線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器性能研究

郭 梟 張遠巍 馮志誠 王 飛 田 瑞

(1.內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院， 呼和浩特 010051； 2.內蒙古可再生能源重點實驗室， 呼和浩特 010051)

0 引言

傳統(tǒng)農業(yè)生產(chǎn)過程中，主要以增施水肥、化肥及有機肥的方式提高土壤養(yǎng)分，進而實現(xiàn)增產(chǎn)的目的。CO2作為植物進行光合作用的關鍵原料，在農作物生長過程中必不可少，特別對溫室大棚內農作物的生長具有重要的促進作用[1-4]。由于溫室大棚內的CO2含量有限，均不足以達到增產(chǎn)目的，所以在農作物進行光合作用期間，借助二氧化碳發(fā)生器對其提供適量CO2，可在很大程度上提高作物產(chǎn)量。

國內外相關學者及機構在二氧化碳發(fā)生器的應用、工作原理、結構、運行性能及施肥規(guī)律等方面，做了諸多設計與研究[5-10]。但目前還未見將線聚焦集熱原理應用于制造CO2氣肥的報道。20世紀20年代，歐美、日本等國已開始推廣并應用二氧化碳發(fā)生器，對溫室大棚中的農作物增施CO2氣肥，其中荷蘭、日本發(fā)展速度較快。20世紀末，韓國已廣泛采用了LPG燃燒式二氧化碳發(fā)生器，CO2濃度控制由傳感器或時間實現(xiàn)。

太陽能具有儲量巨大、清潔無污染等諸多優(yōu)點，主要有光熱和光電2種利用形式[11-14]。線聚焦集熱是太陽能熱利用的主要形式之一，可在不同應用場合提供不同的溫度區(qū)段，具有很大的應用空間[15-18]。太陽能熱利用效率受諸多因素影響，如環(huán)境溫度、環(huán)境風速、積灰、太陽能資源、系統(tǒng)運行方式等[19-23]。太陽能聚光集熱系統(tǒng)有跟蹤及非跟蹤2種運行方式[23-27]，跟蹤運行可極大提高系統(tǒng)集熱效率，而跟蹤精度是衡量跟蹤器性能的關鍵指標之一，高精度跟蹤對提高系統(tǒng)有效性具有重要意義[27-28]。當前已存在多種形式的二氧化碳發(fā)生器，但均以消耗電能為代價進行產(chǎn)氣，產(chǎn)氣過程復雜且能耗大。而利用太陽能來生產(chǎn)CO2，是一種既節(jié)能又環(huán)保的產(chǎn)氣途徑。在一定溫度范圍內，太陽能二氧化碳發(fā)生器產(chǎn)氣量隨太陽輻照度呈正相關變化，故產(chǎn)氣時段與光合作用時段具有較好的匹配性，可在很大程度上減小系統(tǒng)儲氣裝置的容積，故具有很大的開發(fā)應用潛力。

本研究擬利用線聚焦集熱原理生產(chǎn)CO2氣肥，基于自主研制的線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器，對系統(tǒng)集熱性能及產(chǎn)氣能力進行測試?；谙到y(tǒng)產(chǎn)氣能力測試結果，提出線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器具體結構參數(shù)的計算方法。

1 理論計算與測試系統(tǒng)

1.1 理論計算

(1)產(chǎn)氣性能

假設向二氧化碳發(fā)生器內投入1 g NH4HCO3。NH4HCO3受熱完全分解后，理論產(chǎn)CO2的比質量為mL。理論產(chǎn)氣量計算式為

(1)

通過化學反應式可知理論產(chǎn)CO2的比質量：mL=44/79=0.557 g。

理論產(chǎn)CO2的比體積計算式為

(2)

式中vL——理論產(chǎn)CO2的比體積，mL/g

M——氣體摩爾質量，kg/mol

Vm——氣體摩爾體積，其值為22.4 L/mol

計算得vL=283.56 mL/g。

實際產(chǎn)CO2的比體積計算式為

(3)

式中vs——實際產(chǎn)CO2的比體積，mL/g

Vs——實際產(chǎn)氣量，mL

ms——NH4HCO3的實際消耗量，g

由于測試過程中以排水法測量排氣量，故計算時實際產(chǎn)氣量即為排水量。

氣損率為產(chǎn)氣損失量占理論產(chǎn)氣量的百分比。氣損率一方面反映了系統(tǒng)對反應原料的有效利用程度，另一方面可提高系統(tǒng)中NH4HCO3投入量的估算精度。氣損率計算式為

(4)

式中δ——氣損率，%

產(chǎn)氣能力為產(chǎn)氣原料吸收單位太陽輻射量時的產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣能力反映了系統(tǒng)的整體生產(chǎn)能力，基于產(chǎn)氣能力可設計出適合不同規(guī)格溫室大棚的線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器。產(chǎn)氣能力計算式為

