聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能

常泽辉，贾柠泽，侯 静，郑宏飞，李文龙，刘 洋



聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能

常泽辉1,2，贾柠泽1，侯 静3，郑宏飞4，李文龙1，刘 洋1

（1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051； 2. 内蒙古工业大学风能太阳能利用技术省部教育部重点实验室，呼和浩特 010051； 3. 内蒙古工业大学化工学院，呼和浩特 010051； 4. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

该文针对传统设施农业土壤灭虫除菌过程使用化学消毒法所带来的环境污染和农作物药物残留等问题，提出了新型聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置，利用太阳能聚光集热技术加热空气进而对农业种植土壤进行高温消毒，同时将土壤所含有机物加热挥发，实现对农业种植土壤的修复，同时处理后的热土壤对进料空气进行预热，提高了装置的热能利用效率。该文介绍了聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置的工作原理，利用光学仿真软件对装置中复合多曲面聚光器的光学效率进行了计算，基于光学计算结果，对聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置的光热性能进行了室外试验，测试了装置的空气加热温度和集热效率。结果表明，用于土壤灭虫除菌的热空气在聚光比为3.6，流动速度为1.075 m/s时，装置的集热效率最高，加热后空气温度最高达到了88 ℃左右，集热效率为65%左右，能够满足农业土壤灭虫除菌所需的温度需求。

土壤；灭菌；太阳能集光器；聚光；太阳能；光热转化效率

0 引 言

设施农业内作物长期在高温、潮湿的微环境下生长，这为土壤中病原菌和害虫的繁殖、生长提供了适宜的条件，加之设施农业发展迅速、多年重茬连作，使得土壤种植环境不断恶化，病虫害逐年累积，导致土传病虫害连年爆发，成为了制约设施农业可持续发展的瓶颈[1]。常规的化学防治手段对环境和人员毒副作用大，农业手段可行性不高[2]。随着溴甲烷的禁用和对无公害绿色蔬菜的需求日益增加，物理土壤消毒技术受到了国内外研究学者的关注[3-13]。Gay等[14-15]设计、建造了由履带车辆牵引的土壤蒸汽灭虫装置，分析了装置中非常规蒸汽喷射系统的性能，测试了不同土壤深度温度随装置运行时间变化的趋势。张燕丽等[16]对覆膜加麦麸太阳能消毒技术对土壤温度的影响进行了试验研究，结果表明试验土壤地下30 cm处温度可以保持在44.8 ℃，有效降低番茄枯萎病的发病率。杜蕙等[17]研究了太阳能消毒时覆膜与添加有机物对土壤温度的影响机理，试验中，0～20 cm深度内土壤最高温度可以达到40 ℃，显著增大了土壤日温差，使得对病害的控制效果得到了提升。吴雪芬等[18]进行了夏季土壤高温消毒、太阳能日晒消毒、石灰消毒和生物技术等土壤消毒技术对比试验，证明无公害土壤消毒技术对土壤病虫害控制作用明显。

现有的土壤物理灭杀技术主要是利用高温工作介质或电流杀死害虫、致病菌和杂草种子，随着灭杀效果的提高，灭杀过程所需要消耗的化石能源需求量也很高[19-21]。如果能够减少化石能源的使用，利用太阳能集热技术对设施农业种植土壤进行高温处理[22-26]，同时使得土壤中有机物受热挥发排出土壤作进一步处理，有效消灭初侵染源，促进土壤形成“生物真空”，然后接种有益微生物，进而提高设施农业农产品品质[27]。那么对此技术开展研究的意义就不言而喻了。

鉴于此，本文在前期研究基础上，结合设施农业土壤灭虫除菌的温度要求，设计了一种聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置。其具体结构及工作原理如图1所示。

