脱网储热太阳能全天候烤烟方法与流程

本技术属于烟叶烘烤等田间作业，具体涉及一种脱网（无需接入电力网）储热（无需电池储能系统供电制热）太阳能全天候烤烟方法。

背景技术：

1、烟叶烘烤是将采摘下来的新鲜烟草叶片，通过标准烤烟温度49°c～82°c的加热和干燥过程，使其达到适合制作香烟、雪茄或烟斗烟草的干叶状态。现行烟叶种植户普遍采用燃煤/烧柴烤房进行烘烤，耗能高、操作程序多、且烘烤受环境因素影响较大，烘烤质量不易控制。随着清洁能源行业的快速发展与用户对烟叶质量要求的不断提高，一些烟叶种植地区正在扶持清洁能源烤房（简称洁能烤房）、积极推进烤房设备转型升级，助力烤烟产业走向绿色发展、清洁能源烘烤（简称洁能烘烤）、减工降本之路。

2、本技术之发明人参与研发、生产、销售的专利产品 “一种节能环保的太空能空气加热系统（cn210688777u）”，该产品名称为空气能烤房，它包括箱体、太阳能加热装置、控制器和空气能加热器，太阳能加热装置安装在箱体的顶部外侧，太阳能加热装置与箱体的内腔相通连接，空气能加热器的热交换器设置在箱体内部，控制器安装在箱体的外侧壁上，空气能加热器和太阳能加热装置均与控制器电连接。它通过太阳能加热装置与空气能加热器组合结构对箱体内的物料进行加热，在有限的空间提供更大的加热功率，可满足大部分供热或烘焙要求。该空气能烤房产品作为一种绿色高效、节能环保的能源设备，全程烘烤零排放、无污染、无粉尘颗粒，对烟叶烘烤操作来说减少了大量的人工，烘烤后烟叶质量比较均衡，等级质量有所提升。该空气能烤房产品已经投入市场应用多年，并获得了许多用户好评（可上网搜索“空气能烟叶烘烤助力促增收”的有关新闻报道），多次中标烟草行业烤房升级改造项目。对比使用显示：可装10吨（新鲜烟叶的）标准烘烤房，传统烤房每一房烟叶的烘烤电费成本需要1400-1500元，而空气能烤房用电约1050度，电费成本仅600至700元，能耗成本减少了50%以上。

3、但是，该空气能烤房仍须使用电力网供电制热，建设一座规模为100个烤房的烤烟加工场，仅变压器及其电线和电杆至少就需50万元投资，其空气能制热设备就需约100个×3万元=300万元。推广实践中发现其存在的难题是：现行烟叶烘烤房通常建立在偏远山区的田间地头，这样做是为了方便就近加工。然而，这也意味着需要将电力网络（包括高压线及变压器和电杆）延伸至偏远山区的田间地头。许多偏远村庄即使有供电，通常也只有220伏的单相照明用电，并没有空气能烘烤房所需的380伏的三相交流动力电。这种情况导致在偏远山区建设烟叶烘烤房、需要巨额的电力设施投资和高昂的用电成本。为了解决这个难题，一些国内烟叶种植地区尝试着自行建立光伏自供电系统，其中包括光伏发电系统和电池储能系统两个功能单元。这些系统依赖储存的电能来产生热能供应烘烤房使用。然而，实践证明这种储电供热技术方案并不成功。其原因在于，由于夜间或者连续阴天导致太阳能无法充分供应，为了确保烘烤房能够全天候正常运行，常用规格的烤房必须配备足够使用一昼夜的电能，相应地需要电池储能系统至少能储存100度电。而针对这种需求，储存100度电的电池储能系统、以每千瓦1000元的最低建设成本计算，每个烟叶烘烤房至少需要投入10万元的电池储能投资。

4、综上所述，不论是将电力网络（包括高压线及变压器和电线杆）延伸至偏远山区的田间地头，还是在田间地头自行建立独立于电力网络的光伏自供电系统，加工场及其烤房的电力投资都相当高昂，且电能消耗成本都十分昂贵。换言之，在田间地头建立光伏自供电系统来为烤房供应热能，并不经济实惠，这条路行不通，不具可行性。

