一种新型温室屋顶，采用纳米流体来实现光线过滤和热量吸收

《Renewable Energy》：A novel greenhouse roof using nano-fluids for light filtering and heat absorption

基于纳米流体的温室顶光热调控结构设计与实验研究。通过优化空心部分双矩形截面结构，使垂直入射光吸收率达70%以上，但正午可见光透射率降至42.61%。实验证明该结构可降低温室温度5.5℃，有效分离光合有效光谱（300-800nm）与热辐射光谱（＞800nm）。|纳米流体|温室顶棚|光热调控|结构优化|热红外吸收

　　

冯超清|王海恒|王瑞|袁光浩|刘瑞光|张万江

内蒙古工业大学能源与动力工程学院，中国呼和浩特

摘要

设计了一种新型温室屋顶，该屋顶利用纳米流体进行光线过滤和热量吸收。这些纳米流体对长波热辐射具有高吸收率，同时对可见光具有高透射率。为了控制光线并吸收热量，研究人员设计了由透明材料制成的新结构，并通过光学仿真对结构进行了优化。结果表明，当空心部分的截面为双矩形时，垂直入射光的吸收率最高。在这种条件下，纳米流体的阳光透过率可达到70%以上。当入射角超过25°时，纳米流体的光线透过率降至约40%。根据仿真结果，制作了实验样品，并搭建了测试系统在实际天气条件下进行测试。测试显示，新型温室结构在中午时的光线透过率低至42.61%。与双层玻璃相比，测试箱内的温度降低了5.5°C。这种新型温室屋顶不仅能降低中午时的可见光透过率，还能保证早晨和下午的室内照明，同时大幅减少进入温室的红外热辐射。

引言

温室是一种农业建筑，旨在为植物生长提供最佳环境。它通过改变温室内的环境条件（如温度、湿度和阳光）来促进植物生长。然而，作为太阳能利用结构，温室也存在一些问题。夏季正午时太阳入射角度较大，温室内的温度可能超过55°C^[1]，这远高于植物所需的温度，从而阻碍植物生长。因此，如何开发经济有效的冷却方法以降低室内温度并为植物创造适宜的生长环境已成为亟待解决的问题。

以往的研究人员通过采用自然通风和遮阳等被动冷却措施^[2][3]，或利用冷却系统和湿帘风扇等主动冷却措施^[4]来解决这一问题。温室遮阳的原理是利用风压和热压的联合作用，使室内空气流动，从而实现通风和空气交换。Baptista等人^[5]通过改变通风口安装位置并研究开口角度来分析温室通风的效果。遮阳技术则是利用具有特定透射特性的材料阻挡光线，防止过多的阳光进入温室。

为了实现冷却效果，喷水也是一种有效的降温方法。在炎热的夏季，人们通常通过喷水器向空气中喷洒水^[6]以吸收热量。这种方法逐渐成为温室降温的主要方式之一。Zhang等人^[7]将微喷灌与滴灌结合用于番茄种植，发现当内部温度超过30°C时，喷灌系统会自动启动，每运行1分钟，叶片温度可降低约3-6°C，冷却效果可持续10-30分钟。Zhang等人^[8]在中国山西省的实验房中测试了湿帘风扇冷却系统，结果显示当循环水平均温度比室外湿球温度低3.4°C时，湿帘的蒸发冷却效率为92.37%

随着农业的发展，农业领域开始选用高性能覆盖材料以减少夏季进入温室的太阳辐射量。Sidhu等人^[9]在温室内放置了装有铝箔网的管道，发现管道内的辐射和光照强度分别只有外部的78%和68%，且内部植物的产量比外部高40%。Zou等人^[10]开发了一种适用于夏季的辐射冷却薄膜，既能满足温室作物的光照需求，又能增强薄膜本身的辐射冷却效果。模拟结果显示，这种薄膜可使上海封闭温室内的温度降低11.4°C。Xie Xun等人^[11][12][13]提出使用维纳光子晶体结构作为温室覆盖材料，发现该材料对短波光具有高透射率，对长波光具有高反射率。不过这项技术尚不成熟且成本较高。这些研究主要利用覆盖材料分散阳光，但并未吸收阳光中的红外部分。Feng^[14]提出了一种基于棱镜分光原理的新型温室覆盖材料，既能保证植物生长所需的可见光进入温室，又能控制热量。Wei Lu^[15]设计了一种几何聚光比为2.0的新型静止非对称复合抛物面聚光器，该系统可用于建筑窗户，通过聚光器汇聚阳光并利用吸收的太阳能发电。Li等人^[16]提出了一种新的静态复合抛物面聚光器，由中间反射镜CPC和透明外壳组成，利用内部反射和镜面反射聚集光线，同时吸收近红外辐射以降低内部温度。本文中的光束分光和热量控制原理与前者不同。