(5)

式中σ——產(chǎn)氣能力，mL/MJ

E——測試時段采光口接收的太陽總輻照量，MJ

η——集熱器平均集熱效率，%

(2)集熱效率

經(jīng)過聚光器采光口的總能量是影響系統(tǒng)產(chǎn)氣量的關鍵因素之一，總能量E計算式為

E=A∑I

(6)

式中I——太陽輻照度，W/m2

A——采光口面積，m2

平均集熱效率反映了系統(tǒng)對太陽能的利用率，不同的應用場合對集熱效率的需求各不相同，故應基于實際情況，對集熱器結構進行科學化設計。線聚焦集熱器的平均集熱效率計算式為

(7)

式中cp——水的定壓比熱容，其值為4 200 J/(kg·K)

T2——測試結束時刻反應器腔體內部水溫，℃

T1——測試開始時刻反應器腔體內部水溫，℃

Δt——測試時長，s

1.2 線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器

該裝置以聚光形式提高反應器外壁面的能流密度，利用反應器所聚集的能量分解產(chǎn)氣原料。測試用產(chǎn)氣原料為NH4HCO3，由天津市北聯(lián)精細化學品開發(fā)有限公司生產(chǎn)，為無色柱狀結晶或白色堅硬塊狀物，可溶于水，化學性質不穩(wěn)定，36℃以上分解為二氧化碳、氨和水，熱至60℃時可完全分解。

如圖1所示，線聚焦型二氧化碳發(fā)生器由聚光器、反應器、超白減反玻璃、氣體緩沖腔4部分組成。聚光器由拋物線型反射鏡面、支撐體構成，為一體化結構，反射鏡面材料為10 K鏡面不銹鋼，反射率為0.7。當拋物線對稱軸為y軸、頂點為坐標原點時，聚光器母線方程為y2=96x，理論焦距為47 mm。聚光鏡開口寬300 mm，長500 mm，采光口面積為0.150 m2，幾何聚光比為4.8，低聚光比可獲得適宜的反應器內部溫度區(qū)間?？紤]反應器表面光斑均勻性及聚光槽深度，將反應器安裝中心設計于對稱軸，且距原點75 mm處，相對焦點上移28 mm。聚光器為反應原料提供分解所需的全部熱量，節(jié)能效果明顯；反應器由填料端蓋、吸熱體、濾氣網(wǎng)、濾水網(wǎng)、排污閥、反應料均布擋板6部分組成。填料端蓋與吸熱體以螺紋壓緊形式密封，可實現(xiàn)靈活啟閉，開啟時在填料口處添加產(chǎn)氣原料，同時填料端蓋中心處開有外徑為10 mm的混合氣體一次出口。吸熱體作用為高效吸收高能流密度的太陽輻射能，由304不銹鋼管加工而成，不銹鋼管外徑63 mm、壁厚1.2 mm、長400 mm，其外表面填涂選擇性吸收涂層(酞菁綠)，顏料成分為Fe3CuO5，吸收率為0.91，發(fā)射率為0.15。濾氣網(wǎng)為圓柱形，設置在反應器中心處，一側距混合氣體一次出口20 mm，另一側連接反應器底部，為可拆卸式螺紋連接，由外徑15 mm、長380 mm、厚0.8 mm的不銹鋼圓柱形濾網(wǎng)加工而成，濾網(wǎng)篩孔尺寸為0.09 mm，標準目數(shù)為170目，濾氣網(wǎng)作用為截留反應原料、使氣料分離，及時排出一次氣體。濾水網(wǎng)靠近反應器底部，距離底部20 mm，為圓環(huán)狀，外圓固定式連接反應器內壁，內圓可拆卸式連接濾氣網(wǎng)，其間采用軟硅膠圈密封，其材料規(guī)格同濾氣網(wǎng)，濾水網(wǎng)作用為截留反應原料，使反應廢液濾出，即時從反應原料中分離出液態(tài)水，避免反應原料結渣。排污閥設置于反應器底部最低處，用于定時排除發(fā)生器內部液態(tài)水。反應料均布擋板設置在反應器下壁面處，型線為圓弧，開口寬度30 mm，與反應器壁面固定式連接，材料規(guī)格同濾氣網(wǎng)，其作用為均勻分布反應器內部反應原料，防止反應原料因重力作用而產(chǎn)生堆積；超白減反玻璃設置在聚光器開口處，長500 mm，寬300 mm，厚5 mm，與聚光器可拆卸式連接，透射率為0.92，其主要作用為透光、保溫；氣體緩沖腔由2個不銹鋼圓柱體組成，外圓柱直徑70 mm，內圓柱直徑60 mm，圓柱高115 mm。底部和頂部全密封，側壁下部開有內徑為10 mm的進氣口，連接混合氣體一次出口。側壁上部開有內徑為10 mm的混合氣體二次出口，一、二次出氣口相對布置。中間腔體用于緩沖一次氣體，使可逆反應盡可能在反應器腔體內部進行，當少量水汽耗盡后，通氣管道內將不發(fā)生逆反應，進而避免管路結渣，防止堵塞，氣體緩沖腔需定期通水熔渣。