技术实现思路

1、本技术的目的之一：提供一种（无需接入电力网的）脱网储热太阳能全天候烤烟方法，以期全天候洁能烘烤、减少用电投资、降低能耗成本。

2、本技术的目的之二：提供一种（无需电池储能系统供电制热的）脱网储热太阳能全天候烤烟方法，以期全天候洁能烘烤、减少用电投资、降低能耗成本。

3、为了实现上述发明目的之一，本技术采取的技术方案一如下。

4、本技术提供一种（无需接入电力网的）脱网储热太阳能全天候烤烟方法，其特征在于，它包括以下步骤：

5、①在地上（最好通过地基）安置烘烤房（亦可称为烘烤箱/烘烤室等），用于存放待烘烤的物料；

6、②在地上（最好通过支架）装设太阳能集热器，用于收集太阳光所蕴含的（例如59-99°c的光热）热能；太阳能集热器分为平板式和管式太阳能集热器以及聚光式太阳能集热器等三种；平板式太阳能集热器是最常见的太阳能集热器之一，它使用方便，维护容易，价格相对较低，但不可获得中高温热量；管式太阳能集热器可获得较高温度的热量，聚光式太阳能集热器则可以将阳光聚集在一点、一条线或一个小的面积上，可获得很高温度的热量；

7、③在地上（最好通过地基）装设储热容器，用于容纳储热介质并储存热能，以备夜间和阴天放热使用，以便全天候使用太阳能烘烤；其中，储热介质最好为可免费自取的河水；

8、④将储热容器通过输热管与太阳能集热器连通，用于（从太阳能集热器中）输送热能到储热容器中；

9、⑤将储热容器与换热器连通（或曰连接），用于施放所存储的热能到烘烤房中，以烘烤（需干燥的）物料；

10、⑥（例如通过输热管、导热棒、导热片、导热丝、导热油等可传导热量的导热体）将电控阀、输热泵、风机、温控传感器、无线通讯器（等构件）或其中之一与控制器电连接，（用于自动调控输送热能）、用于自动调控换热器施放热量或/和烘烤房内的烘烤（工作）温度；换言之，电控阀、输热泵、风机、温控传感器、无线通讯器等多种构件，既可分别与控制器电连接，也可同时与控制器电连接，还可部分构件一组集体与控制器电连接，以构成一种可自动运行（可无人值守）的脱网储热太阳能烤烟系统。

11、优选的是，所述的脱网储热太阳能全天候烤烟方法，其特征在于，它包括下列一至九中的任意一个或任意多个技术措施。

12、优选之一是，（连阴雨天和夜间时段），烘烤房使用储热容器所施放的热能，以烘烤（待干燥的）物料，而无须使用电力网所供的电能来制热（以烘烤需干燥的物料）或/和无须使用电池所储存的电能来制热（以烘烤需干燥的物料）；总而言之，存热不存电，用光热不用电热。这一技术路线是本技术最关键的技术创新，若没有本技术之发明人参与研发生产销售空气能烤房产品（cn210688777u）多年的成功经验与失败教训，就不可能提出这一节能的创新技术路线。

13、优选之二是，给烘烤房配备（功率较小的）光伏电池板及其储/供电系统，（仅）用于给电控阀、输热泵、风机、照明灯具、温控传感器、无线通讯器、控制器等用电器或其一提供较小电量的备用弱电，而非用于烘烤加热。

14、优选之三是，给烘烤房配备与控制器电连接的（应急）备用燃气/燃油加热器及其液化气罐/油罐。这样一来，若遇到长时间阴雨天，无太阳能可用时，控制器就可自动启动/关闭燃气或燃油加热器，给烘烤房供热，从而达到烟叶烘烤完全可不用电制热、还能实现无人干预、自动全天候不间断烘烤作业的技术效果。

15、优选之四是，太阳能聚光器为可集聚高温热能的太阳能定焦聚光镜；或者，给太阳能集热器配设有太阳能定焦聚光镜，用于免跟踪太阳聚光，以定焦聚光方式集聚高温热能；或者，将太阳能集热器的真空集热管放置在多组楔形光锥结构的两块平面反射镜之间的尖端位置，用于将较大面积的太阳光（经平面反射镜多次反射后）汇聚于较小面积的太阳能真空集热管上，其中，楔形光锥大端宽度为真空集热管直径的3-10倍，以实现免跟踪3-10倍聚光集热。也可采用本技术人的另外一项专利产品“太阳能定焦聚光镜（cn117148559a）”，以免采用太阳跟踪系统，从而降低制造与维护成本。