如图1所示，太阳光谱非常宽，但植物只能利用其中的一小部分。300 nm～800 nm波段的光线参与植物光合作用^[17][18]，这部分光线可被植物吸收，称为植物有效光谱（PAS）^[19]。波长大于800 nm的光线不参与光合作用，进入温室后会增加内部温度，属于热量有效光谱（HAS）。纳米流体在光热转换和增强热传递等领域有广泛应用^[20]，已有研究证明纳米流体（NFs）可用于光线分光^[21]。这种方法可以分割和吸收太阳光谱。Mohammad Mehrali等人^[22]研究石墨烯/银复合等离子体纳米流体，发现rGO和Ag-rGO纳米流体在紫外-可见光区域的消光系数显著增加，且这种效应在更高波长处减弱。Shen C等人^[23]研究WO₃对光谱的吸收特性，发现WO₃在可见光区域具有高透射率，在红外区域具有强吸收率。Shen等人^[24]将NFs与0.025vol%的ATO和0.0001vol%的石墨混合，用作可见光过滤器和红外波段吸收剂，这些发现解释了纳米流体的光谱吸收机制。

为了解决强阳光时段温室温度过高的问题，在现有温室覆盖结构的基础上设计并制造了一种基于纳米流体的新型温室屋顶（NGRN）。该屋顶既能吸收强阳光时段的太阳光谱热量（降低内部温度），又能保证非强阳光时段的正常光照进入温室，维持作物正常生长。本文在户外进行了光学和热学实验。实验中使用的ATO纳米粒子（纯度≥99.95%，体积密度3.62 g/cm³，平均粒径7 nm）和WO3纳米粒子（纯度≥99.95%，体积密度7.16 g/cm³，平均粒径40 nm）均购自上海胡正纳米科技有限公司。分散介质为Alpha公司提供的超纯去离子水（电阻率>18 MΩ·cm）。ATO-WO3纳米粒子由2.4 vol%的ATO和97.6 vol%的WO3组成，实验中选用的纳米流体体积浓度为0.005 vol%。800 nm波段的光线平均透射率为24.22%，300 nm至800 nm波段的光线平均透射率为79.56%。最后分析了NGRN对室内光线和温度的影响。

NGRN简介

图2展示了温室屋顶内部微小聚光单元的光线聚集过程。入射光线1通过反射或折射聚焦到圆形纳米流体通道中，纳米流体选择性地吸收可见光，同时将红外光吸收并转化为热量。

光学仿真

为了评估聚光性能，对不同结构进行了光学仿真。本研究主要关注新结构的吸收率和透射率，使用TracePro软件进行仿真。吸收率是指被下层腔体结构吸收的光线数量与入射光线数量的比值。

光学实验

根据仿真结果，设计了实验样品，如图16(a)所示。实体模型由14个微小聚光单元组成，每个单元的大小见图1。图16(b)为建模的侧视图。由于加工条件和要求的限制，相邻两个微小聚光单元之间的间距为1.5 mm。为保证光线透射，中间连接部分设计成圆形结构。

结论

本文设计并研究了一种利用纳米流体进行光线过滤和热量吸收的新型温室屋顶。

光学仿真结果显示，当外侧壁为CPC结构时，该结构在强阳光时段具有较高的光吸收率，平均吸收率为73.7%。中午时的平均透射率为69.2%，足以维持植物正常生长。

作者贡献声明

刘瑞光：方法论。袁光浩：可视化分析、调查。张万江：形式化分析。冯超清：项目管理、概念设计。王瑞：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、方法论。王海恒：撰写初稿、软件开发、数据管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了内蒙古自然科学基金（MS202405051）、内蒙古青年科技人才项目（NJYT23023）、内蒙古直属高校基础研究经费（JY20240057）以及中国留学基金委（202308150112、202303230001）的支持。作者还感谢XPCC科技规划项目（2023AB030）的支持。