圖1 線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器結構圖Fig.1 Structure diagrams of line focus type solar carbon dioxide generator1.混合氣體二次出口 2.氣體緩沖腔 3.超白減反玻璃 4.吸熱體 5.濾氣網(wǎng) 6.濾水網(wǎng) 7.排污口 8.反應料均布擋板 9.反射鏡面 10.填料端蓋 11.混合氣體一次出口 12.反應器 13.聚光器

圖2 線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器性能測試系統(tǒng)圖Fig.2 Performance test system diagram of line focus type solar carbon dioxide generator1.線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器 2.排污口 3.太陽自動跟蹤平臺 4.排污閥 5.TP700型數(shù)據(jù)記錄儀 6.單向閥 7.一級濾氣箱 8、9.補水口 10.二級濾氣、集氣一體箱 11.量筒 12.太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng) 13.混合氣體一次出口 14.反應器腔體內部熱電偶位置 15.反應器壁面熱電偶位置

1.3 線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器性能測試系統(tǒng)

如圖2所示，測試系統(tǒng)由產(chǎn)氣裝置、濾氣裝置及集氣測量裝置組成。測試時段將線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器固定在太陽雙軸自動跟蹤平臺，可在跟蹤及非跟蹤2種工況下，研究系統(tǒng)集熱性能，并確定最佳運行方式。太陽自動跟蹤平臺逐日平面上安裝太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同步監(jiān)測太陽輻照度及相關氣象參數(shù)的變化趨勢。反應器腔體軸向中部中心及中部下側外邊壁分別布置2只K型點狀熱電偶，配套TP700型數(shù)據(jù)記錄儀，用于監(jiān)測反應器腔體內部及壁面溫度變化趨勢。為完全濾除混合氣體中的氨氣，該系統(tǒng)設置2級過濾裝置。過濾裝置由濾氣箱和連接通道組成，經(jīng)由補水口向一級濾氣箱內注水至90%位置，進氣口通至液面以下，用于一次濾氣。出氣口在液面以上，將過濾后較純凈的CO2氣體輸送至二級濾氣集氣一體箱，二級濾氣以壓溶形式進一步提高CO2純度。集氣測量裝置由二級濾氣集氣一體箱、測試量筒組成，產(chǎn)氣量測試用排水集氣法，經(jīng)由補水口向二級濾氣集氣一體箱內注滿水，排水口通入液面以下至箱底，進氣口設置于箱口處，由進氣口通入較純凈的CO2氣體，氣體將水壓入排水管道后排出至量筒內，再經(jīng)量筒直接讀出產(chǎn)氣量。

2 線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器性能測試

2.1 試驗設備與測試儀器

本研究所涉及試驗設備包括1套太陽雙軸自動跟蹤平臺(跟蹤精度為0.1°)、1套線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器(反應器吸熱體表面積為0.079 m2)、2個濾氣箱、1個量筒(量程為2 000 mL、改裝后讀數(shù)精度為1 mL)、2只K型點狀熱電偶、1臺電子天平(精度0.01 g)。

本研究所用測試儀器包括1套太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)、1臺TP700型數(shù)據(jù)記錄儀和1只一等標準水銀溫度計。整個太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器支架、內置GPS的Solys2型太陽跟蹤器、荷蘭KIPPZONEN型太陽輻射(直接輻射、散射輻射、總輻射、紫外輻射、長波輻射)監(jiān)測儀、各類傳感器(溫度、濕度、風速及風向傳感器)、美國SCI數(shù)據(jù)記錄儀組成。Solys2型太陽跟蹤器可實現(xiàn)全天360°全自動跟蹤觀測，跟蹤精度小于0.1°，直接輻射表靈敏度為7～14 μV·m2/W，響應時間小于5 s，傾斜響應小于0.2%，零度偏移小于7 W/m2，工作溫度為-40～80℃，非穩(wěn)定性小于0.5%，非線性小于0.2%。SCI數(shù)據(jù)記錄儀以CR3000型數(shù)據(jù)采集器為核心構建，工作電壓為10～16 V，內部數(shù)據(jù)滾動存儲；TP700型數(shù)據(jù)記錄儀用于存儲系統(tǒng)各測點溫度數(shù)據(jù)，TP700型數(shù)據(jù)記錄儀配置豐富，可接收多種類型的直流電流、電壓和電阻信號，測量、顯示基本誤差為±0.2%；一等標準水銀溫度計由北京玻璃研究所生產(chǎn)，測量范圍為0～150℃，最小分度值為0.1℃。

