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第 36卷 第 4期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) V ol 36 N o 4 202 2020年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2020 日光溫室頂部菲涅爾透鏡的光熱分離特性 伍 綱 1 2 方 慧 1 2 張 義 1 2 楊其長(zhǎng) 1 2 馬興龍 3 1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 2 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081 3 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院 北京 100081 摘 要 為了進(jìn)一步提高日光溫室內(nèi)主動(dòng)蓄放熱的熱能利用效率 該研究在日光溫室內(nèi)的頂部空間 構(gòu)建了基于曲面菲 涅爾透鏡的直散分離系統(tǒng) 該系統(tǒng)對(duì)頂部區(qū)域的空間利用率為 25 8 利用光學(xué)仿真軟件對(duì)不同入射角的太陽(yáng)光進(jìn)行追 蹤 并對(duì)該曲面菲涅爾透鏡在典型日條件下的接收效率和焦斑分布進(jìn)行分析 得到一日內(nèi)的變化規(guī)律 在直射光集熱測(cè) 試方面 正午時(shí)段內(nèi) 該系統(tǒng)的集熱效率可以達(dá)到 45 對(duì)比散射光環(huán)境對(duì)溫室的影響 發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)全天光照度減小約 為 10 40 該文以主動(dòng)集熱土壟加溫系統(tǒng)提升栽培土壟溫度作為試驗(yàn)組 并與不加溫對(duì)照組進(jìn)行了比較 試驗(yàn)結(jié)果 表明 系統(tǒng)可提高土壟溫度 4 5 5 0 連續(xù)晴天情況下 土壟加溫系統(tǒng)的 COP coefficient of performance 為 1 5 1 9 研究表明此新型溫室集熱方式可提高空間利用率 改善溫室內(nèi)光熱環(huán)境 同時(shí)利用午間強(qiáng)直射光集熱 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能綜合 利用 關(guān)鍵詞 日光溫室 透鏡 太陽(yáng)能 光熱 曲面菲涅爾鏡 直散分離 土壟加溫 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 中圖分類號(hào) S625 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 04 0202 09 伍 綱 方 慧 張 義 楊其長(zhǎng) 馬興龍 日光溫室頂部菲涅爾透鏡的光熱分離特性 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 4 202 210 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 http www tcsae org Wu Gang Fang Hui Zhang Yi Yang Qichang Ma Xinglong Sunlight heat separation characteristics of Fresnel lens on the top of Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 4 202 210 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 04 024 http www tcsae org 0 引 言 中國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)起步雖晚 但因北方地區(qū)冬季農(nóng) 產(chǎn)品 特別是蔬菜 的強(qiáng)勁剛需 使其 30 a來發(fā)展迅速 目前設(shè)施園藝面積已達(dá) 370 萬(wàn) hm 2 成為世界上擁有設(shè)施 園藝面積最大的國(guó)家 1 2 北方設(shè)施園藝中以日光溫室的 發(fā)展最為迅速 近年來節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用 受到了越來越多的關(guān)注 溫度作為重要的環(huán)境因子 合 理的溫度調(diào)控在冬季生產(chǎn)中尤為重要 溫室內(nèi)對(duì)溫度的 調(diào)控 一般分為土壟溫度調(diào)控和空氣溫度調(diào)控 其中土 壟溫度主要影響作物的根區(qū)溫度 可調(diào)節(jié)作物的根系生 長(zhǎng) 水分及養(yǎng)分的吸收利用等 傳統(tǒng)日光溫室利用北面土墻蓄集的熱量非常有限 故大部分日光溫室還需燃煤供暖過冬 始終存在效率低 污染大及運(yùn)行費(fèi)用高等問題 制約著溫室種植的經(jīng)濟(jì)效 益 3 5 日光溫室在對(duì)太陽(yáng)熱能的主動(dòng)利用中 包括在靠 近北墻的位置放置太陽(yáng)能集熱器 比如平板集熱器 這樣就不占溫室內(nèi)部的種植面積 6 外置太陽(yáng)能集熱器一 收稿日期 2019 08 09 修訂日期 2019 12 26 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 51806244 中國(guó)博士后基金資助 