其工作原理是空气经引风机抽入到位于槽式复合多曲面太阳能聚光器焦斑位置的双层玻璃真空管内管状黑色吸收体中，太阳光经聚光器汇集形成高密度光能，对吸收体内的流动空气进行加热，空气将在吸收体远离引风机端口处温度达到最高，然后进入到带保温层的热空气腔中，加热第一级带褶皱的金属换热板上的土壤，对土壤中的致病菌、害虫和杂草种子进行高温灭杀，随后空气经蘑菇型通风道进入到尾气回流通道，蘑菇型通风道可以将土壤和热空气分开流通，避免相互混合接触，处理后的土壤在重力和自振弹簧振动作用下沿换热板下滑到第二级带褶皱的金属换热板上，然后继续下滑到滑送带排出装置，从第二级带褶皱的金属换热板到离开装置过程中，高温土壤与经蘑菇型通风道进入的新鲜空气换热，实现装置的热土壤回热功能，土壤中的有机挥发物受热气化后从装置上方排气管排出并进行后期进一步无害化处理。装置中利用太阳能消毒抑制农业土壤病虫害的基础是多数植物病菌和有害生物是中温的，它们在温度高于32 ℃以上不能生长，可被高温直接或间接杀死，而耐高温和湿热的有益土壤微生物通常能存活下来[28]。

本装置具有如下特点：1）装置利用太阳能聚光加热的流动空气对土壤中的致病菌、害虫和杂草种子等进行物理灭杀及挥发性有机物的分离，不需要消耗化石能源，不对土壤造成二次污染，提高了农产品品质；2）装置对换热后的尾气进行了再次循环重复利用，同时处理后的高温土壤对进料空气进行了预热，提高了装置的热能利用效率；3）装置利用土壤的重力和对金属换热板端头安装弹簧的冲击产生的自振作用，实现了土壤的半自动滑送和传输；4）所采用的槽式复合多曲面太阳能聚光器具有对跟踪精度要求低、接收体位于聚光器内部、可吸收部分散射光等优点。

1 聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能测试系统

聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能测试试验系统实物如图2所示，测试系统包括槽式复合多曲面聚光系统，空气流速测试系统、空气温度检测系统及太阳能辐射观测站。空气流速测试系统的探头安装在引风机出风口处，并在管状黑色吸收体进、出口处沿径向对称轴等间距放置3个K型热电偶，环境温度和太阳辐照度由太阳辐射观测站实时采集。

2 装置光热转换效率分析

聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置通过复合多曲面聚光器将太阳光聚焦到双层玻璃真空管内，被涂有吸收率高、反射率低的吸收性涂层的直通管式黑色吸收体吸收，进而加热其内部的空气。在光热转化过程中，由于双层玻璃真空管内抽成真空，则吸收体与环境的辐射换热和对流换热较少，计算时忽略这部分热量损失。

测试用直通管式黑色接收体吸收的经槽式聚光器汇聚的太阳辐射能为

式中I是槽式聚光器入光口所接收到的太阳辐照度，W/m2；ape是槽式聚光器的入光口面积，m2；opt是槽式聚光器的光学效率。

直通管式黑色接收体进出口的空气平均温度可由下式计算得到

式中T表示3个K型热电偶所测温度值，℃。

则直通管式黑色接收体的集热量为

式中是直通管式黑色接收体内空气的密度，kg/m3，是管式接收体截面积，m2，V是管式接受体内空气流速，m/s，C是管式黑色吸收体内流动空气的定压比热容，kJ/(kg·K)，in、out是管式黑色吸收体进出口空气温度，K。

则装置的光热转换效率为

3 槽式复合多曲面太阳能聚光器设计及光学性能仿真

聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置中对太阳能进行汇聚的聚光器采用的是槽式复合多曲面聚光器，大大提高了太阳光能流密度[29-30]，保证所加热空气达到灭虫除菌需要的温度范围（50～90 ℃）。它是由2条抛物线经过旋转和平移后，再与第3条抛物线经直线连接而成，沿对称轴平移后形成的。利用光学仿真计算软件LightTools对槽式复合多曲面聚光器的聚光性能进行计算、分析，对于后续装置的跟踪精度及光热性能测试具有参考和指导意义。