2.2 測試方案

(1)在一定溫度范圍內標定K型點狀熱電偶，使標定后各熱電偶的測量誤差小于0.1℃，由于熱電偶線性特性不夠理想，故在測試溫度范圍內選取較小的標定區(qū)間，選取適宜溫度間隔，以保證較多的標定點，標定標準溫度計選取一級標準水銀溫度計。

(2)在跟蹤及非跟蹤工況下進行空曬試驗，以分析空曬時反應器各測溫點溫度隨太陽輻照度的變化趨勢。

圖3 熱電偶標定擬合曲線Fig.3 Fitting curves of thermocouple calibration

(4)基于空曬及悶曬試驗測試結果確定系統(tǒng)最佳運行方式，在最佳運行方式下，測試系統(tǒng)產(chǎn)氣性能，分析產(chǎn)氣量隨累計太陽輻照量的變化規(guī)律，進而確定系統(tǒng)產(chǎn)氣能力。

2.3 試驗流程

本研究在實驗室太陽雙軸自動跟蹤平臺上，進行了系統(tǒng)集熱性能與產(chǎn)氣性能試驗，試驗地區(qū)為內蒙古呼和浩特市，試驗時間為2017年4月20日—5月15日，試驗時段室外平均風速均小于4 m/s，天氣晴朗。試驗流程如下：

(1)采用恒溫水浴在25～100℃范圍內標定測試用熱電偶，適宜間隔下取14個標定點。標定時段關閉測試室門窗，以減小環(huán)境干擾。

(2)空曬試驗。測試前，將TP700型多路數(shù)據(jù)記錄儀與太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)的時鐘調整一致，密封反應器進出口，并做保溫，分別在跟蹤與非跟蹤工況下進行空曬性能測試。測試于發(fā)生器無任何陰影遮擋時開始記錄數(shù)據(jù)，TP700型多路數(shù)據(jù)采集儀每分鐘記錄2次數(shù)據(jù)，太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析過程各監(jiān)測數(shù)據(jù)取30 min平均值。跟蹤工況時，太陽始終直射采光口。非跟蹤工況時，將太陽雙軸自動跟蹤平臺手動調至正南且傾斜45°。重復測量3次，取平均值。

(3)悶曬試驗。測試流程同空曬試驗。在反應器腔體內注滿水，注水總質量1.20 kg，隨后密封反應器進出口，分別于跟蹤與非跟蹤工況下進行測試。

(4)產(chǎn)氣試驗。連接過濾裝置和集氣測量裝置，采用打壓泵以打壓形式檢測系統(tǒng)密封性，打壓泵壓力表顯示0.40 MPa后可穩(wěn)定30 min，即認為管路密封及承壓性良好。隨后，將產(chǎn)氣原料填入反應器腔體并稱質量，在最佳運行工況下，間隔30 min記錄量筒讀數(shù)，水容積即為產(chǎn)氣量。測試結束后，再利用電子天平稱量反應器質量，計算反應前后質量差，即為產(chǎn)氣原料消耗量。同時在反應器外壁安裝K型點狀熱電偶，監(jiān)測腔體溫度。重復測量3次，取平均值。

3 結果與分析

3.1 熱電偶標定結果

圖3為熱電偶顯示溫度與實際溫度的關系曲線，通過曲線擬合可得，1號熱電偶標定擬合曲線方程為y=0.938 3x+3.115，R2=0.999。2號熱電偶標定擬合曲線方程為y=0.939 7x+3.096，R2=0.999，2只熱電偶擬合曲線決定系數(shù)均大于0.998，故擬合函數(shù)精度較高。

2）表情型文本：主要用于表達情感與態(tài)度，側重表現(xiàn)原文的美學形式。語言具有美學的特點。3）感染型文本：旨在感染或者說服讀者并使其采取行動。4）視聽型文本：如電影或視聽廣告等，以圖像、音樂等對上述三種功能進行補充。

3.2 系統(tǒng)集熱性能分析

3.2.1空曬試驗

跟蹤測試時段，平均風速2.17 m/s。非跟蹤測試時段，平均風速2.38 m/s。滿足空曬性能測試要求(風速小于4 m/s)。

(1)跟蹤工況

測試時間為4月25日，由圖4可知，反應器外壁溫度始終略低于其內腔溫度，各測溫點溫度波動范圍小，由于空氣比熱容很小，故跟蹤空曬時，各測溫點溫度對太陽輻射很敏感。測試開始時刻，溫度瞬時提升幅度很大，各測溫點溫度快速提升至96℃，故系統(tǒng)具有較高的能量接收速率。但隨太陽直接輻照度變化而產(chǎn)生的溫度波動較小，故系統(tǒng)具有較好的溫度保持能力。當太陽直接輻照度高于865 W/m2時，反應器腔體內溫度在102～107℃范圍內波動變化，波動幅度為5%；反應器外壁溫度在96～99.5℃范圍內波動變化，波動幅度為3.60%；當太陽直接輻照度從865 W/m2直線降低為738 W/m2時，反應器內腔溫度從102℃降低至91℃，降幅為10.78%，反應器外壁溫度從96℃降低至86℃，降幅為10.42%；空曬最高溫度為107℃。測試期間，環(huán)境溫度在10.5～17℃間波動變化，與反應器內腔各測點溫度變化趨勢相反，故環(huán)境溫度對其影響較小。受裝置保溫措施影響，反應器外壁溫度對環(huán)境溫度變化較敏感。