項(xiàng)目 2017M620077 2019T120163 作者簡(jiǎn)介 伍 綱 博士 助理研究員 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程方面研 究 Email wugang01 通信作者 方 慧 副研究員 主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究 Email fanghui 般位于溫室北墻之上 以及溫室南側(cè)的空地上 7 8 這類 新穎的太陽(yáng)能集熱方式 存在的問題在于太陽(yáng)能接收面 積偏少 集熱量相對(duì)于溫室的需求來說還比較有限 如 何進(jìn)一步提高集熱效率 研發(fā)與溫室結(jié)構(gòu)相適宜的熱能 利用形式是技術(shù)突破的關(guān)鍵 在對(duì)玻璃溫室覆蓋材料的研究方面 荷蘭瓦赫寧 根大學(xué)通過覆蓋多層光譜選擇性吸收的金屬材料 SOL MOX Hilite 荷蘭 和絕緣塑料薄膜 Ebiral 美國(guó) 9 2 種材料可以反射植物光合作用不需要的近 紅外光 NIR 減輕溫室的高熱負(fù)荷 而收集反射光 能直接或間接地轉(zhuǎn)化成電能 用于溫室降溫消耗 從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)多余能量的回收和利用 經(jīng)檢測(cè) 該類型溫 室年可發(fā)電 20 kW h m 2 并預(yù)計(jì)通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè) 計(jì) 可以將發(fā)電量提到 31 kW h m 2 從而可基本滿足 溫室生產(chǎn)用能 也有學(xué)者將玻璃溫室頂部斜面改造成 平板型菲涅爾透鏡 利用午間太陽(yáng)高度角較大時(shí)的直 射光進(jìn)行聚光發(fā)電 同時(shí)將散射光環(huán)境提供給植物進(jìn) 行光合作用 10 11 為解決日光溫室內(nèi)能源收集與種植栽培之間的矛 盾 將太陽(yáng)能透射聚光高溫集熱技術(shù)與日光溫室南坡面 結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì) 構(gòu)成既可以兼容相濟(jì)又可以獨(dú)立 運(yùn)行的太陽(yáng)能熱農(nóng) 農(nóng)光互補(bǔ)系統(tǒng) 具體是利用大尺度的 曲面菲涅爾透鏡收集直射光 真空集熱管安置在焦斑接 收位置 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能中溫集熱和農(nóng)作物采光生長(zhǎng) 余熱 為作物生長(zhǎng)供熱 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 第 4期 伍 綱等 日光溫室頂部菲涅爾透鏡的光熱分離特性 203 1 直散分離式光熱結(jié)構(gòu)及工作原理 基于日光溫室曲面線性菲涅爾透射聚光光熱系統(tǒng)如 圖 1 所示 試驗(yàn)位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè) 科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地 40 13 N 116 65 E 日光溫室跨度為 8 m 脊高 3 25 m 后墻凈 高 2 4 m 長(zhǎng) 度 50 m 以圓柱面菲涅爾透射聚光器為主要 部件 搭建中溫太陽(yáng)能集熱系統(tǒng) 注 A B C為光照度測(cè)點(diǎn)位置 Note A B C are illuminance measurement point 圖1 試驗(yàn)原理示意圖 Fig 1 Diagram of working principle 菲涅爾透鏡的直散分離過程 將正午垂直于鏡面入 射的直射光經(jīng)由曲面菲涅爾透鏡聚集 投射在太陽(yáng)真空 管接收器上 實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換 沒有被接收器攔截的部分 散射光穿過透鏡 落在底部的植物葉片上 如圖 2 所示 透鏡聚光器和日光溫室都是沿東西方 向布置 接收太陽(yáng)光 利用塑料繩和定滑輪將菲涅爾透 射式聚光器懸置在溫室的頂部區(qū)域 可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥冗M(jìn) 行程序控制 使得每天曲面菲涅爾透鏡的中心線與水平 線的夾角 固定為當(dāng)日太陽(yáng)高度角的最大值 這種固定 透鏡的方式 接收器一天之中只有正午時(shí)刻系統(tǒng)的熱流 最大 而在早上或下午太陽(yáng)光線都是傾斜入射 所以一 天之中熱流變化較大 圖2 曲面菲涅爾鏡在日光溫室位置圖 Fig 2 Curved surface Fresnel mirror position map in Chinese solar greenhouse 優(yōu)勢(shì)在于 將曲面菲涅爾透鏡聚光器置于日光溫室 的頂部空間 凸面朝上 接收器置于透鏡下方焦斑的位 置 相對(duì)于透鏡保持靜止 充分利用溫室南坡面的曲面 結(jié)構(gòu) 該菲涅爾透鏡與南坡面都具有曲面結(jié)構(gòu) 曲面透 鏡在運(yùn)動(dòng)過程中繞接收器位置旋轉(zhuǎn) 使得聚光光熱系統(tǒng) 更加緊湊 以提高內(nèi)部空間的利用效率 曲面菲涅爾透 鏡聚光器每日固定正對(duì)著太陽(yáng)的最大高度角 實(shí)現(xiàn)溫室 收集太陽(yáng)能最大化 有效實(shí)現(xiàn)了農(nóng)光熱互補(bǔ) 