摘要
目的：在农业生产活动中加入可再生能源，是增加经济作物产量和品质的重要新路径，减少电能消耗和碳排放的重要方式。太阳能因其绿色无污染，使用方便，是目前发展前景最好的可再生能源。我国西北地区，特别是新疆地区初春时节灌溉水多来自高山冰雪融水温度较低，限制了滴灌给作物带来的提质增效效果，降低了产量和品质，但新疆地区拥有丰富的光热资源。因此，为有效提高灌溉水温度，减弱低温灌溉水给作物带来的不利影响，进一步推进智慧精准灌溉农业的发展，创造一种新的太阳能帮助农业生产的新型设备。本研究基于目前太阳能转化效率高，转化形式多样的光伏光热技术，设计了一种板管式光伏光热集热器，并提出了一种滴灌首部灌溉水光伏光热增温系统。但该系统在不同工况下的性能，实际工况下的运行性能和使用效益还需进一步分析。 方法：本研究通过搭建滴灌首部灌溉水光伏光热增温系统测试模型系统开展了两组试验。室内模拟工况下的试验，通过全面试验方法，设置不同质量流速，不同初始温度灌溉水和不同太阳辐射度三种不同的因素对出水口水温、增温幅度、电流、电压、灌溉水增温功率，光热效率、光伏组件输出功率、光电效率、综合能量效率和实际能量效率的影响。户外实际工况下的试验，通过在不同生育期阶段全天运行系统和在不同运行策略下运行系统测试其系统性能。根据两组试验测得系统性能，采用经济效益、节能效益和环境效益评价本系统的可行性。 结果：（1）固定工况下，出水口水温和升温幅度与质量流速呈负相关关系，出水口水温及升温幅度最高可达20.9℃和12.5℃，光电、光热效率与质量流速呈正相关关系，最大分别为0.094和0.310，实际能量效率呈先增后减的趋势，最高为0.484。初始水温越低，集热器换热效率越高，增温幅度越大，能量指标越高，但质量流速增加使得不同初始水温灌溉水升温幅度趋于相同，出水口水温变幅升高。太阳辐射度越大，升温幅度及出水口水温越高，但质量流速增大会削弱太阳辐射度对灌溉水温度产生的提升效果，光热、光电效率均与太阳辐射强度呈负相关关系，在质量流速小于0.06kg/(s·m2)时，实际能量效率与辐照度负相关，在质量流速大于0.07kg/(s·m2)时，则相反。（2）户外实际工况下，出水口水温、增温功率、输出功率全天内先增后减，全生育期先增后减；光热效率，光电效率，综合能量效率和实际能量效率则正好相反。双循环模式下出水口温度，增温幅度，增温功率均高于单循环模式，光热效率，光伏组件输出功率，光电效率，综合能量效率和实际能量效率表现则正好相反。（3）滴灌首部灌溉水光伏光热增温系统的全寿命周期成本为89.04元/m2，LCC减少17.6%，煤炭节约量为26024.25kg/m2，CO2、粉尘、SO2、氮氧化合物减排量均较高。 结论：滴灌首部灌溉水光伏光热增温系统在不同工况下均对灌溉水有较好的增温效果和较高的能量转化效率。系统质量流速、灌溉水初始温，系统运行时间和策略是影响系统性能的重要因素。系统具有较高的经济、节能和环境效益。
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