圖4 跟蹤工況下各測溫點空曬溫度隨太陽直接輻照度的變化趨勢Fig.4 Changing trend of measurement point of water stagnation temperature with irradiance under tracking condition

(2)非跟蹤工況

測試時間為4月28日，09:45—12:45為太陽總輻照度遞增時段，12:45—16:45為太陽總輻照度遞減時段。由圖5可知：反應器外壁溫度始終略低于其內腔溫度，14:15—15:45時段，太陽總輻照度變化速率最大，反應器外壁和內腔間溫差最小，測試時段，溫差于1.9～9.1℃區(qū)間變化；在太陽總輻照度遞增和遞減時段，反應器內腔及外壁溫度均隨太陽總輻照度呈正相關變化，但遞減速率明顯小于遞增速率。測試開始時刻，各測溫點溫度瞬時提升幅度遠小于跟蹤工況，將各測溫點溫度快速提升至41℃，故系統(tǒng)能量接收速率遠小于跟蹤工況。隨太陽總輻照度變化而產(chǎn)生的溫度波動遠大于跟蹤工況，故系統(tǒng)溫度保持能力相對較差；當太陽總輻照度為932 W/m2時，反應器內腔空曬溫度為92℃，達到最高；遞增時段，太陽總輻照度由671 W/m2升高至932 W/m2，反應器內腔溫度從49℃升高至92℃，增幅為87.76%。反應器外壁溫度從41℃升高至87℃，增幅為112.20%。遞減時段，太陽總輻照度由932 W/m2迅速降低至441 W/m2，反應器內腔溫度從92℃降低至45℃，降幅為51.09%。反應器外壁溫度從86℃降低至41℃，降幅為52.33%；環(huán)境溫度在15.3～24.2℃間波動變化，總體而言，環(huán)境溫度與反應器各測溫點溫度變化趨勢相反，故環(huán)境溫度對反應器空曬溫度影響較小。

圖5 非跟蹤工況下各測溫點空曬溫度隨太陽總輻照度的變化趨勢Fig.5 Changing trend of measurement point of water stagnation temperature with irradiance under non-tracking condition

綜上所述，跟蹤較非跟蹤工況，反應器內腔空曬最高溫度提高16.30%；能量接收速率和溫度保持能力均遠大于非跟蹤工況；環(huán)境溫度對反應器空曬性能影響較小。

3.2.2悶曬試驗

跟蹤測試時段，平均風速2.63 m/s。非跟蹤測試時段，平均風速2.47 m/s。滿足悶曬性能測試要求(風速小于4 m/s)。

(1)跟蹤工況

測試時間為4月26日，圖6為線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器跟蹤工況下，悶曬試驗中反應器各測溫點溫度隨太陽直接輻照度的變化趨勢。9:50—11:50為太陽直接輻照度遞增時段，11:50—17:20為太陽直接輻照度遞減時段。由圖6可知測試時段太陽直接輻照度先增后降，除11:50—13:50時段外，反應器各測溫點溫度與太陽直接輻照度的變化趨勢基本一致，均呈正相關趨勢變化。因水的比熱容遠大于空氣，故水的蓄熱能力遠大于空氣，且反應器壁面存在一定熱阻，太陽直接輻照度變化幅度相對較小，故各測溫點溫度隨太陽直接輻照度的變化在時間上存在延遲現(xiàn)象。11:50—13:50時段，各測溫點溫度隨太陽直接輻照度呈負相關變化，將圖中各對應點的連線命名為溫度延遲變化線，其所對應時長可表征系統(tǒng)對太陽直接輻照度變化的響應敏感度，由圖6可知，最高水溫變化滯后最大直接輻照度2 h。9:50—13:50為各測溫點溫度遞增時段，將圖中各對應點的連線命名為系統(tǒng)能量接收線，其斜率可表征系統(tǒng)接收太陽輻射能的速率。13:50—17:20為各測溫點溫度遞減時段，將圖中各對應點連線命名為系統(tǒng)溫度保持線，其斜率可表征系統(tǒng)維持腔體內溫度的能力。各測溫點溫度遞增時段，11:50時太陽直接輻照度達到最大值898 W/m2，反應器內腔水溫從13℃快速升高至94℃。反應器外壁溫度從12.5℃快速升高至92.5℃。最大溫差為1.5℃。13:50時內腔水溫與壁面溫度分別達到最大值94.0、92.5℃，對應太陽直接輻照度為875 W/m2；各測溫點溫度遞減時段，太陽直接輻照度從875 W/m2迅速降低至673 W/m2，當太陽直接輻照度低于875 W/m2時，已不能使內腔溫度繼續(xù)升高，系統(tǒng)吸熱量小于熱損值，此時外壁與內腔溫差由負值變?yōu)檎?，反應器內腔溫度?4℃緩慢降低至71℃，降低24.47%。反應器外壁溫度從92℃緩慢降低至69℃，降低25.00%；測試時段，環(huán)境溫度在12～18℃之間波動變化，總體而言，環(huán)境溫度與反應器各測溫點溫度變化趨勢相反，故環(huán)境溫度對反應器內悶曬溫度影響較小。