槽式复合多曲面聚光器的左、右对称抛物线方程分别为

（6）

底部抛物线方程为

当光线正入射时，聚光器内部光线追迹如图3所示。直通管式接收体表面能流密度计算结果及分布如图4所示。

设定直通管式接收体的半径为22 mm，入光口宽度为500 mm，竖直反射面高度为20 mm，反射面光学反射率为0.8，入射光线设定为栅格汇聚光束，张角为太阳光线张角（0.53°），模拟光束为100×100条，光线辐射强度为700 W/m2。

从图3可知，正入射到槽式复合多曲面聚光器的光线在理想状态下会汇聚到直通管式接收体表面。东西放置的聚光器在运行过程中会受到太阳高度角和太阳方位角的影响，其影响程度决定了装置对跟踪系统精度的要求，进而会影响到装置的灭虫除菌效果和经济性。为了便于研究，定义聚光效率为仅考虑入射光的逸出或被遮挡所造成的能量损失，不考虑光的衰减时，直通管式接收体表面接收到的光线辐射强度与入射光线辐射强度之比。光线接受率为接收体表面接收到的光线数量与通过入光口的入射光线数量之比。装置中使用的槽式复合多曲面聚光器的聚光效率、管式接收体表面光线接受率随太阳高度角跟踪精度（径向入射偏角）变化曲线如图5所示。

图5曲线变化规律显示，槽式聚光器聚光效率、接收体表面光线接受率随径向入射偏角的增加而减小。在太阳正入射时，接收体表面光线接受率为99.66%，聚光效率为81.48%，当径向入射偏角增加为3°时，光线接受率仍为90.57%。随着入射偏角继续增加，光线接受率、聚光效率大体呈直线下降；当径向入射偏角增加为7°时，接收体表面光线接受率为66.20%。

当太阳方位角跟踪精度（轴向入射偏角）变化时，聚光器聚光效率和接收体表面光线接受率变化趋势如图6所示。

从图6中可以看出，槽式聚光器的聚光效率、接收体表面光线接受率随轴向入射偏角的增加而呈直线下降趋势。当轴向入射偏角增大为2°时，接收体表面光线接受率减小为89.29%，聚光效率减小为73.07%，比正入射时分别减小了11.61%和11.50%。

4 聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能测试

4.1 试验测试系统及设备参数

试验中，工作介质空气在直通管式接收体进出口温度用多路温度采集仪（TYD-WD，北京天裕德科技有限公司，北京）实时记录，空气在直通管式接收体内的流动速度由数字风速仪（GM8902，深圳市若谷科技有限公司，深圳）实时采集，管式接收体内空气由引风机（XP-311，惠州市盛鑫科技有限公司，惠州）驱动，用太阳能发电监测站系统（TRM-FD1，锦州阳光气象科技有限公司，锦州）对试验地太阳辐照度和环境温度进行在线监测。测量空气温度所用热电偶为K型热电偶，测量精度为±1 ℃。

试验测试前，对数字风速仪、K型热电偶、太阳总辐射表、测温仪等进行测试精度校核。装置中所使用的槽式复合多曲面聚光器为自行制作，尺寸规格完全与仿真计算模型一致，反射面贴有反射率为80%的铝板，可以实现对太阳双轴跟踪。双层真空玻璃集热管为定做型号，长度为1 000 mm，直通管式接收体内径为40 mm，壁厚为2 mm。

4.2 测试方法

设施农业种植用土温度在冬季为全年最低，如果聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置在冬季的光热性能能够满足设施农业的灭杀要求，则其全年的运行性能就能满足设施农业灭虫除菌的温度要求。试验中，对不同空气流速条件下，空气的温升特性进行对比试验研究。基于前面装置光学仿真计算结果，测试在太阳高度角跟踪精度为5°情况下，最佳空气流速工况时装置的瞬时热效率变化曲线。试验测试时间选定在冬季，地点选择在内蒙古呼和浩特市（北纬40°50′，东经111°42′）。在管式接收体进出口端面等距放置3个K型热电偶，其平均值为进出口空气的有效温度值。采集的试验数据包括太阳总辐射值I，空气流速V，环境温度T，空气进口温度in，空气出口温度out，太阳直接辐照度E。