拓寬了太 陽(yáng)能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 2 溫室頂部區(qū)域內(nèi)的空間利用 通常情況下 日光溫室的內(nèi)置太陽(yáng)能集熱器一般 靠近北墻 這樣幾乎不占室內(nèi)種植區(qū)域面積 且對(duì)植 物光合無(wú)影響 但在冬季 由于太陽(yáng)高度角偏低和植 物的遮擋效應(yīng) 使得這類集熱器的集熱效果并不理想 如圖 1 所示 本文將日光溫室內(nèi)的有限空間分成 3 部 分 分別是種植區(qū) 頂部區(qū)域和走廊 走廊位于整個(gè) 溫室的最北側(cè) 寬為 0 8 m 考慮到植物 2 m 的生長(zhǎng) 高度 將走廊南側(cè) 2 m高度的空間作為作物的種植區(qū) 整個(gè)日光溫室 2 m以上無(wú)植物空間作為頂部區(qū)域 如 圖 3 所示 菲涅爾透鏡系統(tǒng)放置在非種植空間的有限 區(qū)域內(nèi) 曲面透鏡的上端坐標(biāo)原點(diǎn) O 固定在坡面最高 點(diǎn)下 0 2 m 位置 透鏡下端點(diǎn) B 上下移動(dòng) 保證太陽(yáng) 光能夠垂直入射透鏡表面 最終將直射光聚焦到焦點(diǎn) A 處 OB之間的圓弧為圓柱面菲涅爾透鏡圓面 該圓弧的 理論圓直徑為 1 m 點(diǎn) A為焦點(diǎn) 單個(gè)菲涅爾透鏡聚光系 統(tǒng)所占的面積為 A O B所圍成的圖形面積 該位置對(duì) 應(yīng)太陽(yáng)高度角為 73 夏至 聚光系統(tǒng)從夏至旋轉(zhuǎn)到冬 至?xí)r 與水平面夾角變?yōu)?26 5 即 E A D 為 26 5 AOB移動(dòng)到 A OB 單個(gè)透鏡聚光系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)面積 S 如 圖 3 應(yīng)該等于 4 部分面積的和 扇形 OAA AOF 扇形 BOF 和弓形 OB 圖3 圓柱面菲涅爾聚光系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)面積 側(cè)面 的求解過程 Fig 3 Solution process for moving area side of a cylindrical Fresnel concentrating system 圓柱面透鏡焦距為 0 95 m AE 0 83 m 那么 OA 0 89 m ABO 68 64 OAE 21 36 DA B 5 14 求得面積 S 2 0 66m AOF OAA BOF OB SS S S S 1 頂部區(qū)域的面積為溫室內(nèi)部垂直高度大于 2 m 的面 積和 包括北坡面積 S N 和南坡面積 S S 之和 南坡面積 S S 計(jì)算 選取拋物線與圓線復(fù)合的南坡面方程 12 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 204 2 1 275 6 5 0 3 6 66 02 5 057 3 6 4 02 xx y xx 2 通過積分上面公式 2 并減去 2 m以下面積 得到 S S 4 19 m 2 S N 0 94 m 2 經(jīng)計(jì)算 頂部區(qū)域只能擺放兩 組菲涅爾透鏡系統(tǒng) 那么溫室頂部區(qū)域的空間利用效率 s 為 NS 2 25 8 s S SS 3 3 鏡片的光學(xué)仿真 圖 4 中 圓柱面菲涅爾透鏡沿著中心軸旋轉(zhuǎn) 從而 進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤 將傾斜入射的光線分別投影到圓截面和 軸截面 圓截面內(nèi)的投影與光軸的夾角 稱為軸向入射 角 將軸截面內(nèi)的投影與光軸的夾角稱為傾斜入射角 由于它屬于單軸跟蹤型 傾斜入射不可避免 a 透鏡的聚光情況 a Concentrated situation of lens b 二次聚光器 帶保護(hù)膜 b Secondary concentrator With protective film 圖4 圓柱面菲涅爾鏡和二次聚光器 Fig 4 Cylndrical Fresnel lens and secondary condenser 二次聚光器位于真空管正下方 緊貼真空管放置 二次聚光器結(jié)構(gòu)如圖 4b 所示 作為一個(gè)輔助的聚光器 它可以收集由于傾斜入射 制造或跟蹤誤差而漏出的光 線 二次聚光器中兩側(cè)面反射鏡面之間的最大開口間距 為 180 mm 接收器是帶有板式翅片的直流翅片式真空玻 璃管 如圖所示圖 5 單根玻璃管長(zhǎng) 4 m 直徑為 102 mm 板式傳熱翅片寬 80 mm 長(zhǎng) 1 9 m 翅片的表面有復(fù)合材 料涂層 TiOxNy TiN 吸收率 0 9 發(fā)射率 0 08 以增加吸光率和降低發(fā)射率 彈簧管位于直徑為 12 mm 的 2 個(gè)銅管之間 避免了熱應(yīng)力擴(kuò)張 翅片與銅管通過 滾壓工藝貼合 將圓柱面菲涅爾鏡的三維模型導(dǎo)入光學(xué)軟件 將材 料設(shè)為聚碳酸酯 圓柱面菲涅爾鏡的光路和接收器相對(duì) 固定的條件下 光線的分布情況如圖 6 所示 在太陽(yáng)光 垂直入射的情況下 焦斑最小寬度為 32 mm 得到理論 最大幾何聚光比 650 32 20 3 每塊鏡片每日固定在太陽(yáng) 高度角最大的位置 對(duì)正午的太陽(yáng)能進(jìn)行收集 為了盡 可能多的接收太陽(yáng)光 提高系統(tǒng)接收效率 即到達(dá)接收 面上的光線數(shù)量與透過菲涅爾透鏡的光線數(shù)量之比 為了 有效的增加許用的傾斜入射角 在接收器的下方增加二次 聚光器是非常必要的 