日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性

伍 纲，方 慧，张 义，杨其长，马兴龙

·农业生物环境与能源工程·

日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性

伍 纲1,2，方 慧1,2※，张 义1,2，杨其长1,2，马兴龙3

（1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2. 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081；3. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

为了进一步提高日光温室内主动蓄放热的热能利用效率，该研究在日光温室内的顶部空间，构建了基于曲面菲涅尔透镜的直散分离系统，该系统对顶部区域的空间利用率为25.8%。利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追踪，并对该曲面菲涅尔透镜在典型日条件下的接收效率和焦斑分布进行分析，得到一日内的变化规律。在直射光集热测试方面，正午时段内，该系统的集热效率可以达到45%。对比散射光环境对温室的影响，发现试验区全天光照度减小约为10%～40%。该文以主动集热土垄加温系统提升栽培土垄温度作为试验组，并与不加温对照组进行了比较。试验结果表明，系统可提高土垄温度4.5～5.0℃。连续晴天情况下，土垄加温系统的COP（coefficient of performance）为1.5～1.9。研究表明此新型温室集热方式可提高空间利用率，改善温室内光热环境，同时利用午间强直射光集热，实现太阳能综合利用。

日光温室；透镜；太阳能；光热；曲面菲涅尔镜；直散分离；土垄加温

0 引 言

中国农业设施建设起步虽晚，但因北方地区冬季农产品（特别是蔬菜）的强劲刚需，使其30 a来发展迅速，目前设施园艺面积已达370万hm2，成为世界上拥有设施园艺面积最大的国家[1-2]。北方设施园艺中以日光温室的发展最为迅速，近年来节能环境调控技术的研发与应用受到了越来越多的关注。温度作为重要的环境因子，合理的温度调控在冬季生产中尤为重要。温室内对温度的调控，一般分为土垄温度调控和空气温度调控，其中土垄温度主要影响作物的根区温度，可调节作物的根系生长、水分及养分的吸收利用等。

传统日光温室利用北面土墙蓄集的热量非常有限，故大部分日光温室还需燃煤供暖过冬，始终存在效率低、污染大及运行费用高等问题，制约着温室种植的经济效益[3-5]。日光温室在对太阳热能的主动利用中，包括在靠近北墙的位置放置太阳能集热器（比如平板集热器），这样就不占温室内部的种植面积[6]。外置太阳能集热器一般位于温室北墙之上，以及温室南侧的空地上[7-8]。这类新颖的太阳能集热方式，存在的问题在于太阳能接收面积偏少，集热量相对于温室的需求来说还比较有限，如何进一步提高集热效率，研发与温室结构相适宜的热能利用形式是技术突破的关键。

在对玻璃温室覆盖材料的研究方面，荷兰瓦赫宁根大学通过覆盖多层光谱选择性吸收的金属材料（SOL-MOX Hilite，荷兰）和绝缘塑料薄膜（Ebiral，美国）[9]。2种材料可以反射植物光合作用不需要的近红外光（NIR），减轻温室的高热负荷，而收集反射光能直接或间接地转化成电能，用于温室降温消耗，从而实现对多余能量的回收和利用。经检测，该类型温室年可发电20 kW·h/m2，并预计通过进一步的优化设计，可以将发电量提到31 kW·h/m2，从而可基本满足温室生产用能。也有学者将玻璃温室顶部斜面改造成平板型菲涅尔透镜，利用午间太阳高度角较大时的直射光进行聚光发电，同时将散射光环境提供给植物进行光合作用[10-11]。

为解决日光温室内能源收集与种植栽培之间的矛盾，将太阳能透射聚光高温集热技术与日光温室南坡面结构进行一体化设计，构成既可以兼容相济又可以独立运行的太阳能热农-农光互补系统。具体是利用大尺度的曲面菲涅尔透镜收集直射光，真空集热管安置在焦斑接收位置，实现太阳能中温集热和农作物采光生长，余热为作物生长供热。

1 直散分离式光热结构及工作原理

基于日光温室曲面线性菲涅尔透射聚光光热系统如图1所示，试验位于北京市顺义区大孙各庄镇中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所试验基地（40°13′N，116°65′E）。日光温室跨度为8 m，脊高3.25 m，后墙净高2.4 m，长度50 m。以圆柱面菲涅尔透射聚光器为主要部件，搭建中温太阳能集热系统。

