第 36卷 第 4期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 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 1 2 馬興龍 3 1 中國農(nóng)業(yè)科學院農(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)部設施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室 北京 100081 3 北京理工大學機械與車輛學院 北京 100081 摘 要 為了進一步提高日光溫室內(nèi)主動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 構建了基于曲面菲 涅爾透鏡的直散分離系統(tǒng) 該系統(tǒng)對頂部區(qū)域的空間利用率為 25 8 利用光學仿真軟件對不同入射角的太陽光進行追 蹤 并對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行分析 得到一日內(nèi)的變化規(guī)律 在直射光集熱測 試方面 正午時段內(nèi) 該系統(tǒng)的集熱效率可以達到 45 對比散射光環(huán)境對溫室的影響 發(fā)現(xiàn)試驗區(qū)全天光照度減小約 為 10 40 該文以主動集熱土壟加溫系統(tǒng)提升栽培土壟溫度作為試驗組 并與不加溫對照組進行了比較 試驗結果 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 同時利用午間強直射光集熱 實現(xiàn)太陽能綜合 利用 關鍵詞 日光溫室 透鏡 太陽能 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 S625 4 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2020 04 0202 09 伍 綱 方 慧 張 義 楊其長 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)工程學報 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 中國農(nóng)業(yè)設施建設起步雖晚 但因北方地區(qū)冬季農(nóng) 產(chǎn)品 特別是蔬菜 的強勁剛需 使其 30 a來發(fā)展迅速 目前設施園藝面積已達 370 萬 hm 2 成為世界上擁有設施 園藝面積最大的國家 1 2 北方設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)境調控技術的研發(fā)與應用 受到了越來越多的關注 溫度作為重要的環(huán)境因子 合 理的溫度調控在冬季生產(chǎn)中尤為重要 溫室內(nèi)對溫度的 調控 一般分為土壟溫度調控和空氣溫度調控 其中土 壟溫度主要影響作物的根區(qū)溫度 可調節(jié)作物的根系生 長 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 污染大及運行費用高等問題 制約著溫室種植的經(jīng)濟效 益 3 5 日光溫室在對太陽熱能的主動利用中 包括在靠 近北墻的位置放置太陽能集熱器 比如平板集熱器 這樣就不占溫室內(nèi)部的種植面積 6 外置太陽能集熱器一 收稿日期 2019 08 09 修訂日期 2019 12 26 基金項目 國家自然科學基金資助項目 51806244 中國博士后基金資助 項目 2017M620077 2019T120163 作者簡介 伍 綱 博士 助理研究員 主要從事設施農(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 以及溫室南側的空地上 7 8 這類 新穎的太陽能集熱方式 存在的問題在于太陽能接收面 積偏少 集熱量相對于溫室的需求來說還比較有限 如 何進一步提高集熱效率 研發(fā)與溫室結構相適宜的熱能 利用形式是技術突破的關鍵 在對玻璃溫室覆蓋材料的研究方面 荷蘭瓦赫寧 根大學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 9 2 種材料可以反射植物光合作用不需要的近 紅外光 NIR 減輕溫室的高熱負荷 而收集反射光 能直接或間接地轉化成電能 用于溫室降溫消耗 從 而實現(xiàn)對多余能量的回收和利用 經(jīng)檢測 該類型溫 室年可發(fā)電 20 kW h m 2 并預計通過進一步的優(yōu)化設 計 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 利用午間太陽高度角較大時的直 射光進行聚光發(fā)電 同時將散射光環(huán)境提供給植物進 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 將太陽能透射聚光高溫集熱技術與日光溫室南坡面 結構進行一體化設計 構成既可以兼容相濟又可以獨立 運行的太陽能熱農(nóng) 農(nóng)光互補系統(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 實現(xiàn)太陽能中溫集熱和農(nóng)作物采光生長 余熱 為作物生長供熱 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 直散分離式光熱結構及工作原理 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 試驗位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè) 科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗基地 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 度 50 m 以圓柱面菲涅爾透射聚光器為主要 部件 