冬季日光溫室外MHP-PV/T遮陰性能研究

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(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 4.挪威科技大學(xué)能源與過(guò)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(guò)高對(duì)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(kāi)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(wú)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(huì)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(duì)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(zhǎng)超過(guò)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(shí)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(shí),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(yáng)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(yáng)能電池的應(yīng)用受到限制。盡管新型太陽(yáng)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(lèi)電池,因此對(duì)傳統(tǒng)PV電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yáng)輻射強(qiáng)度減少約0.8%。因此,優(yōu)化PV的集成方式對(duì)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(lái)看PV外部安置方式好。Zhi等[10]開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(yáng),當(dāng)太陽(yáng)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(shí),光伏組件垂直于屋頂,從而陽(yáng)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(méi)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(zhǎng)1640 mm、寬992 mm,其中均布60片156 mm×156 mm的單晶電池片。每個(gè)微熱管構(gòu)件長(zhǎng)950 mm、寬80 mm、厚3 mm,中部開(kāi)有25個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)1 600 mm、寬950 mm、厚3 mm的換熱面。翼型冷凝端長(zhǎng)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(jiàn)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(cè)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(cè)量,保溫水箱的進(jìn)出口溫差分別由2支四線PT100測(cè)量,循環(huán)水泵流量由渦輪流量計(jì)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(shí)規(guī)避了MHP-PV/T板的遮擋。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集儀采集。測(cè)試儀器與設(shè)備如表3所列。

表3 試驗(yàn)儀器設(shè)備Table 3 Test equipment

1.2 試驗(yàn)步驟

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

(2) 參照《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》[13],在2020年12月20日—12月22日,試驗(yàn)從9:30開(kāi)始運(yùn)行到16:30停止。測(cè)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(chǔ)熱水箱溫度、環(huán)境溫度、太陽(yáng)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(yàn)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(cè)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(píng)估

日光溫室的能量來(lái)源于太陽(yáng)能,MHP-PV/T系統(tǒng)的遮陰性能取決于其截獲的太陽(yáng)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(guò)程中消耗電能,以機(jī)械做功的方式轉(zhuǎn)化為熱能,通過(guò)循環(huán)工質(zhì)將熱量傳遞給蓄熱水箱,且循環(huán)水泵試驗(yàn)測(cè)試過(guò)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(shí)間內(nèi)水泵消耗功為

QPt=∑qvρgHΔτ/ηP,

(2)

其中：QPt為Δτ時(shí)間內(nèi)水泵消耗功;Δτ是數(shù)據(jù)采集設(shè)定的時(shí)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(shí)光熱效率表達(dá)式為

(4)

其中:Gt是太陽(yáng)日照輻射(W·m-2);Ag是MHP-PV/T接收太陽(yáng)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(shí)電壓(V);It是瞬時(shí)電流(A)。

瞬時(shí)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(shí)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(yàn)三天。以冬至日(12月21日)當(dāng)天試驗(yàn)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(yáng)輻射和環(huán)境溫度的變化情況。試驗(yàn)從9:30開(kāi)始運(yùn)行到16:30停止,室外平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為619.6 W/m2,室外平均空氣溫度為0.6 ℃。試驗(yàn)全天環(huán)境溫度低于7.5 ℃,并隨太陽(yáng)輻射的波動(dòng)而波動(dòng)。

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(yáng)輻射的變化情況。顯然環(huán)境溫度對(duì)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(yàn)初始,MHP-PV/T板的熱量將通過(guò)熱對(duì)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(shí),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(shì)和增長(zhǎng)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(shí),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(kāi)始從前一個(gè)低谷逐漸增加時(shí),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(yáng)輻射的影響波動(dòng)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(duì)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(yáng)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(shì),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(duì)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(duì)照?qǐng)D3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(shí)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(shí)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(kāi)始下降。整個(gè)過(guò)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(shí)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(kāi)始時(shí),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(kāi)始升高。隨著循環(huán)水泵的工作,2個(gè)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(kāi)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(shí),由于MHP-PV/T板溫度會(huì)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(xiǎn)。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(duì)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(yáng)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(duì)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(shì)(見(jiàn)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(gè)正值。當(dāng)Gt一定時(shí),隨著Tin無(wú)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(shí),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(yáng)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(yàn)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(kāi)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(guò)分析12:30—15:30時(shí)間段內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)MHP-PV/T板的表面溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均迅速下降,同時(shí),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(guò)分析2020年12月20日—12月22日連續(xù)三天的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)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(yàn)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(duì)象,分析了冬至前后三天日光溫室外45°安裝傾角時(shí)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(shí)還能獲得客觀的能量收益。

(2) 對(duì)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。