李金平,韓肖星,劉孝敏,魏世范,Vojislav Novakovic

(1.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗室,甘肅 蘭州 730050; 2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050; 3.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 4.挪威科技大學(xué)能源與過程工程系,挪威 特隆赫姆,NO-7491)

日光溫室作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施,在北方寒冷冬季已有廣泛應(yīng)用,為新鮮農(nóng)副產(chǎn)品的供應(yīng)作出了重要保障。為防止白天溫室內(nèi)溫度過高對農(nóng)副產(chǎn)品的傷害,日光溫室通常采用通風(fēng)方式降溫。Zhang等[1]研究表明日光溫室自然通風(fēng)量隨通風(fēng)口開度增大而增加,溫室內(nèi)輻射減弱,室內(nèi)空氣濕度和溫度下降。Arbel等[2]發(fā)現(xiàn)在風(fēng)扇通風(fēng)的溫室里,水平方向的通風(fēng)使室內(nèi)溫濕度的水平分布比垂直方向均勻,通風(fēng)速率提高,植物被高溫?fù)p傷的壓力減輕,在自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)的溫室中,無論是內(nèi)部遮陰還是外部遮陰,效果都很顯著。盡管如此,通風(fēng)口降溫也會導(dǎo)致溫室中大量熱量和水分的損失。為此,既能降低溫室溫度又能減少水熱損失的技術(shù)裝備的研發(fā)對日光溫室節(jié)能降耗意義重大。

Federica等[3]發(fā)現(xiàn)植物光合作用所需的光譜范圍為400～700 nm,波長超過700 nm可以用于光合作用以外的其他用途(如發(fā)電)。因此,PV與溫室的結(jié)合引起了人們的持續(xù)關(guān)注[4]。隨著PV技術(shù)的優(yōu)化革新,各種新型PV電池已被應(yīng)用于溫室。Muhammad等[5]將半透明有機(jī)光伏組件應(yīng)用于溫室并研究了其每日的運(yùn)行性能,發(fā)現(xiàn)有機(jī)光伏組件在高入射輻照度時盡管輸出較高,但填充因子和效率將下降。Maayan等[6]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)光伏組件覆蓋溫室面積比率為20%時,未覆蓋光伏組件的溫室單位面積入射輻射量比光伏溫室高兩倍左右,光伏溫室中的總輻射和光合有效輻射分別降低30%和20%左右。Claire[7]提出用半透明染料敏化太陽能電池替代溫室玻璃,光伏溫室的遮陰效應(yīng)可以降低灌溉要求,然而,由于與作物光合作用相容性差,不透明染料敏化太陽能電池的應(yīng)用受到限制。盡管新型太陽能電池表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,但由于有機(jī)質(zhì)易分解導(dǎo)致性能的不穩(wěn)定、光電效率低于傳統(tǒng)晶硅類電池,因此對傳統(tǒng)PV電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

Marco等[8]發(fā)現(xiàn)PV覆蓋比每增加1%,其溫室內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度減少約0.8%。因此,優(yōu)化PV的集成方式對于能源和農(nóng)業(yè)的統(tǒng)籌發(fā)展至關(guān)重要。Akira等[9]將傾斜角分別為20°、28°的PV板安置于溫室的內(nèi)外表面,得出從電能的角度來看PV外部安置方式好。Zhi等[10]開發(fā)了一個帶半透明雙面PV組件的百葉窗式遮光系統(tǒng),將其應(yīng)用于溫室遮陽,當(dāng)太陽輻照度高于預(yù)定值,光伏組件的方向與屋頂平行,當(dāng)輻照度較低時,光伏組件垂直于屋頂,從而陽光優(yōu)先進(jìn)入溫室。

PV/T(photovoltaic/thermal)是一種新型的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置[11-12],將其用于日光溫室遮陰,一方面可以達(dá)到日光溫室降溫的需要,另一方面PV/T產(chǎn)生的電和熱可以蓄存,可為溫室農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供能量。因此PV/T與日光溫室的集成有廣闊應(yīng)用前途。然而,PV/T自身結(jié)構(gòu)和循環(huán)工質(zhì)、電熱生產(chǎn)性能等都受到北方冬季低溫制約,至今尚沒有關(guān)于寒冷地區(qū)冬季日光溫室外MHP-PV/T(micro heat pipe photovoltaic/thermal)遮陰性能的研究。