搭建中溫太陽能集熱系統(tǒng) 注 A B C為光照度測點位置 Note A B C are illuminance measurement point 圖1 試驗原理示意圖 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 投射在太陽真空 管接收器上 實現(xiàn)光熱轉換 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?shù)鼐暥冗M 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 固定為當日太陽高度角的最大值 這種固定 透鏡的方式 接收器一天之中只有正午時刻系統(tǒng)的熱流 最大 而在早上或下午太陽光線都是傾斜入射 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 相對于透鏡保持靜止 充分利用溫室南坡面的曲面 結構 該菲涅爾透鏡與南坡面都具有曲面結構 曲面透 鏡在運動過程中繞接收器位置旋轉 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著太陽的最大高度角 實現(xiàn)溫室 收集太陽能最大化 有效實現(xiàn)了農(nóng)光熱互補 拓寬了太 陽能在農(nóng)業(yè)領域的應用 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 且對植 物光合無影響 但在冬季 由于太陽高度角偏低和植 物的遮擋效應 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 溫室的最北側 寬為 0 8 m 考慮到植物 2 m 的生長 高度 將走廊南側 2 m高度的空間作為作物的種植區(qū) 整個日光溫室 2 m以上無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原點 O 固定在坡面最高 點下 0 2 m 位置 透鏡下端點 B 上下移動 保證太陽 光能夠垂直入射透鏡表面 最終將直射光聚焦到焦點 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 A為焦點 單個菲涅爾透鏡聚光系 統(tǒng)所占的面積為 A O B所圍成的圖形面積 該位置對 應太陽高度角為 73 夏至 聚光系統(tǒng)從夏至旋轉到冬 至時 與水平面夾角變?yōu)?26 5 即 E A D 為 26 5 AOB移動到 A OB 單個透鏡聚光系統(tǒng)的運動面積 S 如 圖 3 應該等于 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)運動面積 側面 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 計算 選取拋物線與圓線復合的南坡面方程 12 農(nóng)業(yè)工程學報 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 鏡片的光學仿真 圖 4 中 圓柱面菲涅爾透鏡沿著中心軸旋轉 從而 進行太陽跟蹤 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 二次聚光器結構如圖 4b 所示 作為一個輔助的聚光器 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 4 m 直徑為 102 mm 板式傳熱翅片寬 80 mm 長 1 9 m 翅片的表面有復合材 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 個銅管之間 避免了熱應力擴張 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入光學軟件 將材 料設為聚碳酸酯 圓柱面菲涅爾鏡的光路和接收器相對 固定的條件下 光線的分布情況如圖 6 所示 在太陽光 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 高度角最大的位置 對正午的太陽能進行收集 為了盡 可能多的接收太陽光 提高系統(tǒng)接收效率 即到達接收 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) 實際焦距為 840 mm時 接收效率最好 即原焦距位置上移 110 mm a 實物圖 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)值均為上午時間 Note Numerical value is morning time in the figure 圖6 菲涅爾鏡片與接收器相對固定時的光線追跡視圖 無二次聚光器 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 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 行模擬和研究設計 版本號為 V7 1 0 可以通過繪制圖形 來創(chuàng)建 觀察 修改并且分析光學元件和光路 是有擴展 的數(shù)值精度和專門進行光學設計的光線追跡軟件 本文中 光線選取覆蓋全波長范圍的可見光 參照大氣質量 AM1 5 將所選光線的波長及占比按表 1 給出 另外設置光源發(fā)光 數(shù)量為 50 萬條 可以保證焦斑能量分布的平滑性 表1 仿真設置可見光波長及比例 AM1 5 Table 1 Porportion of visible wavelength in simulation AM1 5 波長 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入光學仿真軟件 LightTools 中 真空管接收器實際寬度為 10 cm 設置模 型的材料屬性為 PC 并定義入射光和設置接收器 如圖 7 所示 調整夏至和冬至這 2 d 鏡片對稱軸與水平面的夾 角 分別為 73 和 26 5 透鏡的焦平面會隨太陽高度角 的變化 上下移動 