转自 设施农业工程学人
【研究背景】
太阳能作为绿色可再生能源的最佳来源，被认为是解决能源短缺和环境污染的最有效途径之一。农业是利用太阳能最传统的产业，中国日光温室(CSG)是中国北方独特的一种园艺设施，具有高效、节能、低成本的特点。温室是农业生产中最重要的建筑，也是农业中能耗最高的生产方式;作为一种利用太阳能种植淡季园艺产品的农业建筑，在中国北方得到了广泛的应用。但在寒冷天气下，室内空气温度较低，并且由于作物和结构的遮挡，导致北部作物光环境较差。在太阳能发电系统中，对接收到的太阳光根据其不同的光谱成分(如可见光、红外光等)进行处理和利用，是一种常用的太阳能分频利用技术。其目标是最大限度地提高太阳能利用效率，减少部分光谱能量的浪费，并在不同光照条件下保持系统的稳定运行。要提高温室内全光谱利用效率，必须将光谱技术与农业生产相结合，以改善温室光热环境。本研究提出了一种安装在CSG北墙的分频补光结构(简称FDCS)，可以直接吸收红外光，形成AHS。FDCS由PVC中空板、反射膜(聚酯镀铝膜，简称VMPET)、橡胶保温层组成。空心板内腔填充ATO-WO3纳米流体。在光学平台上对FDCS的光热性能进行了测试和评价，并在现有的AHS基础上结合纳米光学设计制作了FDCS并进行了室外测试，对其光热性能进行了验证。最后，通过植物生长因子G和系统综合性能η等指标对FDCS在温室应用的技术可行性进行了评价。
目前，相关成果以“A novel study on spectral division and photothermal regulation in Chinese Solar Greenhouse derive from nanofluid”为题发表在《Energy》(IF2023=9.0, Citescore=15.3, JCR一区，中科院一区TOP)上。文章通讯作者为中国农业科学院环发所伍纲副研究员，共同通讯作者为内蒙古工业大学冯朝卿教授。
【文章解读】
图1. 入射太阳光线的反射过程(a);冬季太阳入射角变化幅度(b);利用光学平台测试FDCS:不同条件下不同入射角θ下，不同光谱的吸光度(c)和反射率(d).
图1通过几何解析，确立了试验温室中太阳光线到达北墙表面的入射角度范围，由此拟定了不同梯度的入射角度，并在光学平台上对FDCS进行了透过率和反射率测试，最后通过公式计算得出FDCS对太阳的吸收光谱。FDCS对可见光的反射率平均表现较好，对NIR的吸收性效果也较为明显。
图2. FDCS系统组成(a);白天(b)、夜间(c)工作原理.
FDCS是基于太阳能分频利用原理，集分光、反射、集热、放热等技术于一体，实现太阳能发电机组北墙光热解耦过程。该结构利用纳米流体的光热特性，将水箱、给水管、FDCS和回水管连接起来，形成一个循环系统。每个FDCS单元通过绝缘管道连接，并配有阀门控制流量(图2a)。在放热过程中，水箱用于储存循环纳米流体。白天，阳光穿过南屋面的覆盖材料，到达北墙的FDCS表面。入射光中的可见光穿过中空结构，然后被后方的反射膜反射。在此过程中，纳米流体不仅可以分割太阳光的全光谱，而且还可以作为循环工作流体进行热收集过程。FDCS反射可见光，为温室北侧的作物补充光照(图2b)。入射光的近红外部分被纳米流体吸收后，光能转化为热能储存在水箱中。这些热能在晚上被用来给温室加热。夜间，温室内温度相对较低，水箱内的高温流体被送到FDCS。FDCS起着散射器的作用，它将白天储存的热量释放到温室内的空气中(图2c)。
图3. 热环境试验过程中温室内温度和太阳辐射强度变化趋势.
为了解FDCS对温室热环境的调节作用，在实验温室进行了试验研究。选取12月22日至12月24日连续晴天，分析温室实验区、对照区、水箱内流体、室外空气的温度和室外辐射强度。实验期间，上午9:00卷起保温被，上午11:30~下午1:00对CSG进行通风。室外气温最高出现在23日下午3时，为2.0℃;室外气温最低出现在23日上午7时，为-8.0℃。室内气温在下午1点到2点之间波动的原因是温室已经通风。室外辐射强度最大的时段为中午12时平均值为892.5 W/m2。如图3所示，黄色背景为集热阶段，蓝色背景为放热阶段。点A和点A’表示系统集热过程的起点和终点，点B和点B’表示放热期的起点和终点。类似的点有C、C′、D、D′，E点表示下午4:00覆盖热毯的时间。室内气温从凌晨3点到6点上升，系统运行了一段时间。在此期间，热量释放逐渐稳定。白天，实验区平均气温下降1.7℃，而夜间，实验区平均气温上升1.4~1.9℃。
图4. 系统全天不同时刻的集热效率及太阳辐射强度的变化.