注：A、B、C为光照度测点位置。

菲涅尔透镜的直散分离过程：将正午垂直于镜面入射的直射光经由曲面菲涅尔透镜聚集，投射在太阳真空管接收器上，实现光热转换；没有被接收器拦截的部分散射光穿过透镜，落在底部的植物叶片上。

如图2所示，透镜聚光器和日光温室都是沿东西方向布置，接收太阳光，利用塑料绳和定滑轮将菲涅尔透射式聚光器悬置在温室的顶部区域。可根据当地纬度进行程序控制，使得每天曲面菲涅尔透镜的中心线与水平线的夹角，固定为当日太阳高度角的最大值。这种固定透镜的方式，接收器一天之中只有正午时刻系统的热流最大。而在早上或下午太阳光线都是倾斜入射，所以一天之中热流变化较大。

图2 曲面菲涅尔镜在日光温室位置图

优势在于，将曲面菲涅尔透镜聚光器置于日光温室的顶部空间，凸面朝上。接收器置于透镜下方焦斑的位置，相对于透镜保持静止。充分利用温室南坡面的曲面结构，该菲涅尔透镜与南坡面都具有曲面结构，曲面透镜在运动过程中绕接收器位置旋转，使得聚光光热系统更加紧凑，以提高内部空间的利用效率。曲面菲涅尔透镜聚光器每日固定正对着太阳的最大高度角，实现温室收集太阳能最大化，有效实现了农光热互补，拓宽了太阳能在农业领域的应用。

2 温室顶部区域内的空间利用

通常情况下，日光温室的内置太阳能集热器一般靠近北墙，这样几乎不占室内种植区域面积，且对植物光合无影响。但在冬季，由于太阳高度角偏低和植物的遮挡效应，使得这类集热器的集热效果并不理想。如图1所示，本文将日光温室内的有限空间分成3部分，分别是种植区、顶部区域和走廊。走廊位于整个温室的最北侧，宽为0.8 m。考虑到植物2 m的生长高度，将走廊南侧2 m高度的空间作为作物的种植区。整个日光温室2 m以上无植物空间作为顶部区域。如图3所示，菲涅尔透镜系统放置在非种植空间的有限区域内，曲面透镜的上端坐标原点固定在坡面最高点下0.2 m位置，透镜下端点上下移动，保证太阳光能够垂直入射透镜表面，最终将直射光聚焦到焦点处。

之间的圆弧为圆柱面菲涅尔透镜圆面，该圆弧的理论圆直径为1 m。点为焦点。单个菲涅尔透镜聚光系统所占的面积为、、所围成的图形面积，该位置对应太阳高度角为73°（夏至）。聚光系统从夏至旋转到冬至时，与水平面夹角变为26.5°，即∠为26.5°，△移动到△。单个透镜聚光系统的运动面积（如图3），应该等于4部分面积的和，扇形，△，扇形和弓形。

图3 圆柱面菲涅尔聚光系统运动面积（侧面）的求解过程

圆柱面透镜焦距为0.95 m，=0.83 m，那么=0.89 m，∠=68.64°，∠=21.36°，∠=5.14°。求得面积，

顶部区域的面积为温室内部垂直高度大于2 m的面积和，包括北坡面积N和南坡面积S之和。南坡面积S计算，选取抛物线与圆线复合的南坡面方程[12]

3 镜片的光学仿真

图4中，圆柱面菲涅尔透镜沿着中心轴旋转，从而进行太阳跟踪。将倾斜入射的光线分别投影到圆截面和轴截面，圆截面内的投影与光轴的夹角，称为轴向入射角；将轴截面内的投影与光轴的夹角称为倾斜入射角。由于它属于单轴跟踪型，倾斜入射不可避免。