為此,以日光溫室外MHP-PV/T為研究對象,研究分析了冬至前后三天系統(tǒng)全天的平均光電功率、光電效率、光熱功率、光熱效率、總能功率、總能效率、全天電量輸出、有效累積集熱量和全天總能輸出差異,并對產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了一定的分析,為后續(xù)遮陰裝置大量應(yīng)用于寒冷地區(qū)日光溫室提供了參考。

1 材料和方法

1.1 MHP-PV/T系統(tǒng)

MHP-PV/T板主要由尺寸為300 WpPV組件(L1640×W992×T40,詳細(xì)參數(shù)見表1)、20組微熱管構(gòu)件以及翼型冷凝端組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。單晶硅PV板長1640 mm、寬992 mm,其中均布60片156 mm×156 mm的單晶電池片。每個微熱管構(gòu)件長950 mm、寬80 mm、厚3 mm,中部開有25個長940 mm、寬2.5 mm、高1.8 mm的矩形槽道作為微熱管腔體,矩形槽道距微熱管構(gòu)件上下邊分別為5 mm。20組微熱管構(gòu)件并排用導(dǎo)熱膠粘接在橫放的單晶硅板后部,距單晶硅板左右分別20 mm,距單晶硅板上下分別21mm,形成長1 600 mm、寬950 mm、厚3 mm的換熱面。翼型冷凝端長1 600 mm、寬90 mm,橫向邊緣厚5～6 mm,中心厚50 mm,中心為直徑為20 mm的換熱介質(zhì)通道。翼型冷凝端用導(dǎo)熱膠粘接在20組微熱管構(gòu)件一端,形成蒸發(fā)段860 mm、冷凝段90 mm的微熱管換熱器。微熱管抽真空后充注丙酮作為換熱工質(zhì),充注量為25%,詳細(xì)參數(shù)見表2。翼型冷凝換熱介質(zhì)使用二次蒸餾水。

表1 PV電池參數(shù)Table 1 PV battery parameters

圖1 MHP-PV/T結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of MHP-PV/T

表2 微熱管組件參數(shù)Table 2 MHP Unit parameters

MHP-PV/T系統(tǒng)由MHP-PV/T板、91 L保溫水箱、循環(huán)水泵和測試儀器組成。MHP-PV/T板傾斜角均為45°,MHP-PV/T的表面溫度和背板溫度分別由4支四線貼片式PT100測量,保溫水箱的進(jìn)出口溫差分別由2支四線PT100測量,循環(huán)水泵流量由渦輪流量計測量,MHP-PV/T板光電功率由在線的直流電壓表和直流電流表測得的電壓和電流的乘積得到。MHP-PV/T系統(tǒng)的進(jìn)出口水管長度相同,且外邊均包裹了厚60 mm的保溫橡塑管,且保溫水箱放置于溫室大棚中。MHP-PV/T系統(tǒng)安置于蘭州市七里河區(qū)狗牙山(36.1°N/103.9°E,1 517 m)南北方向的日光溫室外部,安放時規(guī)避了MHP-PV/T板的遮擋。試驗數(shù)據(jù)采用安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集儀采集。測試儀器與設(shè)備如表3所列。

表3 試驗儀器設(shè)備Table 3 Test equipment

1.2 試驗步驟

(1) 每日開始之前,預(yù)先在蓄熱水箱中加入65 L溫度為9.7℃的水,開啟循環(huán)水泵30 min,使整個管道中充滿水,然后調(diào)整球閥開度,使循環(huán)水流量為0.128 L/s,然后開始記錄試驗數(shù)據(jù)。

(2) 參照《太陽能集熱器熱性能試驗方法》[13],在2020年12月20日—12月22日,試驗從9:30開始運(yùn)行到16:30停止。測量參數(shù)為PV/T表面和背面溫度、翼型冷凝端進(jìn)出口水溫度、儲熱水箱溫度、環(huán)境溫度、太陽輻射、室外風(fēng)速、循環(huán)水流量、電壓和電流輸出等。PV/T的表面溫度和背板溫度分別取4支貼片式PT100的算術(shù)平均溫度。

(3) 每日試驗結(jié)束后,將MHP-PV/T系統(tǒng)中的水全部排空,一方面防止水低溫凍結(jié)造成系統(tǒng)部件的破壞,另一方面為第二日蓄熱水箱初始水溫一致提供基礎(chǔ)。實(shí)際測量布置如圖2所示。

