分频瓦一体化温室覆盖层光热传输及转换机理研究

Aiming at the demands of photothermic resources efficient utilization and energy conservation in greenhouse, spectroscopic tile is designed as the covering of greenhouse. The solar light can be frequency division utilized through the covering, but collaborative use mechanism of light and energy is not clear. This research will focused on the heat and light transfer in spectroscopic tile and the covering. Methods of collecting heat by micro-concentrating unit will be used to analyze the optical characteristics of the unit during the heat collection. Mass-energy flow between the system and greenhouse will be simulated and a model will be developed. Explore the heat collection law of photoelectric-thermoelectric coupling in roof chimney and optimize the spectroscopic structure with high solar energy collection efficiency. The research results will be helpful to the theoretical research of the radiation heat transfer mechanism and the photothermic coupling characteristics of solar energy in greenhouse. In application, it will provide a new way to increase the utilization efficiency of greenhouse photothermic resources, and reduce consumption of fossil energy in heating or cooling greenhouse.

针对温室光热资源高效利用以及节能降耗需求，申请人提出了采用分频瓦作为覆盖材料对不同波长的光分频利用的思路，而分频瓦在温室中的应用处于起步阶段，其光热协同利用机理尚不清楚，限制了其在温室中的性能发挥。本项目在前期温室主动蓄放热研究的基础上，将重点研究分频瓦结构单体以及一体化覆盖层中的光热传输规律。采用微聚光单元集热方法，拟从微聚光单元在集热过程中的光学特性研究入手，探讨具有分频结构的温室覆盖层密封结构中热空气的辐射传热机理，研究该覆盖层与温室内部的质能交换模式，探明覆盖层中光热电耦合的集热规律，优化出具有较高太阳能集热效率的分频结构。研究成果在理论上将有助于研究温室覆盖材料自身光热特性与温室环境的耦合特性；在应用上可以为提高温室光热资源利用效率提供依据，进一步降低温室加温对燃烧天然气、燃油加温的依赖程度，对促进温室产业升级发展具有重要作用。

针对温室光热资源高效利用以及节能降耗需求，项目提出采用分频瓦作为覆盖材料对不同波长的光分频利用的思路，从微聚光单元在传热过程中的光学特性、覆盖层与温室内部的质能交换模式、光热电耦合集热规律等方面进行了研究。.首先建立复合抛物面聚光器结构（CPC）曲线方程，对比温室覆盖层不同应用案例，最终确定CPC曲线旋转角度为15º，出光口宽度为4.5mm，槽高为20mm，此时对应聚光比为3.47。模拟研究发现由于分频瓦横截面的槽式微聚光结构，横向入射角对分频瓦光学特性的影响更大，试验中分频瓦透过率呈现正午低早晚高的趋势，符合正午控光需求，全天可见光透过率保持在45%以上。通过设计增透膜喷涂于分频瓦底面能够进一步提高其全天透过率，全天平均植物生长因子为56.86%，明显高于定义值24.8%。进一步利用分频瓦槽型流道进行空气集热，采用槽底部通孔进气、侧边顶部出气的通风模式，其全天集热效率能够达到50%以上。采用三结砷化镓电池贴于分频瓦槽底部，分频瓦正午最大输出功率133.2W/m2，对应光电效率为13.8%。利用太阳能烟囱可进一步提升分频瓦的光伏性能，即便是在无风机作用下，试验工况下，1m高度的太阳能烟囱每小时可获得电能2.742kJ。红外辐射部分利用主动蓄放热方式进行集热，平均集热功率264-394W/m2，系统平均性能系数为7.6，与电加热加温方式相比，平均节能率为86%。.利用温室屋面进行大面积采光控光，在理论上以及技术上是完全可行的，结合植物光谱需求、微聚光分频利用及流道空气集热，探明温室分频瓦光-热-电三者相互作用关系以及与温室内环境的交互影响机理，对提高设施温室太阳能全光谱利用率具有重要的科学意义。在应用上可以为提高温室光热资源利用效率提供依据，进一步降低温室加温对燃烧天然气、燃油加温的依赖程度，对促进温室产业升级发展具有重要作用。