16、优选之五是，储热介质为高温储热介质，包括但不限于蓄热合金材料、熔盐、蓄热砖、导热油、固液相变温度为106-290℃的相变储热材料中的一种或多种；最好，其中储热介质的导热系数≥3.22瓦/米·度，使之远远大于热水的导热系数，以突破存不进热、放不出热的难题。

17、优选之六是，将储热容器的蓄热温度设为60-850℃的高温；或者，将储热容器的蓄热温度为106-400℃。研究显示，因为烟叶烘烤所需的最高温度为82°c，加上储热容器1昼夜的漏热温差损失10%（约为11°c），再加上最佳放热温差应大于13°c，所以，储热容器所储热能的最低蓄热工作温度应为106°c。考虑到现行太阳能真空集热管的最佳能效温度因素，储热容器所存储热介质的蓄热工作温度为60°c～99°c更好。

18、优选之七是，将集热器的一端（或曰一侧）设置于太阳能聚光器的焦点/线上，将集热器的另一端（或曰另一侧）或/和导热体设置于储热介质内，用于将所收集到的高温热能直接传导给储热介质；以构成一种集热器、导热体、储热容器、储热介质以及换热器五为一体的热能收储装置。储热容器最好位于最靠近太阳能聚光器的下方。其集热器的另一端（或曰另一侧）最好与导热体连接，而导热体设置于储热介质内。这样一来，集热器所采集到的热能、就可用最短的路径、直接传导给储热介质，而无需用输热泵等机械装置驱动导热油等传热介质流动、运输热能到储热容器里。一言以蔽之，这样采集和存储太阳热能，可全程无动力自然采存热能。

19、优选之八是，储热介质为固液相变温度高于60°c或106°c的相变储热材料；或者，储热容器为修建在地上的储热水池；或者，储热容器为修建在地上的储热土窑（或曰地窖）。这样一来，就可极大限度的因地制宜，降低储热设施成本。

20、优选之九是，将众多烘烤房与同一个储热容器连通，以集中储热、集中供热、分散用热、错峰用热的工艺流程烘烤。

21、优选之十是，太阳能集热器最好固定在荒山上，储热容器最好为修建在大地上的水池；待烘烤物料为烟叶时，储热介质设为热水，热水的蓄热工作温度设为高出标准烤烟温度10°c以上的59～99°c，以满足烤烟工艺需要。因为烟叶烘烤的最高温度为82°c，这样一来，蓄热工作温度设为60°c～99°c的水，既易于常压储存、易于低成本储热、易于空气能高效获热，又可满足烟叶烘烤的特殊工艺需要。

22、为了实现上述发明目的之二，本技术采取的技术方案二如下。

23、本技术一种（无需电池储能系统供电制热的）脱网储热太阳能全天候烤烟方法，其特征在于，它包括以下步骤：

24、①在地上安置烘烤房，用于存放待烘烤的物料；

25、②在地上装设光伏发电系统（无须配置电池储能系统功能单元），用于产生光伏电能，用以替代电力网供电（给烘烤房制热）；

26、③将光伏发电系统与光伏电热器或/和空气能热泵电连接，用于产生（最好为高于106°c的）热能；

27、④在地上装设储热容器，用于储存光伏电热器所产生的热能或/和空气能热泵所获取的（最好高于60°c的光伏电热或空气能热）热能，以备夜间和阴天放热（全天候）使用；

28、⑤（例如通过输热管、导热棒、导热片、导热丝、导热油、风管等可施放出热量的构件）将储热容器与换热器连通，用于施放所存储的热能到烘烤房中，以烘烤物料；

29、⑥将光伏电热器、空气能热泵、风机、照明灯具、温控传感器、无线通讯设备（等构件/机构）或其中之一与控制器电连接，用于自动调控换热器施放热量或/和烘烤房内的烘烤温度。