圖2 MHP-PV/T系統(tǒng)Fig.2 MHP-PV/T system

2 性能評估

日光溫室的能量來源于太陽能,MHP-PV/T系統(tǒng)的遮陰性能取決于其截獲的太陽能份額。為此,研究了冬至前后三天系統(tǒng)全天的平均光電功率、光電效率、光熱功率、光熱效率、總能功率、總能效率、全天電量輸出、有效累積集熱量和全天總能輸出差異。

2.1 水泵消耗能量

考慮到循環(huán)水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中消耗電能,以機(jī)械做功的方式轉(zhuǎn)化為熱能,通過循環(huán)工質(zhì)將熱量傳遞給蓄熱水箱,且循環(huán)水泵試驗測試過程中一直在運(yùn)轉(zhuǎn),為減少循環(huán)水泵造成的全天總能收益的虛高,總能收益是核減水泵電力消耗后的總能收益。循環(huán)水泵消耗的能量方程[14]表示為

P=qvρgH/ηP,

(1)

其中:P是循環(huán)水泵的功率(W);qv是水泵的體積流量(m3/s);ρ是水的密度(103kg/m3);g是重力加速度(9.817 m/s2);H是水泵揚(yáng)程(m);ηP是水泵效率(80%)。

某段時間內(nèi)水泵消耗功為

QPt=∑qvρgHΔτ/ηP,

(2)

其中：QPt為Δτ時間內(nèi)水泵消耗功;Δτ是數(shù)據(jù)采集設(shè)定的時間間隔,為10 s。

2.2 MHP-PV/T系統(tǒng)集熱性能

光熱功率表達(dá)式為

PTp=cfm(tout-tin)，

(3)

其中:cf是水的比熱容(4.2×103J·(kg·℃)-1);m=qvρ,是循環(huán)水的質(zhì)量流量(kg/s);tout是翼型冷凝端出口溫度(℃);tin是翼型冷凝端進(jìn)口溫度(℃)。

瞬時光熱效率表達(dá)式為

(4)

其中:Gt是太陽日照輻射(W·m-2);Ag是MHP-PV/T接收太陽輻射的面積(m2)。

系統(tǒng)每日光熱效率表示為

(5)

2.3 MHP-PV/T和PV系統(tǒng)電性能

光電功率表達(dá)式為

PEp=UtIt，

(6)

其中:Ut是瞬時電壓(V);It是瞬時電流(A)。

瞬時光電效率表達(dá)式為

(7)

則系統(tǒng)每日光電效率表示為

(8)

2.4 系統(tǒng)總能功率和總能效率

系統(tǒng)的總能功率表示為

POP=Ptp+Ppv-P,

(9)

系統(tǒng)的瞬時總能效率表示為

ηOe=ηEe+ηTe。

(10)

3 結(jié)果與討論

為研究MHP-PV/T系統(tǒng)的遮陰效果,2020年12月20日—12月22日連續(xù)試驗三天。以冬至日(12月21日)當(dāng)天試驗數(shù)據(jù)為典型日研究MHP-PV/T系統(tǒng)。

3.1 MHP-PV/T板的溫度變化

圖3給出了冬至當(dāng)天日光溫室外太陽輻射和環(huán)境溫度的變化情況。試驗從9:30開始運(yùn)行到16:30停止,室外平均太陽輻射強(qiáng)度為619.6 W/m2,室外平均空氣溫度為0.6 ℃。試驗全天環(huán)境溫度低于7.5 ℃,并隨太陽輻射的波動而波動。

圖3 日光溫室外環(huán)境條件Fig.3 Outdoor environment of solar greenhouse

圖4為冬至當(dāng)天MHP-PV/T表面和背板溫度隨太陽輻射的變化情況。顯然環(huán)境溫度對MHP-PV/T表面、背板溫度影響較大。由于室外平均空氣溫度只有0.6 ℃,在試驗初始,MHP-PV/T板的熱量將通過熱對流和導(dǎo)熱快速散失到環(huán)境中去。因此,MHP-PV/T表面溫度最高只有22.8 ℃。從圖4還可看出,初始時,MHP-PV/T表面和背板溫度均隨著日照輻射的快速增加而增加,其變化趨勢和增長幅度基本一致。10:30以后,隨著日照輻射的增加,由于室外低溫導(dǎo)致傳熱損失大,MHP-PV/T表面和背面溫度的增加放緩。此后,盡管室外日照輻射有所下降,但在較高的日照輻射和蓄熱水箱水循環(huán)的共同作用下,MHP-PV/T表面和背面溫度降幅很小。

