太阳能热电移动储能系统：破解农产品运输保鲜难题的创新方案

在农业领域，印度面临农产品产后损失严重、冷链基础设施不足等问题。研究人员开展 “太阳能 - 热电移动储能系统集成电动汽车减少农产品运输产后和微生物损失” 研究，发现该系统能有效控温、抑制微生物生长，对实现可持续发展目标意义重大。

　　在全球粮食安全问题日益严峻的当下，农产品的有效保存和运输成为关键挑战。印度作为农业大国，农业在其经济中占据重要地位，贡献了近 18% 的国内生产总值（GDP） ，且在园艺产出方面位居全球第二。然而，印度农业却深受农产品产后损失的困扰，尤其是水果，产后损失率在 6.02% - 15.05% 之间。造成这一现象的主要原因是缺乏便捷且分散的冷藏基础设施。在农产品运输和储存过程中，无法维持适宜的温度和湿度，导致农产品发生物理化学降解，微生物大量滋生，严重降低了易腐农产品的品质和保质期。不仅造成了巨大的经济损失，还加剧了粮食不安全和营养不良问题，对印度的农业可持续发展构成了严重威胁。

为了解决这些棘手问题，来自印度甘地格拉姆农村学院（The Gandhigram Rural Institute - Deemed to be University）等研究机构的研究人员展开了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种太阳能光伏（PV）驱动的微冷存储（MCS）系统，并将其与电动汽车（EV）进行无缝集成，期望借此有效减少易腐农产品在运输过程中的产后损失。

这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，具有重要的意义。它为解决农产品产后损失和冷链运输难题提供了新的方向和技术支持，有望推动农业供应链向更加可持续、高效的方向发展，对实现可持续发展目标（SDG）中的相关目标，如确保清洁能源的可及性（SDG 7）、促进负责任的消费和生产（SDG 12）等，具有积极的促进作用。

研究人员为开展此项研究，采用了多种关键技术方法。在实验样本选择上，选用了典型的易腐农产品葡萄（Vitis vinifera）。通过构建实验系统，利用 100 W_P多晶太阳能光伏模块、12 V/8A 太阳能充电控制器和 12 V/40Ah 电池储能系统为 12 L 容量的热电冷却器供电。采用数据记录器（以一分钟为采样间隔）和 k 型热电偶精确测量温度。运用微生物负荷估计的系统实验分析方法，通过平板涂布技术，以每毫升菌落形成单位（CFU）来量化细菌、真菌和酵母的数量。

实验结果

1. 生理失重结果：研究人员对葡萄样本进行了为期一周的存储实验，对比了 MCS 系统和环境存储条件下葡萄的物理特性变化。结果显示，MCS 系统在控制葡萄重量减少方面表现卓越，相比环境存储，MCS 系统能够有效控制约 86.7% 的重量减少，极大地保持了葡萄的新鲜度和品质。
2. 电气和热性能结果
   • 长期存储分析（一周）：对 MCS 系统进行较长时间的制冷测试，发现其在连续运行方面存在挑战。由于热电（TE）模块固有特性、低性能系数（COP）、有限的日照时间以及电池备份等问题，实验中夜间需采用传统制冷技术替代。系统整体功率利用率约为 55 W ，通过 12 V/10A 太阳能充电控制器持续向系统输入 12 V/5A 的平均功率，采用最大功率点跟踪（MPPT）技术可更好地利用太阳能。系统的 COP 范围为 0.03 - 0.7，冷却能力为 38.88 W - 58 W ，在最佳工作点可达到最大 COP 为 0.21，冷却能力（Q_C）为 11.23 W。
   • 短期存储（六小时）分析：在六小时的实验中，利用电动汽车（EV）的屋顶太阳能光伏和牵引电池为系统供电，确保了系统的不间断运行。12 V/5A 的功率容量搭配 50 Ah 的电池存储单元，足以支持系统独立运行六小时。实验结果表明，MCS 系统可在 30 分钟内达到适宜农产品存储的温度范围（+2°C 至 + 8°C） ，且热性能稳定。
   
   
3. 微生物负载估计研究结果
   • 长期存储实验：对存储一周的葡萄样本进行微生物负载估计，结果显示，在环境存储的葡萄浆果中，细菌、真菌和酵母的数量明显多于 MCS 系统存储的样本。具体而言，环境存储下葡萄浆果的细菌、真菌和酵母的平均菌落形成单位分别约为 657×10⁷ CFU/ml、63.33×10⁴ CFU/ml 和 46.66×10⁵ CFU/ml ，而在 MCS 系统存储下，相应的数值分别约为 60×10⁷ CFU/ml、3.33×10⁴ CFU/ml 和 0.66×10⁵ CFU/ml ，MCS 系统对微生物生长的控制效果显著。
   • 短期存储实验：对存储六小时的葡萄样本进行分析，发现环境存储的葡萄浆果中细菌、真菌和酵母的数量依然较多，而 MCS 系统存储的样本中细菌数量明显减少，平均菌落形成单位约为 16.66×10⁷ CFU/ml ，且几乎未检测到真菌和酵母生长。
   
   

研究结论与讨论

综合上述研究结果，太阳能驱动的 MCS 系统在控制农产品微生物生长、延长农产品保质期方面表现出色，为农产品的 “最后一公里” 物流和市场连接提供了有效的解决方案。该系统利用太阳能为 MCS 单元和电动汽车供电，减少了对化石燃料的依赖，降低了温室气体排放，推动了可持续交通系统的发展。同时，PV 驱动的 TE 系统实现了农产品在存储和运输过程中的高效环保冷却，对提升农产品质量和价值具有重要意义。

然而，该集成系统也存在一些局限性。例如，达到设定温度所需时间较长，存在安全隐患，电动汽车的运行范围也受到限制。为解决这些问题，需要开发有效的电池管理系统和强大的安全功能，同时部署先进的 DC - DC 转换器系统，结合传统的快速充电基础设施，以确保在太阳能发电不足时系统仍能稳定运行。

总体而言，这项研究为解决农产品产后损失和冷链运输问题提供了创新思路和实践依据。未来的研究可以在此基础上进一步优化 MCS 系统，拓展其适用的农产品种类，提高热电模块效率，探索混合能源解决方案，结合其他保鲜技术，并评估系统的经济可行性和可扩展性，以推动该技术在农业领域的广泛应用，为全球粮食安全和可持续发展做出更大贡献。