4.3 测试结果及分析

在相近太阳辐照度和环境温度条件下，改变聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置中直通管式接收体内空气流动速度，测试不同空气流速下，经槽式复合多曲面聚光器加热后的空气温升曲线，如图7所示。

由图7可以看出，在相同运行时间内，稳态运行的直通管式接收体进口平均温度约为−6 ℃时，接收体出口空气温度随空气流速的减小而增加。在相同流速条件下，空气温度变化很小，输出稳定。当空气流速为1.075 m/s时，接收管出口空气最高温度可以达到79 ℃左右，约比空气流速为4.076 m/s时的温度高70 ℃。对上述空气流速条件下的装置光热转换效率进行计算，如表1所示。

表1 不同空气流速下装置光热效率对比

表1计算结果表明，在太阳辐照度相近，直通管式接收体进口温度相同条件下，装置光热转换效率随管式接收体内空气流速增加而减小，在空气流速为1.075 m/s时，光热转换效率可以达到62.18%，比空气流速为4.076 m/s时增加了84.51%，出口空气温度达到了78.45 ℃，满足了设施农业土壤灭虫除菌所需温度要求。在实际设施农业土壤灭虫除菌运行时，需要将入光口面积增加为试验测试装置入光口面积的数倍，以进一步提高装置的运行效果。

在晴好天气，槽式复合多曲面聚光器中管式接收体内的空气流速选为1.075 m/s，对太阳高度角单轴跟踪，无风条件下，测试装置的运行环境温度、太阳辐照度，变化曲线如图8所示。测试管式接收体出口空气温度随太阳辐照度和环境温度变化曲线如图8所示，瞬时聚光器光热转换效率，出口空气温度变化曲线如图9所示。

从图9可以得出，直通管式接收体出口空气温度、装置光热转换效率随太阳辐照度的变化而变化。当进口空气温度为−1 ℃左右时，直通管式接收体出口空气温度最高可以达到88 ℃左右，最低温度也在50 ℃以上，光热转换效率可以达到65%左右。满足了冬季设施农业土壤灭虫除菌的温度要求，则设施农业全年的土壤灭虫除菌温度需求可以得到保证。

聚光回热式太阳能灭虫除菌装置所产生的热空气通过金属换热板对设施农业用土进行升温灭虫除菌，在夏秋季节运行效果会比冬季更好。在此过程中，土壤的湿度、进料速度、堆积厚度以及初始温度等因素都将影响到装置的灭杀效果和经济性，下一步我们将对上述因素的影响机理展开试验测试和理论分析。

5 结 论

本文针对设施农业常规土壤灭虫除菌过程中使用农药对土壤和人员的危害及物理灭杀过程需要使用大量化石能源的问题，结合区域发展特点，提出了聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置，尽可能地减少了设施农业对土壤处理过程中对环境的二次污染和化石能源消耗量，提高设施农业农产品品质。同时对装置的光热性能进行了仿真计算和试验测试。

1）装置中所设计的槽式复合多曲面聚光器，经过光学仿真软件LightTools的分析和计算，结果表明，在太阳正入射时，接收管表面光线接受率为99.66%，能量转化效率为81.48%，当径向入射偏角为3°时，管式接收体表面光线接受率仍为90.57%，接收体表面光线接受率和能量转化效率随轴向入射偏角的增加而呈直线下降趋势，能够为聚光回热型太阳能土壤灭虫除菌装置提供高密度热能，跟踪精度要求低。

2）聚光回热型太阳能土壤灭虫除菌装置利用槽式复合多曲面聚光器对工作介质空气进行加热，在进口空气温度为−1 ℃时，直通管式接收体出口空气温度可以达到88 ℃，达到设施农业土壤灭菌除虫的温度要求。

3）随着聚光回热型太阳能土壤灭虫除菌装置中工作介质空气流速的减小，管式接收体出口空气温度升高，装置光热转化效率提高，在对太阳高度角单轴跟踪时，冬季室外试验中，该装置的光热转化效率可以达到65%左右。