图4 圆柱面菲涅尔镜和二次聚光器

二次聚光器位于真空管正下方，紧贴真空管放置，二次聚光器结构如图4b所示。作为一个辅助的聚光器，它可以收集由于倾斜入射、制造或跟踪误差而漏出的光线。二次聚光器中两侧面反射镜面之间的最大开口间距为180 mm。接收器是带有板式翅片的直流翅片式真空玻璃管，如图所示图5。单根玻璃管长4 m，直径为102 mm。板式传热翅片宽80 mm、长1.9 m。翅片的表面有复合材料涂层（TiOxNy/TiN，吸收率：0.9、发射率：0.08），以增加吸光率和降低发射率。弹簧管位于直径为12 mm的2个铜管之间，避免了热应力扩张，翅片与铜管通过滚压工艺贴合。

将圆柱面菲涅尔镜的三维模型导入光学软件，将材料设为聚碳酸酯。圆柱面菲涅尔镜的光路和接收器相对固定的条件下，光线的分布情况如图6所示，在太阳光垂直入射的情况下，焦斑最小宽度为32 mm，得到理论最大几何聚光比650/32=20.3。每块镜片每日固定在太阳高度角最大的位置，对正午的太阳能进行收集。为了尽可能多的接收太阳光，提高系统接收效率，即到达接收面上的光线数量与透过菲涅尔透镜的光线数量之比。为了有效的增加许用的倾斜入射角，在接收器的下方增加二次聚光器是非常必要的，光线的焦点将重新分布在二次聚光器的上方，并可将接收面置于新焦点位置。该圆柱面菲涅尔镜的理论焦距为950 mm，通过仿真发现，实际焦距为840 mm时，接收效率最好，即原焦距位置上移110 mm。

注：80为板式传热翅片宽80 mm。

注：图中数值均为上午时间。

对于菲涅耳透镜的仿真研究，采用非序列光线追迹方法。软件中常用的计算照度的方法是蒙特卡罗法，是通过追迹大量的光子来决定照度的，可以从光源到接收器或从接收器到光源来进行光子路径追迹。本文采用Optical Research Associates公司开发的仿真模拟软件LightTools进行模拟和研究设计，版本号为V7.1.0。可以通过绘制图形来创建、观察、修改并且分析光学元件和光路，是有扩展的数值精度和专门进行光学设计的光线追迹软件。本文中光线选取覆盖全波长范围的可见光，参照大气质量AM1.5，将所选光线的波长及占比按表1给出。另外设置光源发光数量为50万条，可以保证焦斑能量分布的平滑性。

表1 仿真设置可见光波长及比例（AM1.5）

将圆柱面菲涅尔透镜的三维模型导入光学仿真软件LightTools中，真空管接收器实际宽度为10 cm，设置模型的材料属性为PC，并定义入射光和设置接收器。如图 7所示，调整夏至和冬至这2 d镜片对称轴与水平面的夹角，分别为73°和26.5°。透镜的焦平面会随太阳高度角的变化，上下移动。

图7 聚光器接收效率和焦斑宽度在典型日（夏至和冬至）内的变化情况

接收器位于菲涅尔正下方840 mm的位置时，夏至日及冬至日午间时长分别为4.5、2.5 h内，接收效率近似100%。同时，在焦平面宽10 cm范围内，夏至日及冬至日午间时长分别为5和2 h内，汇聚的光线基本都在焦平面有效范围内。这样，在透镜当天不动的情况下，能够很好的利用午间的入射光线，进行光热转化。同时，也不影响上午和下午倾斜入射的太阳光，进入温室内部。

图8可看出，随着光线轴向入射角的增大，透镜的焦距会在焦平面上下移动。当轴向入射角为0°，即正入射时，焦斑位置下降到焦平面下方110 mm处。二次聚光器放置在接收器平面上，直流翅片式真空管放置其中，焦斑不在翅片上的入射光线，经过二次聚光器后，该部分光线聚集在真空管的下侧。当轴向入射角等于22.5°时，焦斑所在的位置为实际焦平面的放置位置，和曲面透镜顶点的距离为840 mm。当轴向入射角35°时，焦斑位置上升到焦平面上方142 mm处，二次聚光器能够保证大多数光线聚集到管内壁上。在轴向入射角小于30°时，焦平面接收器的接收效率一直大于96%，说明在正午时间内轴向倾斜入射对接收效率，几乎没有影响。