30、优选的是，所述的脱网储热太阳能全天候烤烟方法，其特征在于，它包括下列①～⑨中的任意一个或任意多个技术措施。

31、 ①（阴雨天和夜间时段），烘烤房使用储热容器所施放的热能，而无须使用电力网所供的电能来制热或/和无须使用电池所储存的电能来制热；总而言之，存热不存电。

32、②给烘烤房配备太阳能集热器，用于收集太阳光所蕴含的热能。

33、③给烘烤房配备与控制器电连接的备用燃气/燃油加热器及其液化气罐/油罐；这样一来，若遇到长时间阴雨天，无太阳能可用时，控制器就可自动启动燃气/油加热器，全天候给烘烤房供热，从而达到烟叶烘烤完全可不用电制热、还能实现无人干预、自动烘烤作业的技术效果；或者，给烘烤房配备太阳能热水器及其真空集热管，将太阳能热水器的真空集热管放置在多组楔形光锥结构的两块平面反射镜之间的尖端位置，用于将较大面积的太阳光（经反射镜多次反射后）汇聚于较小面积的真空集热管上，其中，楔形光锥大端宽度为真空集热管直径的3-10倍，以实现免跟踪3-10倍聚光集热。

34、④储热介质为高温储热介质，包括但不限于蓄热合金材料、熔盐、蓄热砖（例如美铁砖等市售成熟产品）、导热油、固液相变温度为106-290℃的相变储热材料中的一种或多种；最好所选用储热介质的导热系数≥3.22瓦/米·度，使之远远大于热水的导热系数，以突破存不进热、放不出热的难题。

35、⑤储热容器的蓄热工作温度设为60-850℃或为106-400℃。研究显示，因为烟叶烘烤所需的最高温度为82°c，加上储热容器两昼夜的漏热温差损失10%（约为11°c），再加上最佳放热温差应大于13°c，所以，储热容器的最低蓄热工作温度最好为106°c；106°c这一最低蓄热工作温度需求，决定了本技术中不宜采用现行平板式太阳能集热器、家用太阳能热水器等低温集热器，只有采用管式太阳能集热器、热管式太阳能集热器、碟式太阳能集热器等中高温集热器才好。又因为导热油的沸点一般不超过400℃，所以最高蓄热工作温度不宜超过400℃。

36、⑥光伏发电系统的光伏电池板最好固定在荒山上，储热容器最好为修建在大地上的水池；待烘烤物料为烟叶时，储热介质设为热水（而非沸水），热水的蓄热工作温度设为高出标准烤烟温度10°c以上的59～99°c，以满足烤烟工艺需要；热水的热量（最好是大部分或全部）来源于光伏发电系统产生的电能驱动空气能热泵所获取的空气热能，或者来源于真空集热管所获取的太阳热能。因为烟叶烘烤的最高温度为82°c，这样一来，蓄热工作温度设为60°c～99°c的水，既易于常压储存、易于低成本储热、易于空气能高效获热，又可满足烟叶烘烤的特殊工艺需要。

37、⑦储热容器所存储热介质的蓄热工作温度高于60°c或高于106°c；或者，储热容器为修建在地上的储热水池；或者，储热容器为修建在地上的储热土窑（包括地窖）。这样一来，就可极大限度的因地制宜，降低储热设施成本。

38、 ⑧储热容器至少设为两种，一种为高温储热容器，用于存储（例如光伏电热器所产生的）温度相对较高的（例如高于106℃的光伏电热）热能，另一种为中温储热容器，用于存储（例如空气能热泵所制取的）温度相对较低的（例如约60-90℃的空气能热）热能，这样一来，就可优先使用低温热能，并可在需要提高烘烤温度时，二者并用，共同向存有烟叶的烘烤房大量快速供热。之所以要这样分开储热，一是因为空气能热泵所制取的空气能热的温度相对较低，一般不超过100℃，多数情况下为60-90℃，可以用水储热，只能满足烟叶烘烤初期等低温烘烤时段使用，而不能满足需要中高温烘烤时段使用，二是因为低温集热和用水储热都比较容易，且成本低廉。这样一来，低温烘烤时段就可优先使用温度相对较低的热能，当烟叶烘烤需要中高温时，就可同时施放高温储热容器所储存的、温度相对较高的、大量的光伏电热来迅速提升烘烤温度，以达到取高补低、快速升温、节能省钱、符合烤烟工艺需要的技术效果。

39、⑨将众多烘烤房的换热器与同一个储热容器连通，用于集中储热、集中供热、分散用热、错峰用热，以便提高热能利用率。

40、可取的是，使中温储热容器所储存的热量、来源于真空集热管式太阳能热水器或光伏电能驱动的空气能热泵，按10吨标准烘烤房计算，每一烘烤房配备容积至少为5立方米的中温储热水箱；或者，使高温储热容器所储存的热量、来源于聚光集热器或光伏电热器。