圖4 MHP-PV/T表面和背面溫度Fig.4 Surface and back temperature change of MHP-PV/T panel

3.2 MHP-PV/T系統(tǒng)光電性能

圖5給出了MHP-PV/T背面溫度與光電效率隨日照輻射的變化。從圖5可以看出,MHP-PV/T背面溫度隨日照輻射升高而快速升高,但光電效率的增加幅度較小。圖4中13:00以后日照輻射仍然持續(xù)處于最高值,背板溫度維持在22.8 ℃時,光電效率卻出現(xiàn)了明顯下降,顯然光電效率隨著日照輻射的增加而增加,卻隨著MHP-PV/T板溫度的升高而降低，尤其是在12:00以后,當(dāng)日照輻射開始從前一個低谷逐漸增加時,高溫背面溫度導(dǎo)致發(fā)電效率大幅下降。顯然,全天MHP-PV/T系統(tǒng)的光電功率和光電效率受環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽輻射的影響波動較大,因此控制MHP-PV/T板溫度有利于提高光電效率。

圖5 MHP-PV/T背板溫度與光電效率Fig.5 Surface temperature and electricity efficiency of MHP-PV/T

為了獲得日照輻射對MHP-PV/T系統(tǒng)的光電功率和光電效率的宏觀影響,以50 W/m2為間隔,將太陽輻射強(qiáng)度100～950 W/m2內(nèi)的MHP-PV/T系統(tǒng)光電功率、光電效率取算術(shù)平均值分析,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,隨著日照輻射的增加,MHP-PV/T系統(tǒng)光電功率和光電效率呈上升趨勢,系統(tǒng)光電功率從3.5 W增大到213.0 W,光電效率從0.016增大到0.154。系統(tǒng)全天平均光電功率為94.6 W,平均光電效率為0.089,全天累積發(fā)電量約0.66 kW·h。

圖6 日照輻射對光電功率和光電效率的影響Fig.6 Solar radiation influence on MHP-PV/T power and efficiency

3.3 MHP-PV/T系統(tǒng)光熱性能

圖7給出了MHP-PV/T系統(tǒng)光熱功率、光熱效率的變化情況。對照圖3和圖4可以看出,由于室外環(huán)境溫度較低,盡管初始室外日照輻射已達(dá)88.2 W/m2,但在初始循環(huán)時MHP-PV/T板的溫度高于環(huán)境溫度,系統(tǒng)處于向環(huán)境散熱狀態(tài),此時的光熱功率和光熱效率均采用負(fù)值,表示系統(tǒng)向外放熱。隨著日照輻射的增加,MHP-PV/T板的溫度升高,系統(tǒng)逐漸由放熱轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰?系統(tǒng)的得熱量大于散熱量,光熱功率和光熱效率變成正值。MHP-PV/T系統(tǒng)光熱功率和光熱效率均在中午12:00達(dá)到最高;此后,盡管室外的日照輻射跌宕起伏,略有增加,但由于低溫環(huán)境和較高風(fēng)速的影響,MHP-PV/T系統(tǒng)光熱功率和光熱效率都開始下降。整個過程中,忽略系統(tǒng)向環(huán)境的散熱量大于吸熱量的階段,其余時間段內(nèi),MHP-PV/T的平均光熱功率為134.9 W,平均有效光熱效率為0.24。

圖7 系統(tǒng)光熱功率和光熱效率變化Fig.7 Changes of thermal power and efficiency of system

圖8給出了蓄熱水箱的水溫變化。開始時,由于初始環(huán)境溫度和MHP-PV/T板的溫度都比較低,蓄熱水箱都在向外放熱,因此蓄熱水箱的水溫出現(xiàn)了低幅度的下降。直到11:30,隨著日照輻射和室外環(huán)境溫度的升高,MHP-PV/T系統(tǒng)的蓄熱水箱溫度才開始升高。隨著循環(huán)水泵的工作,2個蓄熱水箱的溫度在15:30達(dá)到最高。MHP-PV/T系統(tǒng)水箱溫度從9.0 ℃升高到18.1 ℃,得熱量約為2.14 MJ,即0.59 kW·h。此后,隨著日照輻射和環(huán)境溫度的降低,系統(tǒng)的放熱量大于得熱量,因此蓄熱水箱的溫度開始下降。