圖6 跟蹤工況下各測溫點悶曬溫度隨太陽直接輻照度的變化趨勢Fig.6 Changing trend of measurement point of air stagnation temperature with irradiance under tracking condition

由表1可知，不同溫度區(qū)段內，系統(tǒng)集熱效率隨反應器內腔水溫呈負相關變化，當初始水溫與平均太陽直接輻照度分別為26.1℃、872 W/m2時，系統(tǒng)集熱效率可達38.90%，當初始水溫與平均太陽直接輻照度分別為94.1℃、875 W/m2時，系統(tǒng)集熱效率僅為6.10%，當蓄熱工質溫度由26.1℃升高為94.1℃時，系統(tǒng)集熱效率下降84.31%。

系統(tǒng)能量接收線與系統(tǒng)溫度保持線夾角為熱性能角，延遲線長度對應時長為溫度響應敏感度。以下將綜合采用熱性能角、溫度響應敏感度、集熱效率來確定系統(tǒng)的最佳運行方式。

(2)非跟蹤工況

測試時間為4月27日，圖7為線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器非跟蹤工況下，悶曬試驗中系統(tǒng)各測溫點溫度隨太陽總輻照度的變化趨勢，9:10—13:10為太陽總輻照度遞增時段，13:10—17:10為太陽總輻照度遞減時段。由圖7可知測試時段，采光口平面處太陽總輻照度先增后降，除溫度延遲時段外，發(fā)生器各測溫點溫度與太陽總輻照度的變化趨勢基本一致，13:10—14:10為溫度延遲時段，最高水溫滯后最大太陽總輻照度1 h，13:10時太陽總輻照度達到最大值953 W/m2。各測溫點溫度遞增時段，反應器內腔水溫從23.7℃快速升高至83.6℃，升高255.70%。反應器外壁溫度從24.1℃快速升高至79.7℃，升高230.70%。最大溫差為3.9℃。14:10時，內腔水溫與壁面溫度分別達到最高值83.6、79.7℃，對應太陽總輻照度為901 W/m2，滯后最高太陽總輻照度1 h；各測溫點溫度遞減時段，太陽總輻照度從901 W/m2迅速降低至426 W/m2，當太陽總輻照度低于901 W/m2時，外壁與內腔溫差由負值變?yōu)檎?，反應器內腔溫度?3.6℃緩慢降低至62.4℃，降低25.36%。反應器外壁溫度從79.7℃緩慢降低至55.1℃，降低30.87%。測試時段，環(huán)境溫度在12～21℃之間波動變化，總體而言，環(huán)境溫度與反應器各測溫點溫度變化趨勢相反，故環(huán)境溫度對反應器悶曬溫度影響較小。

表1 跟蹤工況下系統(tǒng)集熱效率Tab.1 Heat-collecting efficiency of system under tracking condition

圖7 非跟蹤工況下各測溫點悶曬溫度隨太陽總輻照度的變化趨勢Fig.7 Changing trend of measurement point of air stagnation temperature with irradiance under non-tracking condition

綜上所述，跟蹤較非跟蹤工況，反應器內腔悶曬最高溫度提高12.44%；綜合圖6、7可知，跟蹤工況下，系統(tǒng)熱性能角較非跟蹤工況小，溫度響應敏感度較非跟蹤工況大。

由表2可知系統(tǒng)集熱效率隨反應器內腔水溫呈負相關變化，當初始水溫與太陽總輻照度分別為28.0℃、721 W/m2時，系統(tǒng)集熱效率為20.00%，當初始水溫與太陽總輻照度分別為82.2℃、901 W/m2時，系統(tǒng)集熱效率僅為2.8%，當初始水溫由28.0℃升高為82.2℃時，系統(tǒng)集熱效率下降86.0%。

表2 非跟蹤工況下系統(tǒng)集熱效率Tab.2 Heat-collecting efficiency of system under non-tracking condition