图8 菲涅尔镜焦斑位置及接收效率随轴向入射角变化

4 直射光的光学效率与集放热测试过程

直射光集热系统原理是白天利用循环导热油和油水换热器，通过聚光器将直射光聚集在真空管上，热量通过水流循环，收集储存在地下储热水箱内，再通过土垄下的加热系统释放能量，提高土垄温度。系统还包括太阳能跟踪控制器、循环泵、储热水箱、油水换热器和测试系统。系统中的管路、油水换热器和水箱均有保温。试验的运行原理如图9所示。

1.菲涅耳透镜 2.直流翅片式真空管 3.二次聚光器 4.电动定滑轮 5.固定端 6.辐射表 7、8、9.测温点 10.油水换热器 11.流量计 12.泵 13.水箱 14.数据记录仪 15.潜水泵 16.土垄 17.热水管

4.1 系统组成

1）集热系统，包括东西向两排总长约40 m的曲面菲涅尔透镜（如图2b）、对应长度的直流翅片式真空管、1台0.8 kW的水泵、1台1.1 kW的潜水泵及循环管道。聚光系统包含40块长约1 m的透镜（如图4），透镜顶部和南坡面最高点之间间隙为0.2 m，聚光透镜总的集热面积为26 m2。聚光集热管路内的循环导热油为10 L。

2）地下储热水箱。储热水箱蓄水体积为2.2 m3，为PE材质，四周及底部用20 mm厚的橡塑棉进行保温，并采用浇筑陶粒混凝土进行保温。

3）土垄加温系统，包含1台1.1 kW、流量为15 m3/h的潜水泵及土垄下的加热管道。其中管道选用外径为20 mm的PPR管，布置于土垄正下方，采用同程式布管，流量分配较均衡。

4.2 系统运行模式

系统运行模式为：1）蓄热时间为09:00～15:00，系统运行，集热系统开始集热，将热量储存于储热水箱中。2）根据系统运行预试验结果，12:00～15:00土垄温度与蓄水池内水温平均温差最大，利于放热，故土垄增温系统此段时间运行，将热量蓄积于土垄中，而且此时作物光合作用强度较大，适当的提高土垄温度利于光合作用，此为第一放热阶段。3）夜晚00:00～08:00，土垄加温系统运行，向土垄放热，此为第二放热阶段。

试验区内白天集热系统通过聚光器真空管收集热量，夜晚再将吸收的热量通过土垄加温系统释放到温室中[13]。对照组无集热与土垄增温系统。试验组与对照组位于同一温室，温室中部是钢化玻璃墙，将温室分为2个区域，试验处理位于温室的西侧，采用主动集放热土垄加温方式，对照处理位于温室的东侧，无任何加温方式。

4.3 栽培材料及参数测定

温室内种植的番茄品种为瑞克斯旺（中国）公司生产的瑞粉882，2018年10月16日播种育苗，11月8日“两心一叶”时按一垄两行定植，南北走向，垄距1.55 m，垄高25 cm，垄上宽30 cm，下宽80 cm。每垄定植42株苗，每组处理18垄。

在距离试验温室南面5 m开阔处，距地面2 m高度（对应植物冠层）处设置室外空气温度测点[14]。

试验区和对照区区域内从东向西选择第5、第11、第14垄作为测量垄，每垄距北墙根2.7、4.7、6.7 m各布置1个点，如图1所示；试验区第11垄中部测点下方10、20、40、60 cm深布置4个测点。

在非试验组离后墙3 m，距地面1.5 m高设置室内太阳辐射测点。在距离试验温室南面5 m，距地面1.5 m高度处设置室外太阳辐射测点。

选用的T型温度传感器（精确度±0.2 ℃），土垄中传感器探头做套筒处理。选用美国坎贝尔公司的CMP3型太阳辐射传感器，数据采集仪选用该公司生产的CR3000，采集间隔10 min。