圖8 蓄熱水箱水溫變化Fig.8 Temperature change of heat storage tank

結(jié)合圖4、圖7和圖8可以明顯看出,在冬季寒冷地區(qū)以MHP-PV/T系統(tǒng)為遮陰裝置時,由于MHP-PV/T板溫度會在0 ℃以下,所以不能使用經(jīng)濟(jì)、易得的水作為冷卻工質(zhì),否則存在水結(jié)冰膨脹損壞MHP-PV/T板的風(fēng)險。另外,為了更好地獲得熱量,減小系統(tǒng)散熱量和泵的功耗,對MHP-PV/T板進(jìn)行保溫,并根據(jù)MHP-PV/T板溫度控制循環(huán)泵的啟停,都是十分必要的。

為了分析系統(tǒng)光熱效率與太陽輻射強(qiáng)度Gt翼型冷凝端進(jìn)口溫度Tin與環(huán)境溫度Ta之間的關(guān)系,對當(dāng)天數(shù)據(jù)采用歸一化溫差(Tin-Ta)/Gt進(jìn)行處理分析,將其與光熱效率線性擬合發(fā)現(xiàn),隨著(Tin-Ta)/Gt增加,冬季光熱效率呈直線下降趨勢(見圖9),MHP-PV/T系統(tǒng)的線性回歸方程為

圖9 MHP-PV/T 光熱效率Fig.9 MHP-PV/T photothermal efficiency

(11)

線性回歸相關(guān)系數(shù)為0.77,相關(guān)參數(shù)如表4所列。

表4 擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters

根據(jù)式(11)可知,通常情況下Gt>0,Tin>Ta,因此(Tin-Ta)/Gt是個正值。當(dāng)Gt一定時,隨著Tin無限趨近Ta,MHP-PV/T板的溫度與翼型冷凝端的溫差趨向最大,光熱效率趨向最大。Tin和Ta一定時,隨著Gt增加,(Tin-Ta)/Gt趨向于0,光熱效率趨向最大。因此,擬和式(11)不僅給出了忽略其他因素影響下系統(tǒng)光熱效率與太陽輻射強(qiáng)度Gt、翼型冷凝端進(jìn)口溫度Tin與環(huán)境溫度Ta之間的關(guān)系,而且得出了系統(tǒng)的最大光熱效率,即MHP-PV/T系統(tǒng)的最大光熱效率約為0.34。

3.4 MHP-PV/T系統(tǒng)綜合性能

圖10給出了MHP-PV/T系統(tǒng)的總能功率和總能效率。試驗前期,在日照輻射、環(huán)境溫度及其他條件的綜合影響下,MHP-PV/T系統(tǒng)的總能功率和總能效率均開始增大。但從圖10中發(fā)現(xiàn)在13:00后MHP-PV/T系統(tǒng)總能收益和總能效率均變?yōu)樨?fù)值,通過分析12:30—15:30時間段內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)MHP-PV/T板的表面溫度和太陽輻射強(qiáng)度均迅速下降,同時,室外溫度較低使得系統(tǒng)的散熱量大于吸熱量,整體處于散熱狀態(tài)。分析當(dāng)天數(shù)據(jù)得出,MHP-PV/T系統(tǒng)日平均總能功率為297.0 W,日平均總能效率為47.3%,累積總能收益為2.1 kW·h。

圖10 總能功率和總能效率Fig.10 Overall energy benefits and efficiency

通過分析2020年12月20日—12月22日連續(xù)三天的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)(見表5),MHP-PV/T系統(tǒng)日平均光電效率約為0.083,光電功率為83.9 W,光熱功率為119.3 W,光熱效率為0.161,總能效率約為0.379,總能功率約為203.3 W,累積總能收益為1.42 kW·h。

表5 2020年12月20—12月22日試驗數(shù)據(jù)Table 5 Experimental data

MHP-PV/T系統(tǒng)總能收益不僅體現(xiàn)了能夠獲得的、可用于日光溫室的能量,而且也體現(xiàn)了遮陰效果,因此MHP-PV/T系統(tǒng)用于遮陰是可行的。

4 結(jié)論

以MHP-PV/T為研究對象,分析了冬至前后三天日光溫室外45°安裝傾角時MHP-PV/T系統(tǒng)的光電性能、光熱性能和綜合性能,得出了如下結(jié)論:

(1) MHP-PV/T系統(tǒng)用于冬季寒冷地區(qū)日光溫室遮陰是可行的,在遮陰的同時還能獲得客觀的能量收益。

(2) 對MHP-PV/T板進(jìn)行保溫,并根據(jù)MHP-PV/T板溫度控制系統(tǒng)循環(huán)泵的啟停,減小系統(tǒng)內(nèi)部能耗,有望進(jìn)一步提升MHP-PV/T系統(tǒng)的性能。