綜上，跟蹤較非跟蹤工況，系統(tǒng)最高集熱效率提高94.50%。

3.2.3結果分析

太陽輻照度對各測溫點溫度有決定性影響，受反應器吸熱體壁厚熱阻、蓄熱工質蓄熱能力及系統(tǒng)運行方式的影響，系統(tǒng)各測溫點溫度、溫度跟蹤特性、傳熱過程、集熱效率的變化均存在一定特點。吸熱體熱阻是反應器外壁和內腔存在溫差的決定因素；測溫點溫度變化對太陽輻照度的跟蹤存在延遲現(xiàn)象，延遲時長由蓄熱工質的蓄熱能力、吸熱體熱阻、系統(tǒng)運行方式?jīng)Q定，系統(tǒng)以水為悶曬工質，壁厚一定，跟蹤運行時，響應敏感度較非跟蹤工況大；系統(tǒng)能量接收線及溫度保持線斜率，主要受工質蓄熱能力和系統(tǒng)運行方式影響，跟蹤方式使得太陽光線始終直射采光口，系統(tǒng)對能量的接收能力相對較大，系統(tǒng)能量接收線斜率較非跟蹤工況大，故溫度上升速度相對較快。而系統(tǒng)溫度保持線斜率較非跟蹤工況小，故系統(tǒng)的能量保持能力強。所以系統(tǒng)以水為悶曬工質，跟蹤運行時，熱性能角較非跟蹤工況大；系統(tǒng)集熱效率主要受反應器內儲熱工質初始溫度及運行方式的影響，一定溫度范圍內，跟蹤方式更利于提升系統(tǒng)集熱效率。當反應器腔體內蓄熱工質為空氣時，其比熱容很小，單位質量空氣的溫度升高1.0℃僅需很少的熱量，故其外壁溫度始終略低于內腔溫度。當反應器腔體內蓄熱工質為水時，其比熱較大，單位質量的水溫度升高1.0℃需較多熱量，隨測試時間延長，反應器內腔儲熱工質的儲熱量逐漸增大，對太陽輻照度的跟蹤出現(xiàn)延遲，使得腔體內溫度緩慢升高。隨內腔溫度的升高，溫升速度將逐漸降低，部分熱量被耗散，使得外壁與內腔溫差不斷減小，當達到動態(tài)平衡時，內腔和外壁溫度達到相等。當太陽輻照度降低時，內腔中的高比熱容儲熱工質向外壁的傳熱量將大于其所接收的熱量，將導致外壁溫度高于內腔溫度，故隨著腔體內工質蓄熱能力的增大，腔體內部日最高溫度會大幅降低。原料NH4HCO3分解過程會吸收大量熱量，較高集熱效率可將內腔溫度維持在適宜范圍。系統(tǒng)溫度對太陽輻照度的跟蹤特性，可保證系統(tǒng)產(chǎn)氣量有效追蹤植物光合作用過程。

綜上，跟蹤工況下，系統(tǒng)熱性能角較固定式大，熱量接收速率大、熱損失率小。系統(tǒng)響應敏感度較固定式小，可促進系統(tǒng)產(chǎn)氣速率趨于平穩(wěn)。同等天氣條件下，集熱效率較固定式大。故綜合考慮系統(tǒng)全生命周期經(jīng)濟性及運行性能，跟蹤方式更利于系統(tǒng)高效運行。

3.3 產(chǎn)氣性能分析

產(chǎn)氣性能測試過程運行方式選為跟蹤式，產(chǎn)氣時段內腔溫度在45～60℃范圍內變化。根據(jù)表1，系統(tǒng)集熱效率取為31.80%。測試時段，環(huán)境平均風速為3.13 m/s。

由圖8可知，產(chǎn)氣量對太陽直接輻照量具有較好的跟隨性。測試前反應器及NH4HCO3的總質量為1 744.2 g，測試結束后反應器及NH4HCO3的總質量為1 559.6 g，NH4HCO3的實際消耗量為184.6 g，測試時段實際總產(chǎn)氣量為51 290 mL，由式(3)計算可得，實際產(chǎn)CO2的比體積為277.84 mL/g，實際值較理論值低5.72 mL/g。由式(4)計算可知，整個產(chǎn)氣過程的氣損率為4.50%。造成氣損的主要原因為：測試當天太陽直接輻照度具有較大波動，在太陽直接輻照度降低時段，采光口在單位時長內所接收的總太陽直接輻照量減少，同時存在熱損失，使得單位時長內，聚光能量經(jīng)壁面熱傳導后，到達反應器腔體內的總量減少。故NH4HCO3的分解速度減慢，單位時長內的產(chǎn)氣量明顯減少，反應器內部壓力也隨之降低，一次氣體出口處混合氣體流速減慢，混合氣體在緩沖腔中的流通時間增長，而緩沖腔體中溫度明顯低于反應器內腔溫度，故混合氣體將在緩沖腔體中發(fā)生輕微逆反應，在緩沖腔內壁產(chǎn)生逆反應物，最終導致產(chǎn)氣量偏低。氣損在太陽直接輻照度降低階段均會發(fā)生，且氣損量隨太陽直接輻照量呈負相關變化。試驗期間平均產(chǎn)氣能力為47.623 L/MJ。