光線的焦點(diǎn)將重新分布在二次聚光 器的上方 并可將接收面置于新焦點(diǎn)位置 該圓柱面菲涅 爾鏡的理論焦距為 950 mm 通過仿真發(fā)現(xiàn) 實(shí)際焦距為 840 mm時(shí) 接收效率最好 即原焦距位置上移 110 mm a 實(shí)物圖 a Physical map b 軸向 b Axial direction c 徑向 c Radial direction 注 80為板式傳熱翅片寬 80 mm Note 80 is the plate heat transfer fin width 圖5 直流翅片式真空管及其尺寸圖 Fig 5 Direct flow and finned vacuum tube and its size 注 圖中數(shù)值均為上午時(shí)間 Note Numerical value is morning time in the figure 圖6 菲涅爾鏡片與接收器相對(duì)固定時(shí)的光線追跡視圖 無(wú)二次聚光器 Fig 6 Fresnel lens concentrator ray tracing view between Fresnel lens and receiver at relative fixed without secondary concentrator 對(duì)于菲涅耳透鏡的仿真研究 采用非序列光線追跡方 法 軟件中常用的計(jì)算照度的方法是蒙特卡羅法 是通過 追跡大量的光子來決定照度的 可以從光源到接收器或從 接收器到光源來進(jìn)行光子路徑追跡 本文采用 Optical Research Associates公司開發(fā)的仿真模擬軟件 LightTools進(jìn) 第 4期 伍 綱等 日光溫室頂部菲涅爾透鏡的光熱分離特性 205 行模擬和研究設(shè)計(jì) 版本號(hào)為 V7 1 0 可以通過繪制圖形 來創(chuàng)建 觀察 修改并且分析光學(xué)元件和光路 是有擴(kuò)展 的數(shù)值精度和專門進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)的光線追跡軟件 本文中 光線選取覆蓋全波長(zhǎng)范圍的可見光 參照大氣質(zhì)量 AM1 5 將所選光線的波長(zhǎng)及占比按表 1 給出 另外設(shè)置光源發(fā)光 數(shù)量為 50 萬(wàn)條 可以保證焦斑能量分布的平滑性 表1 仿真設(shè)置可見光波長(zhǎng)及比例 AM1 5 Table 1 Porportion of visible wavelength in simulation AM1 5 波長(zhǎng) Wave length nm 能量密度 Energy density W m 2 nm 1 380 0 70 430 1 21 480 1 62 530 1 54 580 1 50 630 1 39 680 1 27 730 1 13 760 0 26 將圓柱面菲涅爾透鏡的三維模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件 LightTools 中 真空管接收器實(shí)際寬度為 10 cm 設(shè)置模 型的材料屬性為 PC 并定義入射光和設(shè)置接收器 如圖 7 所示 調(diào)整夏至和冬至這 2 d 鏡片對(duì)稱軸與水平面的夾 角 分別為 73 和 26 5 透鏡的焦平面會(huì)隨太陽(yáng)高度角 的變化 上下移動(dòng) 圖7 聚光器接收效率和焦斑寬度在典型日 夏至和冬至 內(nèi) 的變化情況 Fig 7 Varation of typical day Summer solstice SS and winter solstice WS with receiving efficiency and focal spot width 接收器位于菲涅爾正下方 840 mm 的位置時(shí) 夏至日 及冬至日午間時(shí)長(zhǎng)分別為 4 5 2 5 h 內(nèi) 接收效率近似 100 同時(shí) 在焦平面寬 10 cm范圍內(nèi) 夏至日及冬至日 午間時(shí)長(zhǎng)分別為 5和 2 h 內(nèi) 匯聚的光線基本都在焦平面 有效范圍內(nèi) 這樣 在透鏡當(dāng)天不動(dòng)的情況下 能夠很好 的利用午間的入射光線 進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化 同時(shí) 也不影響 上午和下午傾斜入射的太陽(yáng)光 進(jìn)入溫室內(nèi)部 圖 8 可看出 隨著光線軸向入射角的增大 透鏡的 焦距會(huì)在焦平面上下移動(dòng) 當(dāng)軸向入射角為 0 即正入 射時(shí) 焦斑位置下降到焦平面下方 110 mm處 二次聚光 器放置在接收器平面上 直流翅片式真空管放置其中 焦斑不在翅片上的入射光線 經(jīng)過二次聚光器后 該部 分光線聚集在真空管的下側(cè) 當(dāng)軸向入射角等于 22 5 時(shí) 焦斑所在的位置為實(shí)際焦平面的放置位置 和曲面透鏡 頂點(diǎn)的距離為 840 mm 當(dāng)軸向入射角 35 時(shí) 焦斑位置 上升到焦平面上方 142 mm處 二次聚光器能夠保證大多 數(shù)光線聚集到管內(nèi)壁上 在軸向入射角小于 30 時(shí) 焦平 面接收器的接收效率一直大于 96 說明在正午時(shí)間內(nèi) 軸向傾斜入射對(duì)接收效率 幾乎沒有影響 圖8 菲涅爾鏡焦斑位置及接收效率隨軸向入射角變化 Fig 8 Focal spot position and receiving rate of Fresnel lens with different axial incident