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 夏至日 及冬至日午間時長分別為 4 5 2 5 h 內(nèi) 接收效率近似 100 同時 在焦平面寬 10 cm范圍內(nèi) 夏至日及冬至日 午間時長分別為 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 在透鏡當天不動的情況下 能夠很好 的利用午間的入射光線 進行光熱轉化 同時 也不影響 上午和下午傾斜入射的太陽光 進入溫室內(nèi)部 圖 8 可看出 隨著光線軸向入射角的增大 透鏡的 焦距會在焦平面上下移動 當軸向入射角為 0 即正入 射時 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 當軸向入射角等于 22 5 時 焦斑所在的位置為實際焦平面的放置位置 和曲面透鏡 頂點的距離為 840 mm 當軸向入射角 35 時 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 焦平 面接收器的接收效率一直大于 96 說明在正午時間內(nèi) 軸向傾斜入射對接收效率 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 直射光的光學效率與集放熱測試過程 直射光集熱系統(tǒng)原理是白天利用循環(huán)導熱油和油水 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) 收集儲存在地下儲熱水箱內(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 陽能跟蹤控制器 循環(huán)泵 儲熱水箱 油水換熱器和測 試系統(tǒng) 系統(tǒng)中的管路 油水換熱器和水箱均有保溫 試驗的運行原理如圖 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 電動定滑輪 5 固 定端 6 輻射表 7 8 9 測溫點 10 油水換熱器 1 1 流量計 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約 40 m 的曲面 菲涅爾透鏡 如圖 2b 對應長度的直流翅片式真空管 1 臺 0 8 kW 的水泵 1 臺 1 1 kW 的潛水泵及循環(huán)管道 聚光系統(tǒng)包含 40 塊長約 1 m 的透鏡 如圖 4 透鏡頂 部和南坡面最高點之間間隙為 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)導熱油為 10 L 2 地下儲熱水箱 儲熱水箱蓄水體積為 2 2 m 3 為 PE 材質 四周及底部用 20 mm厚的橡塑棉進行保溫 并 采用澆筑陶粒混凝土進行保溫 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 206 3 土壟加溫系統(tǒng) 包含 1臺 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)運行模式 系統(tǒng)運行模式為 1 蓄熱時間為 09 00 15 00 系 統(tǒng)運行 集熱系統(tǒng)開始集熱 將熱量儲存于儲熱水箱中 2 根據(jù)系統(tǒng)運行預試驗結果 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)此段時間運行 將熱量蓄積于土壟中 而且此時作物 光合作用強度較大 適當?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)運行 向土壟放熱 此為第二放熱階段 試驗區(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 對照組無集熱與土壟增溫系統(tǒng) 試驗組與對照組位 于同一溫室 溫室中部是鋼化玻璃墻 將溫室分為 2個區(qū) 域 試驗處理位于溫室的西側 采用主動集放熱土壟加溫 方式 對照處理位于溫室的東側 無任何加溫方式 4 3 栽培材料及參數(shù)測定 溫室內(nèi)種植的番茄品種為瑞克斯旺 中國 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 在距離試驗溫室南面 5 m 開闊處 距地面 2 m 高度 對應植物冠層 處設置室外空氣溫度測點 14 試驗區(qū)和對照區(qū)區(qū)域內(nèi)從東向西選擇第 5 第 11 第 14 壟作為測量壟 每壟距北墻根 2 7 4 7 6 7 m各布 置 1 個點 如圖 1 所示 試驗區(qū)第 11 壟中部測點下方 10 20 40 60 cm深布置 4 個測點 在非試驗組離后墻 3 m 距地面 1 5 m高設置室內(nèi)太 陽輻射測點 在距離試驗溫室南面 5 m 距地面 1 5 m高 度處設置室外太陽輻射測點 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 選用美國坎貝爾公司的 CMP3 型太陽輻射傳感器 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)加溫與光學效率計算 試驗時間是 2018 年 6 月 15 日 系統(tǒng)開始運行后 循環(huán)的導熱油不斷地將真空管收集到的太陽能帶到油水 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)對外的散熱逐漸增加 最終將達到熱平 衡狀態(tài) 太陽輻照度 聚光系統(tǒng)下方集熱器進出口油溫 和水箱中的水溫隨當?shù)貢r間的變化如圖 10 所示 試驗系 統(tǒng)東西走向安裝 南北一維轉動 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 真空管進出口油溫差 在 11 30 左右 達到最大值 15 且午間 11 00 13 00 很長時間都 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 