圖8 跟蹤工況下系統(tǒng)30 min產(chǎn)氣量隨太陽直接輻照量的變化趨勢Fig.8 Changing trend of system gas production with direct irradiation under tracking condition in 30 min

在考慮系統(tǒng)集熱效率的基礎上，按式(5)及測試結果，可計算出不同太陽直接輻照度下的系統(tǒng)產(chǎn)氣能力，由圖9可知，當太陽直接輻照度在650～850 W/m2范圍內變化時，系統(tǒng)產(chǎn)氣能力隨太陽直接輻照度呈正相關變化。太陽直接輻照度越低，反應器腔體在單位時間內所接收的總能量越少，系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣損量越大。隨著分解反應的持續(xù)進行，反應器內腔蓄熱量將不斷減少，分解溫度也隨之降低，輸氣管路中的氣流速度也不斷減小，逆反應程度加劇，進而導致產(chǎn)氣能力持續(xù)衰減，當太陽直接輻照度低于700 W/m2時，產(chǎn)氣能力逐漸趨于平穩(wěn)，氣損值接近極限，產(chǎn)氣速度趨于平穩(wěn)。

圖9 跟蹤工況下產(chǎn)氣能力隨太陽直接輻照度的變化趨勢Fig.9 Variation trend of gas generation capacity along with solar direct irradiance under tracking condition

如圖9所示，對趨勢線進行擬合后，可得產(chǎn)氣能力隨太陽直接輻照度的變化關系，其函數(shù)關系式為

y=0.001 8x2-2.399 8x+826.63 (R2=0.993)

(8)

式中y——產(chǎn)氣能力，L/MJ

x——測試時段的平均太陽直接輻照度，W/m2

綜上所述，由于跟蹤工況可確保太陽光線時刻直射聚光器采光面，故采光口處可持續(xù)接收最大太陽直接輻照量，當系統(tǒng)在一定太陽直接輻照度區(qū)間跟蹤運行時，線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器在等長時段，所獲得的太陽輻射能隨時間波動較小，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)氣，實現(xiàn)最大限度利用太陽輻射能的目的。同時，跟蹤工況下，系統(tǒng)熱性能角較小，響應敏感度大，集熱效率高，綜合性能較優(yōu)。故系統(tǒng)以跟蹤方式運行時，能較好維持大棚與CO2的供求關系。不同農作物在不同太陽直接輻照度下進行光合作用時，所需CO2的量各不相同，該量可以通過相關資料經(jīng)查詢而獲知，故一定規(guī)模塑料大棚對CO2需求量為已知量。根據(jù)式(8)可分別確定不同太陽直接輻照度下的產(chǎn)氣能力，結合不同地區(qū)太陽能資源分布規(guī)律，可確定出系統(tǒng)采光口面積、反應器容積、各級濾氣箱規(guī)格等關鍵參數(shù)，最后可依據(jù)聚光比來確定系統(tǒng)各結構的具體尺寸比。

線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器產(chǎn)氣能源僅為太陽能，產(chǎn)氣后所得氨水能以水肥方式進行循環(huán)再利用，系統(tǒng)在其全生命周期內具有較好的節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟性優(yōu)勢。

4 結論

(1)跟蹤及非跟蹤工況下，反應器空曬最高溫度分別為107、92℃，跟蹤較非跟蹤工況，反應器內腔空曬最高溫度提高16.30%。

(2)跟蹤及非跟蹤工況下，反應器悶曬水溫最高可達94、83.6℃，最高集熱效率分別為38.90%、20.00%。跟蹤較非跟蹤工況，反應器內腔最高水溫提升12.44%，系統(tǒng)最高集熱效率提升94.50%。測試時段反應器內腔最低水溫為62.4℃，處于反應原料完全分解所需溫度之上。

(3)系統(tǒng)最佳運行工況確定為跟蹤式，產(chǎn)氣溫度范圍內系統(tǒng)集熱效率為31.80%；整個產(chǎn)氣過程的系統(tǒng)氣損率為4.50%。當太陽直接輻照度處于650～850 W/m2范圍內時，系統(tǒng)產(chǎn)氣能力隨太陽直接輻照度呈正相關變化。當太陽直接輻照度低于700 W/m2時，產(chǎn)氣能力逐漸趨于平穩(wěn)，氣損接近極限值，分解速度趨于平穩(wěn)。

(4)線聚焦型太陽能二氧化碳發(fā)生器具節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟性優(yōu)勢，系統(tǒng)產(chǎn)氣能力對農作物的光合作用強度具有較好的跟隨性。