但高能耗導致的碳排放和其他環境影響仍需進一步優化。建造植物工廠并為之設計一套節能經濟型的能源管理系統，對于降低植物工廠運營成本、提高資源利用效率、增強市場競爭力具有重要意義。

3、發明人在研究中發現，太陽能分布廣泛、容易獲取，且投資少、收益大，是比較理想的可再生能源，但是其易受天氣和季節影響，顯現出較強的時間波動性和季節差異性，這種波動性和差異性使得后續的能量利用系統，尤其是熱力循環系統，往往難以工作在額定工況，從而導致工作效率的下降；對于晝夜、季節的不同，植物工廠內部的具體要求也不同，如果沒有一套能夠匹配時間、季節變化的農業建筑環境智能化調節系統，不僅會投入大量的人力，對于作物的成長狀態也會產生不良影響；晝間作為植物工廠的主要運行時間，用電時間容易重合城市電網峰時，削弱了植物工廠的經濟性。

技術實現思路

1、為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統及調控方法，將太陽能光伏板產生的電能蓄存在蓄電池中，平穩從光伏板中流入的因時間、天氣等因素而導致的不穩定的電能并輸送至蒸汽壓縮式溫控系統，避免了制冷(熱泵)機組長期工作于非設計工況下而導致的效率低下問題，提高了系統的工作效率。。

2、為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

3、第一方面，本發明提供了一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統。

4、一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統，包括：太陽能光電池模塊、蓄電池模塊、空氣調節模塊、儲能模塊、農業環境模塊和調控模塊；

5、太陽能光電池模塊，包括若干塊安裝在植物工廠棚頂的光伏板，用于捕集晝間射向植物工廠棚頂的太陽能并將之轉化為電能；

6、蓄電池模塊，用于儲存太陽能光電池模塊生產的電能，并在谷電時從城市電網供電中抽蓄電能；

7、空氣調節模塊，包括蒸氣壓縮式溫控子系統和除濕子系統，用于因時制宜地為植物工廠調節室內溫度和濕度；

8、儲能模塊，包括新風箱和圍護儲能板，新風箱含有相變儲能材料和新風通道，用于蓄存蒸氣壓縮式溫控子系統釋放的冷量，承載新風帶來的冷負荷或熱負荷，圍護儲能板裝載相變材料，安裝在植物工廠四周，通過相變吸熱和放熱，承載晝間經圍護結構進入植物工廠的冷負荷和熱負荷；

9、農業環境模塊，包括氣罐和日照燈，用于調節工廠內所種植農作物的生長環境，所述生長環境包括空氣中的二氧化碳濃度和光照度；

10、調控模塊包括智能控制子系統，所述智能控制子系統用于控制太陽能光電池模塊、蓄電池模塊、空氣調節模塊、儲能模塊、農業環境模塊的實際運行情況，以農作物的生長提供光照、二氧化碳濃度、溫度和濕度條件。

11、作為本發明第一方面進一步的限定，智能控制子系統根據季節和晝夜的不同，采用不同的調節方法，包括：

12、在夏季的晝間，儲能模塊利用前夜蓄存的冷能承載圍護結構的熱負荷，太陽能光電池模塊吸收太陽能并將之轉化為電能蓄存入蓄電池模塊中，蓄電池模塊為空氣調節模塊、農業環境模塊和調控模塊提供電能，承載新風熱濕負荷、調節作物生長環境，根據蓄電池的耗電情況，決定是否利用城市電網供電補充電能；

13、在夏季的夜間，太陽能光電池模塊停止工作，蓄電池利用城市電網谷電蓄電，并利用谷電為儲能模塊蓄存冷量，若此時室內尚有熱負荷需求，則電網谷電同時為室內供熱；

14、在冬季的夜間，儲能模塊利用晝間蓄存的熱能承載圍護結構的冷負荷，城市電網直接對空氣調節模塊、農業環境模塊和調控模塊提供電能，承載新風冷負荷、調節作物生長環境，利用城市電網供電為蓄電池補滿電能；

15、在冬季的晝間，太陽能光電池模塊吸收太陽能并將之轉化為電能蓄存入蓄電池模塊中，蓄電池利用前夜蓄存的電能，為空氣調節模塊、農業環境模塊和調控模塊提供電能，承載新風冷負荷、調節作物生長環境。

16、作為本發明第一方面進一步的限定，所述蒸氣壓縮溫控子系統，包括：通過工質管道依次連接的蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥，構成蒸汽壓縮式溫控回路。

17、作為本發明第一方面進一步的限定，所述新風箱為三層結構，最外層為新風通道，與植物工廠新風口相連接，最內層為與蒸氣壓縮式溫控子系統的冷/熱水機組相連的循環水管道，中層為相變材料儲蓄板；

18、蒸氣壓縮式溫控子系統制取的冷/熱能經循環水管道進入新風箱中并被相變材料捕集蓄存，圍護儲能板為一種內部充滿相變材料并采用高密度聚乙烯扁容器封裝的薄板結構，置于植物工廠內圍護結構表面，承擔經圍護結構進入植物工廠冷負荷或熱負荷。