4.4 系统加温与光学效率计算

试验时间是2018年6月15日。系统开始运行后，循环的导热油不断地将真空管收集到的太阳能带到油水换热器，再通过油水换热器给水箱中的水加热。随着油温的升高，系统对外的散热逐渐增加，最终将达到热平衡状态。太阳辐照度、聚光系统下方集热器进出口油温和水箱中的水温随当地时间的变化如图10所示。试验系统东西走向安装、南北一维转动，每日镜面固定。9:00前集热效果并不理想，主要是轴向倾角过大，约50°左右。9:00后，随着轴向倾角的减小，系统聚光效率明显增加，水箱水温迅速升高。真空管进出口油温差，在11:30左右达到最大值15 ℃，且午间（11:00～13:00）很长时间都保持在10 ℃以上，表明聚光器聚光效果良好。

图10 集热系统温度变化

为了更清晰的分析系统的集热性能，聚光器的集热效率计算式如下

式中c为导热油（燕山石化YD320）的定压比热，2 kJ/(kg·℃)；为导热油密度，0.86 kg/L；为导热油的循环流速，4 L/min；i、o分别为进出油温；为集热面积；DNI为直射辐射，W/m2。

利用已有温度，可计算出该系统每小时内的平均集热效率。本集热系统在8:00到9:00之间，由于太阳轴向倾角很大，并且不是正入射，所以其平均效率只有8.6%。9:00到10:00，效率提高到17.5%。11:00到13:00，2 h内，集热效率达到近45%，说明本系统在聚光器每日固定的前提下，午间集热效率较好。

归一化温差*表示为集热器工作温度与环境温度（e）的差值与太阳辐射值之比，公式（4）中集热器工作温度可用进出口油温的平均值表示，即(i+o)/2。利用归一化温差分析聚光器及集热系统的效率，可以较深刻地了解系统的热性能参数。式（6）为归一化的集热效率。

图11 集热器归一化的效率曲线

4.5 冬季试验区与对照区土垄加温的比较

2019年1月9日至14日为连续晴天，试验区6 d的每日平均土垄温度为20.2、20.5、19.9、20.8、20.7、20.4 ℃，对照区的平均土垄温度为15.8、15.9、15.4、15.8、16.1、16.3 ℃。在12:00～15:00第一放热阶段，试验区分别比对照区平均土垄温度高4.7、4.4、4.7、5.0、4.8和4.5 ℃；在0:00～8:00第二放热阶段，2区温差分别为4.8、4.8、5.0、5.3、4.6和5.0℃。试验时段内，试验区中所测土垄温度均高于18 ℃，加温效果明显。

对照区内土垄最高温度出现在19:30前后，最低温度出现在9:30前后，也有文献表明日光温室内土壤栽培条件下，15 cm深的土壤最高温度出现在7:00左右[15]。如图12所示，试验区土垄温度每天出现2次波峰、2次波谷。第一次波谷出现在12:00后，为第一次加热开始后的10 min内，在此后的3h内，土垄温度持续上升，平均增温速率为1.3 ℃/h。第一次波峰出现于15:15，即停止加热后的15 min，这是由于热量在土垄中的传递需要一定的时间，而且系统关闭后，加热管内的热水，会继续释放热量。第二次波谷出现0:10，为第二次加热开始后10 min，此后土垄温度先升后降。第二次波峰较第一次波峰平缓，出现在3:00～4:00，该段时间加热与土垄的放热相当，土垄温度基本不变，而该时间段内对照区的土垄温度持续走低。8:00后，试验区的土垄温度下降速率明显大于对照区，这是由于试验区土垄温度与室内空气温度的温差大，散热速率也高。

4.6 土垄加温系统能耗及节能效果分析

聚光系统蓄积的热量及土垄加温管道释放的热量，可通过下式[14]计算

系统集热时段是白天9:00～15:00，集热量c通过式（7）和式（8）计算，而12:00～15:00、0:00～8:00加温管道向土垄放热，不同时段的放热量Q均通过式（9）和式（10）计算。

试验期间的1 d，定义为从该日的8:30至次日8:30，如年1月10日定义为1月10日8:30至1月11日8:30。土垄加温系统的COP（coefficient of performance）为1 d内系统向土垄有效放热量与系统运行耗电量的比值[16]

