新型光谱分光太阳能温室屋顶系统：含颗粒气流双覆盖层的实验验证与模型优化及其在节能减排中的应用

本文创新性地提出一种基于光谱分光（SBS）与颗粒气流循环的双覆盖层温室屋顶系统（APSP），通过将太阳光谱分为植物活性光谱（PAS, 300～800 nm）和热活性光谱（HAS, 800～1500 nm），实现作物生长与热能收集的协同调控。实验表明APSP系统可降低温室制冷负荷32%、采暖负荷18%，总太阳能利用效率达57.2%，同时具备优异的经济性（投资回收期1.03年）。该系统为高能耗温室提供了兼具光谱管理与热调控的一体化解决方案。

　　

亮点解析

本研究首次将光谱分光薄膜（SSF）与含聚苯乙烯黑色颗粒的气流循环系统集成于双层覆盖结构中，实现太阳光谱的智能分配：植物生长所需的PAS波段（300-800 nm）高效透射，而产热为主的HAS波段（800-1500 nm）被颗粒流吸收转化。通过光热协同管理，显著提升温室能源利用效率。

颗粒选择

采用低密度、高HAS吸收率的黑色聚苯乙烯球形颗粒，通过偏振显微镜（OLYMPUS GX71）测定粒径分布，紫外-可见-近红外漫反射系统（SHIMADZU UV-3600）表征光学性能。优选粒径1.18 mm（D_1.2）、单位面积颗粒数4.54×10⁵个/m²的配置，实现92.1%的HAS吸收率与25.0%的作物生长系数（G）。

APSP数值模拟

建立光学传输与一维瞬态热性能模型，重点评估颗粒直径（D）、单位面积数量（N）及流速（u_P）对系统性能的影响。采用高透光刚性PMMA板（厚度6 mm）构建密封实验系统，确保模型验证的准确性。

APSP性能表现

室内光学测试与户外光热实验表明：在颗粒流速8 m/s、流体层厚度20 mm时，APSP的PAS平均透射率达20.9%，HAS吸收率92.1%，光热性能模型相对误差仅4.8%。冬季夜间填充95%颗粒时，传热系数降低5.0 W·m^-2·K^-1。

经济性分析

基于投资成本、运维费用及替代天然气的节能收益，计算得出APSP系统投资回收期（PBP）为1.03年，10年生命周期内的平准化能源成本（LCE）低至0.034 $/kWh，凸显其商业化应用潜力。

结论

APSP系统通过光谱分光与颗粒流热收集的协同设计，实现了温室生产与能源回收的双重目标。模型与实验数据高度吻合（光性能RMSE 2.7%-5.4%），为低碳农业提供了创新性屋顶解决方案。