效率計算式如下 oi c DNI p cv TT A 4 式中 c p 為導熱油 燕山石化 YD320 的定壓比熱 2 kJ kg 為導熱油密度 0 86 kg L v 為導熱油的 循環(huán)流速 4 L min T i T o 分別為進出油溫 A為集熱面 積 DNI 為直射輻射 W m 2 利用已有溫度 可計算出該系統(tǒng)每小時內(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 的差值與太陽輻射值之比 公式 4 中集熱器工作 溫度可用進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 當歸一化溫差為 0 時 集熱器的散熱損失為 0 此時系統(tǒng)達到最大效率 也稱為光學效率 即擬合直線 的截距為 0 73 o 為光學效率 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系說明在測試油溫范圍內(nèi) 集 熱系統(tǒng)的所產(chǎn)生的輻射損失非常小 主要熱損在于導熱和對 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 冬季試驗區(qū)與對照區(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 試驗區(qū)分別比 對照區(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 試驗時段內(nèi) 試驗區(qū)中所測土壟 溫度均高于 18 加溫效果明顯 對照區(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間 而且系統(tǒng) 關閉后 加熱管內(nèi)的熱水 會繼續(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 該段時間加熱與土壟的放熱相當 土壟溫度基本不變 而 該時間段內(nèi)對照區(qū)的土壟溫度持續(xù)走低 8 00 后 試驗區(qū) 的土壟溫度下降速率明顯大于對照區(qū) 這是由于試驗區(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)晴天條件下試驗區(qū)與對照區(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為測試期間 記錄數(shù)據(jù)的時間間隔取 10 min 腳標 start end 分別為運行的起 止時刻 腳標 c r 分 別為集熱 放熱工況 腳標 i o 分別為進出水 系統(tǒng)集熱時段是白天 9 00 15 00 集熱量 Q c 通過式 7 和式 8 計算 而 12 00 15 00 0 00 8 00 加溫 管道向土壟放熱 不同時段的放熱量 Q r 均通過式 9 和 式 10 計算 集熱效率 c 為循環(huán)水獲得的能量 ct Q 與到達聚光器 表面的太陽輻射量 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 為時間 t內(nèi) 透鏡表面的太陽輻射強度的平均值 W m 2 試驗期間的 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)運行期間總的 放熱量 kJ wp tot Q 為系統(tǒng)運行期間總的耗電量 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總輻射量統(tǒng)計如表 2 所示 試驗 組的平均能量利用率為 58 2 15 00 0 00 土壟放熱系 統(tǒng)關閉時間 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間的放熱量 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 208 表2 系統(tǒng)太陽總輻射量及蓄積 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個階段的放熱功率不同 白天 12 00 15 00 時段平均放熱功率為 2 1 kW 夜間 0 00 8 00 時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 對比散射光環(huán)境對溫室的影響 發(fā)現(xiàn)試驗區(qū)全天光 照度減小約為 10 40 聚光曲面透鏡在光線入射時 利用自然界中的直射光進行光熱轉化 并不影響穿過透 鏡的散射光對溫室的影響 通過對第二部分溫室橫截面 的計算 種植區(qū)域的面積約為 10 59 m 2 夏至日太陽高度 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 個測點 A B C 均位于 4 m 長的透鏡 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 試驗區(qū)為有 透鏡集熱系統(tǒng)的區(qū)域 非試驗區(qū)為無遮擋對照區(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)觀測有 以下幾個趨勢 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 A 點的日累計光照度值比南側 C 點減少 30 左右 第二 試驗區(qū)的光照度與非試驗區(qū)的比值 表 4 全天值基本 在 60 90 之間 午間時穩(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 試驗區(qū)與非試驗區(qū)光照度的比值 Table 4 Ratio of illumination between pilot and nonpilot site 時刻 Time 日期 Date 測點 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