若将系统运行期间总的放热量为电加热产生的热量，系统节能率[17]可根据式（14）计算，

将连续晴天2019年1月9日～14日系统蓄热量、释放热量和透镜表面太阳总辐射量统计如表2所示。试验组的平均能量利用率为58.2%，15:00～0:00土垄放热系统关闭时间，蓄水池能量散失平均值为9.6 MJ，散失总量占总蓄热量的11%，储热水箱的保温性能有待提高。聚光器平均集热效率为64.7%，该聚光集热土垄加温系统的平均COP为1.5～1.9。

土垄加温系统有2个放热阶段，分别是12:00～15:00（Day）和次日的00:00～08:00（Night），连续晴天状况下2个阶段土垄加热管道释放的热量、功率如表3所示，其中放热功率是单位放热时间的放热量。

表2 系统太阳总辐射量及蓄积、释放的能量

表3 晴天状况下土垄加温系统不同放热阶段释放的热量

如表2所示，2个阶段的放热功率不同，白天（12:00～15:00）时段平均放热功率为2.1 kW，夜间（0:00～8:00）时段的平均放热功率为3.2 kW。白天外界气温较高，土垄自身温度也在上升。由于土垄与热水之间的温差减小，所以系统的放热量下降。而到了夜间，室内空气温度较低，土垄向空气传热，因此水管放热功率较白天要大很多。日均消耗电量52 MJ，系统释放出的热量分别为118、116、114、126、98 MJ，由式（9）得其节能率分别为56%、55%、54%、59%、47%，节能效果明显。

5 散射光下植物的光环境

对比散射光环境对温室的影响，发现试验区全天光照度减小约为10%～40%。聚光曲面透镜在光线入射时，利用自然界中的直射光进行光热转化，并不影响穿过透镜的散射光对温室的影响。通过对第二部分温室横截面的计算，种植区域的面积约为10.59 m2。夏至日太阳高度角最高，北京地区为73°，遮挡植物区域的面积最大，为1.67 m2，面积占比为15.8%。冬至日太阳高度角最低，北京地区为26.5°，遮挡植物区域的面积最小，为0.66 m2，面积占比为6.25%。

图1所示，3个测点、、均位于4 m长的透镜系统中央下方，和北墙距离分别为2.2、3.2和4.5 m，高度为2 m的位置。由于透镜将直射光汇聚到接收器上，故透镜下方的植物受到遮挡，测得光照度大部分为散射光的光照度，总值有所降低。如图13所示，试验区为有透镜集热系统的区域，非试验区为无遮挡对照区。日光温室内光照的分布因位置的差别，光照度差异很大。2 m为植物冠层高度，光照度值有一定的代表性。经观测有以下几个趋势，第一，透镜下方在南北水平方向，由温室南沿至后墙（北墙），光照度逐渐减少，其中北侧点的日累计光照度值比南侧点减少30%左右；第二，试验区的光照度与非试验区的比值（表4），全天值基本在60%～90%之间，午间时稳定在80%左右。

表4 试验区与非试验区光照度的比值

有研究表明[18]，光照强度的减弱会使温室内番茄的果重、结果数和总产量均降低。但更进一步指出，只有在光照强度为自然光强度的50%时，产量随光照强度的减弱发生显著下降；在75%自然光强（710～874mol/m2·s）的条件下，发现与自然光强处理下的番茄产量并无极显著差异。说明该菲涅尔透镜集热系统，对试验区域番茄产量的影响并不显著。

6 结 论

日光温室的顶部区域内曲面菲涅尔透镜直散分离特性的研究表明，该系统利用顶部区域进行集热，在正午时段内的最大集热效率可达到45%。对光学过程精确模拟发现，如要求光线接收效率为80%以上，光线在接收面宽度范围内，夏至日为10:00至14:30，冬至日为11:00至13:30。通过测试发现未被透镜系统利用的散射光，对试验区植物冠层的全天光照度比非试验区减小约10%～40%。另外阴天的植物冠层的散射光比例会增大，对应的装置集热效率则会降低。

本文利用菲涅尔透镜主动蓄热和土垄加温放热的组合系统，将日光温室中白天多余的太阳能及空气能进行收集，用于夜晚加温，对比分析了土垄加温与不加温两种方式的热能利用效果。试验结果表明，土垄加温系统，在连续晴天的情况下，土垄平均温度可提高了4.5～5.0 ℃；加温管道最深可影响至垄下40 cm。系统节能率为47%～59%，平均COP在1.5～1.9之间，具有一定的节能效果。

[1]瞿剑. 中国设施园艺面积世界第一[N]. 科技日报. http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-08/22/content_376481.htm?div=-1

[2]农业机械化管理司，中国农业农村部. 国家农业机械化统计年鉴[R]. 2016：65.