angle 4 直射光的光學(xué)效率與集放熱測(cè)試過程 直射光集熱系統(tǒng)原理是白天利用循環(huán)導(dǎo)熱油和油水 換熱器 通過聚光器將直射光聚集在真空管上 熱量通 過水流循環(huán) 收集儲(chǔ)存在地下儲(chǔ)熱水箱內(nèi) 再通過土壟 下的加熱系統(tǒng)釋放能量 提高土壟溫度 系統(tǒng)還包括太 陽(yáng)能跟蹤控制器 循環(huán)泵 儲(chǔ)熱水箱 油水換熱器和測(cè) 試系統(tǒng) 系統(tǒng)中的管路 油水換熱器和水箱均有保溫 試驗(yàn)的運(yùn)行原理如圖 9所示 1 菲涅耳透鏡 2 直流翅片式真空管 3 二次聚光器 4 電動(dòng)定滑輪 5 固 定端 6 輻射表 7 8 9 測(cè)溫點(diǎn) 10 油水換熱器 1 1 流量計(jì) 12 泵 13 水箱 14 數(shù)據(jù)記錄儀 15 潛水泵 16 土壟 17 熱水管 1 Fresnel lens 2 Directed flow and finned vacuum tube 3 Second concentrator 4 Electric crown block 5 Fixed end 6 Radiometer 7 8 9 Temperature measuring point 10 Oil water heat exchanger 11 Flowmeter 12 Pump 13 Water tank 14 Data recorder 15 Sink pump 16 Soil ridge 17 Hot water pipe 圖9 集放熱系統(tǒng)原理圖 Fig 9 Schematic diagram of heat storage release system 4 1 系統(tǒng)組成 1 集熱系統(tǒng) 包括東西向兩排總長(zhǎng)約 40 m 的曲面 菲涅爾透鏡 如圖 2b 對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的直流翅片式真空管 1 臺(tái) 0 8 kW 的水泵 1 臺(tái) 1 1 kW 的潛水泵及循環(huán)管道 聚光系統(tǒng)包含 40 塊長(zhǎng)約 1 m 的透鏡 如圖 4 透鏡頂 部和南坡面最高點(diǎn)之間間隙為 0 2 m 聚光透鏡總的集熱 面積為 26 m 2 聚光集熱管路內(nèi)的循環(huán)導(dǎo)熱油為 10 L 2 地下儲(chǔ)熱水箱 儲(chǔ)熱水箱蓄水體積為 2 2 m 3 為 PE 材質(zhì) 四周及底部用 20 mm厚的橡塑棉進(jìn)行保溫 并 采用澆筑陶?；炷吝M(jìn)行保溫 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 206 3 土壟加溫系統(tǒng) 包含 1臺(tái) 1 1 kW 流 量 為 15 m 3 h 的潛水泵及土壟下的加熱管道 其中管道選用外徑為 20 mm的 PPR管 布置于土壟正下方 采用同程式布管 流量分配較均衡 4 2 系統(tǒng)運(yùn)行模式 系統(tǒng)運(yùn)行模式為 1 蓄熱時(shí)間為 09 00 15 00 系 統(tǒng)運(yùn)行 集熱系統(tǒng)開始集熱 將熱量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)熱水箱中 2 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)試驗(yàn)結(jié)果 12 00 15 00 土壟溫度與 蓄水池內(nèi)水溫平均溫差最大 利于放熱 故土壟增溫系 統(tǒng)此段時(shí)間運(yùn)行 將熱量蓄積于土壟中 而且此時(shí)作物 光合作用強(qiáng)度較大 適當(dāng)?shù)奶岣咄翂艤囟壤诠夂献饔?此為第一放熱階段 3 夜晚 00 00 08 00 土壟加溫系 統(tǒng)運(yùn)行 向土壟放熱 此為第二放熱階段 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)白天集熱系統(tǒng)通過聚光器真空管收集熱 量 夜晚再將吸收的熱量通過土壟加溫系統(tǒng)釋放到溫室 中 13 對(duì)照組無(wú)集熱與土壟增溫系統(tǒng) 試驗(yàn)組與對(duì)照組位 于同一溫室 溫室中部是鋼化玻璃墻 將溫室分為 2個(gè)區(qū) 域 試驗(yàn)處理位于溫室的西側(cè) 采用主動(dòng)集放熱土壟加溫 方式 對(duì)照處理位于溫室的東側(cè) 無(wú)任何加溫方式 4 3 栽培材料及參數(shù)測(cè)定 溫室內(nèi)種植的番茄品種為瑞克斯旺 中國(guó) 公司生 產(chǎn)的瑞粉 882 2018 年 10 月 16 日播種育苗 11 月 8 日 兩心一葉 時(shí)按一壟兩行定植 南北走向 壟距 1 55 m 壟高 25 cm 壟上寬 30 cm 下寬 80 cm 每壟定植 42 株 苗 每組處理 18 壟 在距離試驗(yàn)溫室南面 5 m 開闊處 距地面 2 m 高度 對(duì)應(yīng)植物冠層 處設(shè)置室外空氣溫度測(cè)點(diǎn) 14 試驗(yàn)區(qū)和對(duì)照區(qū)區(qū)域內(nèi)從東向西選擇第 5 第 11 第 14 壟作為測(cè)量壟 每壟距北墻根 2 7 4 7 6 7 m各布 置 1 個(gè)點(diǎn) 如圖 1 所示 試驗(yàn)區(qū)第 11 壟中部測(cè)點(diǎn)下方 10 20 40 60 cm深布置 4 個(gè)測(cè)點(diǎn) 在非試驗(yàn)組離后墻 3 m 距地面 1 5 m高設(shè)置室內(nèi)太 陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn) 在距離試驗(yàn)溫室南面 5 m 距地面 1 5 m高 度處設(shè)置室外太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn) 選用的 T 型溫度傳感器 精確度 0 2 土壟中 傳感器探頭做套筒處理 選用美國(guó)坎貝爾公司的 CMP3 型太陽(yáng)輻射傳感器 數(shù)據(jù)采集儀選用該公司生產(chǎn)的 CR3000 采集間隔 10 min 4 4 系統(tǒng)加溫與光學(xué)效率計(jì)算 試驗(yàn)時(shí)間是 2018 年 6 月 15 日 系統(tǒng)開始運(yùn)行后 循環(huán)的導(dǎo)熱油不斷地將真空管收集到的太陽(yáng)能帶到油水 換熱器 再通過油水換熱器給水箱中的水加熱 隨著油 溫的升高 系統(tǒng)對(duì)外的散熱逐漸增加 最終將達(dá)到熱平 衡狀態(tài) 太陽(yáng)輻照度 聚光系統(tǒng)下方集熱器進(jìn)出口油溫 和水箱中的水溫隨當(dāng)?shù)貢r(shí)間的變化如圖 10 所示 試驗(yàn)系 統(tǒng)東西走向安裝 南北一維轉(zhuǎn)動(dòng) 每日鏡面固定 9 00 前集熱效果并不理想 主要是軸向傾角過大 約 50 左右 9 00 后 隨著軸向傾角的減小 系統(tǒng)聚光效率明顯增加 水箱水溫迅速升高 真空管進(jìn)出口油溫差 在 11 30 左右 達(dá)到最大值 15 且午間 11 00 13 00 很長(zhǎng)時(shí)間都 保持在 10 以上 表明聚光器聚光效果良好 圖10 集熱系統(tǒng)溫度變化 Fig 10 Variations of temperature of collecting system 為了更清晰的分析系統(tǒng)的集熱性能 聚光器的集熱 效率計(jì)算式如下 oi c DNI p cv TT A 4 式中 c p 為導(dǎo)熱油 燕山石化 YD320 的定壓比熱 2 kJ kg 為導(dǎo)熱油密度 0 86 kg L v 為導(dǎo)熱油的 循環(huán)流速 4 L min T i T o 分別為進(jìn)出油溫 A為集熱面 積 DNI 為直射輻射 W m 2 利用已有溫度 可計(jì)算出該系統(tǒng)每小時(shí)內(nèi)的平均集 熱效率 本集熱系統(tǒng)在 8 00到 9 00 之間 由于太陽(yáng)軸向 傾角很大 并且不是正入射 所以其平均效率只有 8 6 9 00 到 10 00 效率提高到 17 5 11 00 到 13 00 2 h 內(nèi) 集熱效率達(dá)到近 45 說明本系統(tǒng)在聚光器每日固 定的前提下 午間集熱效率較好 歸一化溫差 T 表示為集熱器工作溫度與環(huán)境溫度 T e 的差值與太陽(yáng)輻射值之比 公式 4 中集熱器工作 溫度可用進(jìn)出口油溫的平均值表示 即 T i T o 2 利用歸 一化溫差分析聚光器及集熱系統(tǒng)的效率 可以較深刻地 了解系統(tǒng)的熱性能參數(shù) 式 6 為歸一化的集熱效率 io e 2 DNI TT T T 5 co UT 6 圖 11 中 當(dāng)歸一化溫差為 0 時(shí) 集熱器的散熱損失為 0 此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到最大效率 也稱為光學(xué)效率 即擬合直線 的截距為 0 73 o 為光學(xué)效率 擬合的直線斜率為 5 37 表示此聚光系統(tǒng)總散熱系數(shù) U 為 5 37 W m 2 歸一化 溫差與集熱效率之間的線性關(guān)系說明在測(cè)試油溫范圍內(nèi) 集 熱系統(tǒng)的所產(chǎn)生的輻射損失非常小 主要熱損在于導(dǎo)熱和對(duì) 流 2部分 主要來源于集熱管端頭和連接管路的熱耗散 圖11 集熱器 歸一化的效率曲線 Fig 11 Efficiency curve of normalizing collector 第 4期 伍 綱等 日光溫室頂部菲涅爾透鏡的光熱分離特性 207 4 5 冬季試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)土壟加溫的比較 2019 年 1 月 9 日至 14 日為連續(xù)晴天 試驗(yàn)區(qū) 6 d的 每日平均土壟溫度為 20 2 20 5 19 9 20 8 20 7 20 4 對(duì)照區(qū)的平均土壟溫度為 15 8 15 9 15 4 15 8 16 1 16 3 在 12 00 15 00 第一放熱階段 試驗(yàn)區(qū)分別比 對(duì)照區(qū)平均土壟溫度高 4 7 4 4 4 7 5 0 4 8和 4 5 在 0 00 8 00第二放熱階段 2 區(qū)溫差分別為 4 8 4 8 5 0 5 3 4 6 和 5 0 試驗(yàn)時(shí)段內(nèi) 試驗(yàn)區(qū)中所測(cè)土壟 溫度均高于 18 加溫效果明顯 對(duì)照區(qū)內(nèi)土壟最高溫度出現(xiàn)在 19 30 前后 最低溫度 出現(xiàn)在 9 30 前后 也有文獻(xiàn)表明日光溫室內(nèi)土壤栽培條件 下 15 cm深的土壤最高溫度出現(xiàn)在 7 00 左右 15 如圖 12 所示 試驗(yàn)區(qū)土壟溫度每天出現(xiàn) 2 次波峰 2 次波谷 第 一次波谷出現(xiàn)在 12 00 后 為第一次加熱開始后的 10 min 內(nèi) 在此后的 3h 內(nèi) 土壟溫度持續(xù)上升 平均增溫速率為 1 3 h 第一次波峰出現(xiàn)于 15 15 即停止加熱后的 15 min 這是由于熱量在土壟中的傳遞需要一定的時(shí)間 