Trans Tianjin Univ |设施农业土壤增温用复合抛物面聚光光热光电装置性能分析

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文章信息

Zehui Chang, Yanan Peng, Xuedong Liu, Jing Hou, Shuaijun Guo. Performance Analysis of Compound Parabolic Concentration Photothermal and Photoelectricity Device for Soil Heating in Facility Agriculture. Trans Tianjin Univ, 2022: https://doi.org/10.1007/s12209-022-00313-2.

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-022-00313-2

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本文亮点

1. 本文通过在复合抛物面聚光器入光口处玻璃盖板下表面增设两组板背相对连接而成的双面硅基太阳能电池，可以对聚光器逸出光线进行光电转化再利用，实现了单一太阳能捕获装置内光热光电高效耦合综合利用的创新设计，提高了装置单位入射太阳光接收面积的能量转化效率及输出能量品味。

2. 抛物面聚光光热光电装置在具有对跟踪精度要求低、可接收部分散射光等特点基础上，利用其“内聚光”结构及在聚光集热过程中产生的“温室效应”，通过在焦斑处布置内嵌✳型接收体的单层玻璃管进行光热转化，实现了由接收体表面换热向接收体内部吸热的传热方式优化，同时降低了多个装置串联时的连接技术难度要求，减少了装置应用成本。

3. 复合抛物面聚光光热光电装置与寒冷地区设施农业进行集成，选择空气作为换热流体、土壤作为储热介质，可以有效缓解日照不连续对设施农业冬季种植的影响，减少太阳能集热系统运行的泵功和建设占地面积，为设施农业冬季用能由太阳能独立供能提供了可能。

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内容简介

困扰寒冷地区设施农业冬季作物连续生长的主要问题在于种植棚温和土壤温度低，为了提供可分布式独立供能的设施农业增温技术，降低增温系统的碳排放及运行成本，本文提出了一种基于复合抛物面聚光集热的设施农业土壤增温系统，具体为：在设施农业外南侧地面建成由多个太阳能复合抛物面聚光装置串联而成的增温系统，选用空气作为换热介质，在引风机的驱动下，空气经多个聚光装置梯级温升而成热空气，然后进入设施农业种植土壤中的换热管道内并与管道外土壤进行换热，提高设施农业种植土壤温度，换热温降后的空气返回到增温系统内继续加热升温，循环往复。

对太阳能高效捕获的复合抛物面聚光装置是系统运行效果优劣的关键，文中设计了新型复合抛物面聚光光热光电装置，通过在入光口处玻璃盖板下表面增设两组板背相对连接而成的双面硅基太阳能电池，可以将未被光热转化的逸出太阳光线进行拦截并光电转化，实现了太阳能聚光装置内光热光电的耦合利用，且光热转化过程和光电转化过程高效切换，提高了装置单位入射太阳光接收面积的能量转化效率和输出能量品味。

本文利用光学仿真软件LightTools对复合抛物面聚光光热光电装置内光线进行追迹，对比分析了入射偏角对复合抛物面聚光光热光电装置与同尺寸结构传统复合抛物面聚光装置逸光率的影响；基于光学分析结果，实地测试了装置空气温升、瞬时集热量、电池输出功率以及光热光电总效率随太阳辐照度的变化规律，本研究为设施农业冬季太阳能独立供能作了有益的尝试。

图文导读

图1 基于聚光集热设施农业土壤增温系统结构图

图2 复合抛物面聚光光热光电装置实物图

图3 聚光器截面尺寸示意图

图4 入射偏角对聚光器逸光率影响

图5 当入射偏角为12°时装置光线追迹

图6 性能测试系统示意图

图7 测试日太阳能辐照度和环境温度曲线

图8 空气进出口温度变化

图9 装置瞬时集热量变化

图10 装置总输出功率变化

图11 装置光热光电总效率变化

通讯作者简介

 常 泽 辉
教授，博士生导师。入选内蒙古自治区“草原英才”、内蒙古自治区“草原英才”工程青年创新人才（一层次）、内蒙古自治区“青年科技领军人才”、内蒙古自治区“新世纪321人才工程”第二层次、内蒙古青年创新创业创优标兵、内蒙古自治区高等学校优秀共产党员、内蒙古自治区教科文卫体系统常泽辉创新工作室。2014年博士毕业于北京理工大学，主要从事太阳能光热利用技术研究及成果转化。已发表相关学术论文70余篇，在Desalination、Renewable Energy、Applied Thermal Engineering等太阳能利用SCI国际学术期刊上发表论文11篇，主持国家自然科学基金项目2项以及其他项目15项，授权国家发明专利10项，已实现科技成果转化2项。

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