[3]Van Henten E J, Vanthoor B, Stanghellini C, et al. Model-based design of protected cultivation systems-first results and remaining challenges[J]. Acta Horticulturae, 2012(957): 255—266.

[4]Tong G H, Christopher D M, Li T L, et al. Passive solar energy utilization: A review of cross-section building parameter selection for Chinese solar greenhouses[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013(26): 540—548.

[5]Kurata K, Quan Z, Nunomura O. Optimal shapes of parallel east-west oriented single-span tunnels with respect to direct light transmissivity[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1991(48): 89—100.

[6]Lu W, Zhang Y, Fang H, et al. Modelling and experimental verification of the thermal performance of an active solar heat storage-release system in a Chinese solar greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2017, 160: 12—24.

[7]Tong G H, Christopher D M, Li B, et al. Numerical modelling of temperature variations in a Chinese solar greenhouse[J]. Computer and Electronics in Agriculture, 2009, 68(1): 540—548.

[8]Li Z Y, Ma X L, Zhao Y S, et al. Study on the performance of a curved fresnel solar concentrated system with seasonal underground heat storage for the greenhouse application[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2019, 141: 1—9.

[9]Sonneveld P J, Swinkels G L A M, Bot G P A, et al. Feasibility study for combining cooling and high grade energy production in a solar greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(1): 51—58.

[10]Sonneveld P J, Swinkels G L A M, Tuijl B A J, et al. Performance of a concentrated photovoltaic energy system with static linear Fresnel lenses[J]. Solar Energy, 2011(85): 432—442.

[11]Tripanagnostopoulos Y, Siabekou C, Tonui J K. The Fresnel lens concept for solar control of buildings[J]. Solar Energy, 2007, 81(5): 661—75.

[12]陈端生，郑海山，张建国，等. 日光温室气象环境综合研究（三）几种弧形采光屋面温室内直射光量的比较研究[J]. 农业工程学报，1992，8(4)：78—82. Chen Duansheng, Zheng Haishan, Zhang Jianguo, et al. A comprehensive research on the meteorological environment in sun-light greenhouse(Ⅲ)-A comparative research on the total amount[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 1992, 8(4): 78—82. (in Chinese with English abstract)

[13]赵云龙，于贤昌，李衍素，等. 碳晶电池热系统在日光温室番茄生产中的应用[J]. 农业工程学报，2013，29(7)：131—138. Zhao Yunlong, Yu Xianchang, Li Yansu, et al. Application of electric carbon crystal soil-warming system for tomato production in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(7): 131—138. (in Chinese with English abstract)

[14]方慧，张义，杨其长，等. 日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试[J]. 农业工程学报，2015，31(15)：177—182. Fang Hui, Zhang Yi, Yang Qichang, et al. Performance testing on warming effect of heat storage-release metal film in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 177—182. (in Chinese with English abstract)

[15]董海泉. 调控根际环境温度对冬季番茄生长的影响[D]. 北京：中国农业大学，2012. Dong Haiquan. Effect of Control Rhizosphere Ambient Temperature on Tomato Growth During the Winter[D]. Beijing: China Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[16]孙维拓，杨其长，方慧，等. 主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用[J]. 农业工程学报，2013，29(19)：168—177. Sun Weituo, Yang Qichang, Fang Hui, et al. Application of heating system with active heat storage-release and heat pump in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 168—177. (in Chinese with English abstract)

[17]王吉庆，张百良. 水源热泵在温室加温中的应用研究[J]. 中国农学通报，2005，21(6)：415—419. Wang Jiqing, Zhang Bailiang. Experiment of water source heat pump in greenhouse heating[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2005, 21(6): 415—419. (in Chinese with English abstract)