而且系統(tǒng) 關(guān)閉后 加熱管內(nèi)的熱水 會(huì)繼續(xù)釋放熱量 第二次波谷 出現(xiàn) 0 10 為第二次加熱開始后 10 min 此后土壟溫度先 升后降 第二次波峰較第一次波峰平緩 出現(xiàn)在 3 00 4 00 該段時(shí)間加熱與土壟的放熱相當(dāng) 土壟溫度基本不變 而 該時(shí)間段內(nèi)對(duì)照區(qū)的土壟溫度持續(xù)走低 8 00 后 試驗(yàn)區(qū) 的土壟溫度下降速率明顯大于對(duì)照區(qū) 這是由于試驗(yàn)區(qū)土 壟溫度與室內(nèi)空氣溫度的溫差大 散熱速率也高 圖12 連續(xù)晴天條件下試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)的土壟溫度比較 2019 年 1 月 9 日 1 月 14 日 Fig 12 Soil ridge temperature comparison between experimental and reference area under continual sunny days Jan 9 Jan 14 2019 4 6 土壟加溫系統(tǒng)能耗及節(jié)能效果分析 聚光系統(tǒng)蓄積的熱量及土壟加溫管道釋放的熱量 可通過下式 14 計(jì)算 oc ic c t w cw w Q vCT T 7 end start c c t cc t t QQ 8 ir or rt w r w w Qv C TT 9 end start r r t rr t t QQ 10 式中 Q t 為在時(shí)間 t內(nèi)系統(tǒng)平均蓄積或釋放的熱量 kJ w 為水的密度 取值 1 0 10 3 kg m 3 w v 為集熱裝置循環(huán)水 的總體積 m 3 w C 為水的比熱 取值 4 2 kJ kg T 為 在時(shí)間 t 集熱裝置平均水溫 c Q 為集熱裝置蓄積的 熱量 kJ t為測(cè)試期間 記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔取 10 min 腳標(biāo) start end 分別為運(yùn)行的起 止時(shí)刻 腳標(biāo) c r 分 別為集熱 放熱工況 腳標(biāo) i o 分別為進(jìn)出水 系統(tǒng)集熱時(shí)段是白天 9 00 15 00 集熱量 Q c 通過式 7 和式 8 計(jì)算 而 12 00 15 00 0 00 8 00 加溫 管道向土壟放熱 不同時(shí)段的放熱量 Q r 均通過式 9 和 式 10 計(jì)算 集熱效率 c 為循環(huán)水獲得的能量 ct Q 與到達(dá)聚光器 表面的太陽(yáng)輻射量 s t Q 的比值 放熱效率 r 為通過土壟加 溫系統(tǒng)循環(huán)水釋放的能量 rt Q 與集熱系統(tǒng)收集能量 ct Q 的比值 ct c s t Q Q 11 rt r ct Q Q 12 式中 stcc t QAI 其中 c A 為集熱面積 m 2 ct I 為時(shí)間 t內(nèi) 透鏡表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的平均值 W m 2 試驗(yàn)期間的 1 d 定義為從該日的 8 30至次日 8 30 如年 1月 10 日定義為 1月 10 日 8 30至 1 月 11 日 8 30 土壟加溫系統(tǒng)的 COP coefficient of performance 為 1 d 內(nèi)系統(tǒng)向土壟有效放熱量與系統(tǒng)運(yùn)行耗電量的比值 16 wp COP r Q Q 13 式中 wp Q 系統(tǒng)一周期循環(huán)水泵的耗電量 kJ 若將系統(tǒng)運(yùn)行期間總的放熱量為電加熱產(chǎn)生的熱 量 系統(tǒng)節(jié)能率 17 可根據(jù)式 14 計(jì)算 tot wp tot e tot r r QQ Q 14 式中 e 為系統(tǒng)加熱的節(jié)能率 tot r Q 為系統(tǒng)運(yùn)行期間總的 放熱量 kJ wp tot Q 為系統(tǒng)運(yùn)行期間總的耗電量 kJ 將連續(xù)晴天 2019 年 1月 9日 14 日系統(tǒng)蓄熱量 釋 放熱量和透鏡表面太陽(yáng)總輻射量統(tǒng)計(jì)如表 2 所示 試驗(yàn) 組的平均能量利用率為 58 2 15 00 0 00 土壟放熱系 統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間 蓄水池能量散失平均值為 9 6 MJ 散失總 量占總蓄熱量的 11 儲(chǔ)熱水箱的保溫性能有待提高 聚光器平均集熱效率為 64 7 該聚光集熱土壟加溫系統(tǒng) 的平均 COP 為 1 5 1 9 土壟加溫系統(tǒng)有 2 個(gè)放熱階段 分別是 12 00 15 00 Day 和次日的 00 00 08 00 Night 連續(xù)晴天狀況 下 2 個(gè)階段土壟加熱管道釋放的熱量 功率如表 3所示 其中放熱功率是單位放熱時(shí)間的放熱量 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 208 表2 系統(tǒng)太陽(yáng)總輻射量及蓄積 釋放的能量 Table 2 Overview of total solar radiation quantities collected and released energy 日期 Date 透鏡表面太陽(yáng)總輻射量 Total quantity of solar radiation on suface of