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Performance on concentrating regeneration type solar soildeinsectization and sterilization device

Chang Zehui1,2, Jia Ningze1, Hou Jing3, Zheng Hongfei4, Li Wenlong1, Liu Yang1

(1.010051,;2.010051,; 3.010051; 4.100081,)

In the last several decades, the problem of food shortage has been one of the main challenges in the world. It is necessary to enhance the use of protected agriculture in order to promote better microclimate conditions allowing high productivity, stable quality, earliest harvest dates and thus better economic output and good environment quality and food security. However, there are pests and pathogenic bacteria in the soil of agriculture production systems due to an ideal temperature, no wind and high humidity conditions in soil. Then soil disinfection treatments are used in agriculture before planting high-value cash crops, to reduce soil-borne crops pests including bacterial, fungal and nematode pathogens, weeds and insects. Methyl bromide fumigation is the widely used as a disinfection method due to its low cost and high effectiveness. But gaseous methyl bromide may destroy stratospheric ozone. Hence, forthcoming agro-ecological techniques should both reduce pollution hazards and be compatible with sustainable development guidelines. Many other chemical fumigants have become strongly restricted and more ecological treatments are now been sought. Alternative sustainable techniques such as soil electrical disinfection, steam soil disinfection and flame soil disinfection are utilized. However, many of these methods have the major drawbacks of their effect strongly depends on fossil energy. Moreover, the employment on a large scale of these methods could lead to a strong increase in environmental pollution. For this reason, in this paper, we presented a novel concentrating regeneration type solar soil extermination and sterilization device, which used high temperature air to kill soil-borne crop pests, reducing the employment of chemical fumigants and improving the quality of agriculture products. The device consisted of trough compound parabolic concentrating system, soil feed system, soil and air regeneration system and forced draft system, et al. The operational principle of concentrating light and regeneration type solar soil extermination and sterilization device was introduced. A 3D model of the concentrator supported with optical analysis software was used to analyze the tracking accuracy. The distribution of the concentrated light of the absorber could be visualized. Based on the simulation results, an experimental set-up, which can be used to verify the heat collection efficiency and the heating temperature, was designed and constructed. The results indicated that the overall ray’s receiving rate of the trough compound parabolic concentrating collector of 99.66%-62.20% were obtained with radial incidence angles of 0°-7°. The outlet air temperature of the device increased with the decreasing the air flow rate. The maximum outlet air temperature of the device at the air flow rate of 1.075m/s was higher than that of the device at the air flow rate of 4.076 m/s by 70 ℃. Under good sunshine in winter, the outlet air maximum temperature of the device with the tracking accuracy of 5°and the concentrating rate of 3.6 can reach to 88 ℃, and the heat efficiency can reach about 65%, thus, it is able to provide enough heat to soil disinfection in the protected agriculture, which is an idea solar soil extermination and sterilization method for protected agriculture.

soil; sterilization; solar concentrator; concentrating; solar energy; Light-thermal conversion efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.027

TK519

A

1002-6819(2017)-09-0211-07

2016-12-21

2017-04-12

国家自然科学基金项目（51666013）；内蒙古自然科学基金项目（2013MS0704，2015MS0545）；内蒙古工业大学风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金（201511）；内蒙古工业大学科学研究重点项目（ZD201507）

常泽辉，男（汉族），内蒙古人，副教授，博士，主要从事太阳能海水淡化、光热利用研究。呼和浩特内蒙古工业大学能源与动力工程学院，010051。Email：changzehui@163.com

常泽辉，贾柠泽，侯 静，郑宏飞，李文龙，刘 洋. 聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置光热性能[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：211－217. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.027 http://www.tcsae.org

Chang Zehui, Jia Ningze, Hou Jing, Zheng Hongfei, Li Wenlong, Liu Yang. Performance on concentrating regeneration type solar soildeinsectization and sterilization device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 211－217. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.027 http://www.tcsae.org