[18]杨延杰，李天来，林多，等. 光照强度对番茄生长及产量的影响，青岛农业大学学报：自然科学版[J]，2007，24(3)：199—202. Yang Yanjie, Li Tianlai, Lin Duo, et al. Effects of different light intensity on growth and yield of tomato[J]. Journal of Qingdao Agricultural University (Natural Science), 2007, 24(3): 199—202. (in Chinese with English abstract)

Sunlight-heat separation characteristics of Fresnel lens on the top of Chinese solar greenhouse

Wu Gang1,2, Fang Hui1,2※, Zhang Yi1,2, Yang Qichang1,2, Ma Xinglong3

(1.100081,; 2.100081,; 3.100081,)

The common south roof materials of Chinese solar greenhouses is transparent plastic film. Generally speaking, they have no significant advantage for adjusting incidence lights of greenhouses. Given that the solar irradiance above the light saturation point is meaningless for plant growth, as in summer, the strong sunlight at noon is surplus, that is, surplus light is unused. In order to improve the efficiency of the solar energy utilization in Chinese solar greenhouses, a separation of direct and diffuse light system based on curved Fresnel lens is established in the non-planting zone on top of the Chinese solar greenhouse. The system uses 25% of the space in the non-planting zone. The sun light is tracked from different angles of incidence, by using optical simulation software, and the receiving efficiency and focal spot distribution of the curved Fresnel lens under typical daily conditions are analyzed to obtain the rule of change within a day. Regarding direct light heat integration test, the heat integration efficiency of the system can reach 45% at noon. The results showed that compared with control group, heating system which was designed could increase the soil ridge temperature by 4.5-5.3 ℃. In the case of continuous sunny days, the COP of heating system was 1.5-1.9. The heating system was composed of Fresnel lens, vacuum tube, water tank, heating pipes under soil ridge and water submersible pump. The experiment was conducted from 16th Dec. 2018 to 16th Feb. 2019. Tomato was used as a model plant in the greenhouse.Compared with the impact of scattered light on plants inside the greenhouse, it is discovered that the illuminance of a whole day in the test area is reduced by 10%-40%. The study shows that the new type of greenhouse heat integration method can enhance space utilization and improve the light and heat inside the greenhouse. Also, heat is integrated by using strong direct light at noon to realize comprehensive utilization of the solar power.Test method: The direct light at the noon perpendicular to the specular surface is concentrated by the curved Fresnel lens and projected on the solar vacuum tube receiver to achieve the photothermal conversion. Part of the scattered light not intercepted by the receiver passes through the lens and falls on the plant blade at the bottom. Both the lens concentrator and the Chinese solar greenhouse are arranged in the east-west direction to receive sunlight, and the Fresnel lens concentrator is suspended in the non-planting zone at the top of the greenhouse using plastic ropes and fixed pulleys. The test system consists of 2 rows of 20-meter-long Fresnel lenses with a total heat collection area of 26 m2. The system also includes support mechanisms and receivers. The program can be controlled according to the local latitude, so that the angle between the center line of the curved Fresnel lens and the horizontal line is fixed to the maximum value of the sun's altitude angle of the day. In the experiment, the location was Beijing, which would be 73° on summer solstice and 26.5° on winter solstice.

solar greenhouse; lenses; solar energy; photothermal; curved Fresnel lens; separation of diffuse and direct light; soil ridge heating

伍 纲，方 慧，张 义，杨其长，马兴龙. 日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：202－210. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.024 http://www.tcsae.org

Wu Gang, Fang Hui, Zhang Yi, Yang Qichang, Ma Xinglong. Sunlight-heat separation characteristics of Fresnel lens on the top of Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 202－210. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.024 http://www.tcsae.org

2019-08-09

2019-12-26

国家自然科学基金资助项目（51806244）；中国博士后基金资助项目（2017M620077，2019T120163）

伍 纲，博士，助理研究员，主要从事设施农业环境工程方面研究。Email: wugang01@caas.cn

方 慧，副研究员，主要从事设施园艺环境工程研究。Email：fanghui@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.024

S625.4

A

1002-6819(2020)-04-0202-09