lens Q s MJ 收集的熱量 Collected heat capacity Q c MJ 集熱效率 Heat collecting efficiency c 釋放的熱量 Released heat capacity Q r MJ 能量利用效率 Utilization ratio of heat r 性能系數(shù) COP 2019 01 09 146 99 68 59 60 1 8 2019 01 10 141 85 60 59 69 1 7 2019 01 11 142 78 55 57 73 1 7 2019 01 12 159 93 58 63 68 1 9 2019 01 13 158 89 56 49 55 1 5 2019 01 14 162 84 52 53 63 1 8 表3 晴天狀況下土壟加溫系統(tǒng)不同放熱階段釋放的熱量 Table 3 Released energy of soil ridge heating system in different periods under continual sunny days 日期 Date 放熱時(shí)間 Released heat time 放熱功率 Released heat power kW 放熱總量 Heat release capacity Q r tot MJ 節(jié)能率 Energy saving rate 白天 2 3 24 2019 01 10 晚上 3 3 94 56 白天 2 0 21 2019 01 11 晚上 3 3 95 55 白天 2 0 22 2019 01 12 晚上 3 2 92 54 白天 2 2 24 2019 01 13 晚上 3 5 102 59 白天 2 1 23 2019 01 14 晚上 2 6 75 47 如表 2所示 2個(gè)階段的放熱功率不同 白天 12 00 15 00 時(shí)段平均放熱功率為 2 1 kW 夜間 0 00 8 00 時(shí)段的平均放熱功率為 3 2 kW 白天外界氣溫較高 土 壟自身溫度也在上升 由于土壟與熱水之間的溫差減小 所以系統(tǒng)的放熱量下降 而到了夜間 室內(nèi)空氣溫度較 低 土壟向空氣傳熱 因此水管放熱功率較白天要大很 多 日均消耗電量 52 MJ 系統(tǒng)釋放出的熱量分別為 118 116 114 126 98 MJ 由式 9 得其節(jié)能率分別為 56 55 54 59 47 節(jié)能效果明顯 5 散射光下植物的光環(huán)境 對(duì)比散射光環(huán)境對(duì)溫室的影響 發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)全天光 照度減小約為 10 40 聚光曲面透鏡在光線入射時(shí) 利用自然界中的直射光進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化 并不影響穿過透 鏡的散射光對(duì)溫室的影響 通過對(duì)第二部分溫室橫截面 的計(jì)算 種植區(qū)域的面積約為 10 59 m 2 夏至日太陽(yáng)高度 角最高 北京地區(qū)為 73 遮擋植物區(qū)域的面積最大 為 1 67 m 2 面積占比為 15 8 冬至日太陽(yáng)高度角最低 北 京地區(qū)為 26 5 遮擋植物區(qū)域的面積最小 為 0 66 m 2 面積占比為 6 25 圖 1 所示 3 個(gè)測(cè)點(diǎn) A B C 均位于 4 m 長(zhǎng)的透鏡 系統(tǒng)中央下方 和北墻距離分別為 2 2 3 2和 4 5 m 高 度為 2 m 的位置 由于透鏡將直射光匯聚到接收器上 故透鏡下方的植物受到遮擋 測(cè)得光照度大部分為散射 光的光照度 總值有所降低 如圖 13 所示 試驗(yàn)區(qū)為有 透鏡集熱系統(tǒng)的區(qū)域 非試驗(yàn)區(qū)為無(wú)遮擋對(duì)照區(qū) 日光 溫室內(nèi)光照的分布因位置的差別 光照度差異很大 2 m 為植物冠層高度 光照度值有一定的代表性 經(jīng)觀測(cè)有 以下幾個(gè)趨勢(shì) 第一 透鏡下方在南北水平方向 由溫 室南沿至后墻 北墻 光照度逐漸減少 其中北側(cè) A 點(diǎn)的日累計(jì)光照度值比南側(cè) C 點(diǎn)減少 30 左右 第二 試驗(yàn)區(qū)的光照度與非試驗(yàn)區(qū)的比值 表 4 全天值基本 在 60 90 之間 午間時(shí)穩(wěn)定在 80 左右 a 冬至日附近 12月 19日 a Near winter solstice Dec 19 b 夏至日附近 6月 26日 b Near summer solstice Jun 26 圖13 日光溫室內(nèi)光照度的空間分布 Fig 13 Space distribution of light intensity within solar greenhouse 表4 試驗(yàn)區(qū)與非試驗(yàn)區(qū)光照度的比值 Table 4 Ratio of illumination between pilot and nonpilot site 時(shí)刻 Time 日期 Date 測(cè)點(diǎn) Measrue point 9 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 A A 0 90 1 08 0 94 0 76 0 80 0 55 0 48 B B 0 47 0 69 0 63 0 79 0 71 1 14 1 00 夏至 Summer solstice C C 0 57 0 66 0 70 0 78 0 78 0 88 0 89 A A 0 95 0 93 0 93 0 88 0 87 0 86 0 81 B B 1 08 0 96 0 92 0