19、作為本發明第一方面進一步的限定，氣罐盛放壓縮二氧化碳氣體，用于根據日照燈照度和植物自身運作規律，為植物的光合作用提供物質補給，日照燈根據季節變化和實際需求，放射模擬自然光或濾后光。

20、作為本發明第一方面進一步的限定，除濕子系統位于新風進口和新風箱之間，包括除濕旁路、液體吸收器、電加熱器和旁通閥，當植物工廠內部空氣濕度過大于設定閾值時，旁通閥開啟，新風經除濕旁路進入液體吸收器，除濕后進入新風箱，液體吸收器為盛放有液體除濕劑或吸濕材料的器皿，當除濕旁路處于關閉狀態時，開啟電加熱器，解離除濕劑中吸附的水。

21、作為本發明第一方面更進一步的限定，所述智能控制子系統檢測室內二氧化碳濃度、濕度和光照強度，當檢測到植物工廠內部空氣中的二氧化碳濃度下降時，釋放氣罐中的二氧化碳，補充植物工廠內部空氣二氧化碳；反之則開啟新風系統使其降低；

22、當所述智能控制子系統檢測到植物工廠外部太陽照度不足時，通過調節光照燈的運行功率對植物工廠內部進行適當的補光，以保證植物的正常生長；

23、當檢測到新風濕度高于植物耐受范圍時，所述智能控制子系統開啟除濕旁路，反之，則開啟植物工廠內部滴灌設備，為植物補水。

24、第二方面，本發明提供了一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統的調控方法。

25、一種植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統的調控方法，利用本發明第一方面所述的植物工廠的光-電-冷-儲多能流系統，包括以下過程：

26、獲取太陽能光電池模塊、蓄電池模塊、空氣調節模塊、儲能模塊和農業環境模塊的狀態數據；

27、根據獲取的狀態數據，以經濟效益最大化、太陽能源利用效率最大化、儲能效率最大化、空氣調節模塊和農業環境模塊能源利用效率最大化以及環境友好性最大化進行多目標優化，進行各個模塊的控制。

28、作為本發明第二方面進一步的限定，經濟效益最大化，包括：其中，ce(t)為能源成本，v(t)為產出成本，t為調度周期，ce(t)＝cgrid(t)pgrid(t)+cop(t)，式中，cgrid(t)為t時刻電網電價，pgrid(t)為從電網獲取的功率，cop(t)為t時刻系統的維護成本；

29、太陽能源利用效率最大化，包括：ηpv(t)為太陽能光電池模塊的發電頻率，ppv(t)為實際發電功率；

30、儲能效率最大化，包括：其中，

31、ηcharge(t)為儲能模塊的充電效率，ηdischarge(t)為儲能模塊的放電效率，pcharge(t)為儲能模塊的的充電功率，pdischarge(t)為儲能模塊的的放電功率。

32、作為本發明第二方面進一步的限定，空氣調節模塊和農業環境模塊能源利用效率最大化，包括：其中，ηac(t)為空氣調節模塊的利用率，ηae(t)為農業環境模塊的利用效率，pac(t)為空氣調節模塊的功率，pae(t)為農業環境模塊的功率；

33、環境友好性最大化，包括：其中，為e(t)碳排放強度因子，ptotal(t)為t時刻消耗的總功率。

34、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

35、1、針對植物工廠大量用電、用冷/熱帶來高能耗、高排放問題，本發明提出了一種利用可再生能源降低能耗、節約成本的方案，錨定太陽能分布廣泛、容易獲取，且投資少、收益大的特點，本發明在植物工廠外表面設置太陽能光伏板，削減了植物工廠的電網用電；同時，采用設置蓄電池的方法，將太陽能光伏板產生的電能蓄存在蓄電池中，平穩從光伏板中流入的因時間、天氣等因素而導致的不穩定的電能并輸送至蒸汽壓縮式制冷(熱泵)系統，避免了制冷(熱泵)機組長期工作于非設計工況下而導致的效率低下問題，提高了系統的工作效率。

36、2、針對植物工廠內部農業建筑環境需求因晝夜、季節變化而隨之出現的變化問題，本發明提出了一種智能化的多能流系統調控方案，基于晝/夜和季節變化而帶來的冷負荷或熱負荷變化和輸入能量變化特征，結合作物生長所需要的二氧化碳濃度和光照強度，設計了一套分時段、分季節的調控模式，采用太陽能和電網供電互補的方式，為植物工廠提供電能；以經濟效益最大化、太陽能源利用效率最大化、儲能效率最大化、空氣調節模塊和農業環境模塊能源利用效率最大化以及環境友好性最大化進行多目標優化，進行各個模塊的控制，進一步的提高了調控精度。

37、3、針對植物工廠用電需求較大程度上與城市用電峰時重合的問題，本發明提出了一種多重蓄能式錯峰用電方案，本發明利用相變材料儲熱/冷和蓄電池蓄電的儲能方式，儲蓄城市谷時供電并將之延時釋放，避開了城市用電高峰，節約了用電成本，具有良好的經濟效益。

38、本發明附加方面的優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。