41、可取的是，配备凉水容器，用于蓄存夜间放热回流后的凉水，以待白天送入太阳能热水器继续加热、循环使用；配备高温换热器和中温换热器，用于分别向烘烤房施放高温热量和中温热量。

42、与现有技术相比，本技术具有如下有益技术效果。

43、其一、脱离电网、储热不储电：脱离电网且采用储热而非储电的方式，可以避免在偏远山区的田间地头拉电力网的需求。这种方式不需要将太阳能转换为电能进行储存，而是直接利用光热（特别是储热）进行昼夜（全天候）烘烤。这种方法去除了将光能转化为电能储存，随后再将电能转换为热能供夜间使用的电能存储环节，减少了额外的储电设备投资。实验结果表明，采用储热烘烤的方式相较于现行的储电烘烤更具科学性、合理性、节能性和环保性，其能效比更高且更为实用。这种技术方案有望进一步降低烘烤设施的投资和成本。

44、其二、烤房供热设备投资大幅降低：相比于现行储电制热技术方案，本技术采用的储热技术方案，投资小得多、能效高得多。用户使用测试显示：依据背景技术中国实用新型专利“一种节能环保的太空能空气加热系统（cn210688777u）”所制成的空气能烤房（第一代产品），每烤一房烟叶需要七天，最大用电量为7×100度；如果其使用光伏发电并储电再制热的技术方案，则1昼夜则需配置100度的储电系统，按1000元/千瓦的现行最低建设成本计算，至少需要配置10万元的储电设备投资（目的是给制热设备供电、应归属于供热设备），此外，还需要3万元的空气能制热设备投资，合计需要13万元的烤房供热设备。

45、而本技术无需电池储能系统供电制热，测算显示：按1昼夜用电量为100度计算，由于本技术仅需配置储热罐等储放热设施，所以只需要0.2万元的储放热设备（即烤房供热设备）。相较于现行的储电制热技术方案而言，本技术提出的方案在烤房供热设备成本方面表现出显著的优势。具体来说，本技术方案的烤房供热设备成本仅为现行储电制热技术方案成本的0.2/13×100%=1.53%。由此可见，本技术方案显著降低了烤房供热设备成本。

46、其三、烤房用电免费：根据本技术的设计，使用光伏自发电制热或者聚光获取高温后进行存热，不需要依赖电力网供应的电能。因此，不必向电力网等供电单位支付电费。与目前使用的空气能烤房产品相比，每房烤烟可节省约600-700元的电费。综上所述，与目前第一代空气能烤房产品相比，本技术提出的脱网储热太阳能全天候烤烟方法在用电成本和设备投资方面都实现了大幅降低。这项技术的优势显著，为环境和经济带来了明显的益处。

47、其四、可不间断全天候洁能烘烤生产：还因为配设了应急备用燃气/油加热器及其液化气（清洁能源）罐/油罐和控制器自动点火装置。若遇到长时间阴雨天，无太阳能可用时，意外断电断热时，控制器就可自动点燃燃气/油加热器，给烘烤房供热，从而可彻底摆脱对电力的依赖，满足不间断昼夜（全天候）烘烤的生产需求。

48、其五、光伏发电并直接为空气能热泵供能、制热后储存热量的创新技术方案，成功取代了现行光伏储电技术方案。这一创新方案利用种植户自身的光伏电池板所产生的电能，直接供给空气能热泵，使其以更高的能效比制取多倍的热量，并将其储存备用。这种创新的自用储能技术方案，摒弃了现行空气能烤房中热量现制现用的方式。其结果表明，这种技术取得了出色的脱网节能效果，在商业上具有相当的价值。

49、综上所述，在田间地头自建本技术所述的脱网储热太阳能全天候烤烟方法，完全依赖光热或非储电光伏发电产生的储热来为烤房供热，技术上是可行的且经济上具有合算性，这是一条可行的途径。研究表明，本技术所采用的技术方案一相比技术方案二更加节能、环保，投资成本更低，更为实用。但是，技术方案二中，在非烟叶收获季节（约9个月）产生的光伏电能可以卖给电网，可为烟叶种植农户提供额外收入。值得一提的是，本技术所述的脱网储热太阳能全天候烤烟方法，还可以广泛应用于咖啡豆、杏仁、核桃、腰果、葡萄干、麦芽、谷物、果干、茶叶、蘑菇、辣椒等其他农产品的烘烤过程中。