上午的集热效率较高，最大值出现在11:00AM，达到33.93%。保温被卷起后，室内外温差由大到小的变化，说明该系统在上午有较好的集热效果。在上午9:00~11:00之间，水箱内流体温度上升较快，在下午集热时段，增长速度减慢。FDCS全天接受的最大辐照强度出现在中午12点，但此时FDCS的集热效率下降，因为上午11点30分，CSG进行了通风操作，在通风操作下，CSG各部分温度下降。
图5. 北墙光斑高度随太阳高度角H的变化(a);光斑运动随太阳方位角A的变化过程(b).
图5考虑了保温被卷起的存在情况，并在此基础上讨论了北墙上的光斑在保温被卷起的时段内的变化分布情况。
图6. 光斑从侧视图(a)和俯视图(b)在温室内的位置;在这种情况下，北墙上的光斑分布为(c).
图7. FDCS各顶点反射太阳光的过程和坐标几何解(a);入射光经FDCS反射后，温室地面照明面积的变化(b);冬至、夏至、春分、秋分地表总光照覆盖面积变化的理论趋势(c);受益于FDCS全天在地面上积累的能量(d).
如图7a所示，可以看到早晨入射光从南侧穿过南屋顶进入温室内部，照射在北墙上的FDCS上。在结构表面反射后，在FDCS温室地面西南侧形成一个光斑，该光斑随时随太阳的运动而变化。由于FDCS的表面面积为7.2 m2，底部距地面0.3 m，因此温室走廊北墙附近的反射光面积有限。根据平行四边形面积的公式，可以计算出，随着早晨时间的变化，反射光的覆盖面积逐渐减小。中午12:00时，太阳方位角最小，最小覆盖面积值为14.5 m2。上午9:00时，反射光覆盖的面积最大，为29.2 m2。温室栽培地面上反射光覆盖的平行四边形的南北距离会随时间变化，但东西长度始终为6.0 m，这是由FDCS在东西方向的固定长度6.0 m决定的。正午时分，太阳高度角H达到峰值23.5°，地面照射的平行四边形区域最靠近北墙(图7b)。根据理论计算，从春分到冬至，地面光照覆盖面积先减小后增大，全年运动轨迹如图7c所示。冬至当天，FDCS的反射光覆盖面积较大，中午12:00时最小为14.5 m2，上午9:00时最大为29.2 m2。在保温被卷起的全天中，地面由于FDCS的反射而积累能量，累积能量值如图7d所示。事实上，FDCS浓度为北方作物提供了显著的能量积累，最高可达4.0 MJ，并具有不同点反射的积极效应。
图8. 植物作用光谱和AM1.5太阳光谱(a);植物生长因子G和光谱绝对能量值增加(b).
下午2时，作物的植物生长因子G在实验区比对照区增加了24.0%。与对照区作物相比，试验区作物植物生长因子G平均增加21.5%，作物白天接收的光谱绝对能量平均增加86.3 W/m2，表明FDCS具有一定的补光能力。
【文章总结】
在温室工程领域，将纳米材料的分频特性与AHS相结合。本研究验证了FDCS调节日光温室光热环境的可行性，探索了不同时段阳光在北墙的分布理论，测试分析了该系统的光热性能，优化扩展了日光温室北墙结构的功能。本研究的主要结论如下:实验用0.005vt % ATO-WO3纳米流体填充FDCS作为光谱分划介质。在10 mm光程下，平均VIS反射率为75.7%，平均NIR吸收率为85.4%。FDCS面积约为7.2 m2，其中上午补光面积平均增加19.6 m2，全天地面最大累积能量增加4 MJ以上。与对照温室相比，实验温室作物的红光和蓝光PPFD分别提高了99.1µmol∙m-2∙s-1和72.8µmol∙m-2∙s-1。平均每日PPFD增加186.8µmol∙m-2∙s-1，植物生长因子增加21.5%。系统的光学效率为40.4%。FDCS日平均集热量16.31 MJ，夜间平均放热量10.42 MJ，平均集热量效率26.7%。夜间试验区温室平均温度升高1.4~1.9℃。太阳能的综合利用效率为67.1%。
【文献来源】
Xiaosong Qu, Hao Liang, Gang Wu, et al. A novel study on spectral division and photothermal
regulation in Chinese Solar Greenhouse derive from nanofluid. Energy, 2024,133804.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133804
