离网型太阳能光伏热电冷却系统开发用于可持续鱼类保鲜

《Scientific Reports》：Development of an off-grid solar photovoltaic thermoelectric cooling system for sustainable fish preservation

　　

在捕鱼过程中保持鱼类冷藏可显著提升鱼类的质量与安全。该过程高度依赖传统及工业方法，其中大多数方法对小规模渔民成本较高，部分方法效果有限，且依赖化石燃料从而产生温室气体（GHG）排放。因此，鉴于其可行性及减少温室气体排放的潜力，转向受控的清洁太阳能是必要的。因此，本研究旨在评估太阳能（SE）的利用，以开发一种基于热电冷却原型、由太阳能光伏系统供电的太阳能冷却单元（SCU），用于捕鱼过程中的鱼类保鲜。冷却室、换热器、Peltier模块（PMs）、太阳能供电单元及控制单元被视为所设计SCU的主要组成部分。结果表明，使用三PM配置在最高比能耗0.079 kWh/kg下实现了SCU内部最大温降4 oC，且最小性能冷却系数值为0.039。此外，根据Monte Carlo统计分析，双PM与三PM相对于单PM的相对冷却性能改善值分别为67%和108%。同时，经济可行性研究指标显示，配备三PM的所开发SCU在经济上最具优势，提升了最短投资回收期至0.15年。此外，稳健的Monte Carlo模拟揭示，在动态现场条件下，三PM设置在维持关键保鲜温度（Tcool≤7 oC）方面提供76.2%的成功概率。研究结果表明热电模块在改进直接冷却方法方面具有高潜力。然而，该冷却系统的未来应用关键在于新型更高转换效率热电材料及更高效系统的发现与开发。

该研究围绕埃及小规模渔民在捕鱼过程中鱼类保鲜难、传统冰块及工业制冷成本高且依赖化石燃料产生温室气体排放的问题展开。埃及渔业在社会文化中占重要地位，2022年为全球第六大水产养殖生产国，但渔民普遍使用加盐冰块保鲜会改变鱼肉风味，工业系统能耗高且不适应小规模作业。为此研究人员开发一种由太阳能光伏供电的离网型太阳能光伏热电冷却系统（SCU），以清洁太阳能替代传统能源，实现4至8 oC的适宜鱼类保鲜温度，并通过性能测试与经济分析验证其可行性与可靠性，论文发表于《Scientific Reports》。

为开展研究，研究人员采用几个主要关键技术方法：实验在埃及亚历山大省Sabahia农业工程研究所测试站进行，每批次使用20 kg新鲜鱼类作为测试样本；开发的SCU由冷却室、翅片管式换热器、Peltier模块（TEC1-12706型PM）、300 W太阳能光伏单元及基于合金钢恒温器的控制单元构成；性能评估计算总能耗（TEC_SCU）、比能耗（SEC）、冷却效率（η_scu）及系统性能系数（CP_SCU即COP_system）；采用Type B不确定度分析依据GUM方法论；通过N=10,000次迭代Monte Carlo模拟在Google Colab中用Python分析稳态温度差ΔT分布、90%置信区间及维持T_cool≤7 oC的概率；经济分析依据当地物价计算初始成本、年维护成本（15% PC_SCU）、残值（20% PC_SCU）及投资回收期。

结果与讨论

环境条件结果显示太阳能辐射强度从早晨约191–228 W/m2升至峰值882–939 W/m2再下降，环境温度从28–31 oC升至34–35 oC后降低，相对湿度呈反向变化，风速半增至4.5 m/s，这些环境条件直接影响光伏发电与SCU表现。满负荷20 kg鱼的热拉降测试表明三PM配置约需4小时达到平均稳定6 oC，三PM实现最大温降至4–8 oC，双PM为10–14 oC，单PM为18–21 oC，温降百分比分别为86.21%、64.29%、33.33%，仅三PM满足鱼类保鲜安全阈值。

不确定度指标

依据GUM进行Type B不确定度分析，三PM配置冷却室温度T_cool均值5.91 oC，扩展不确定度±1.88 oC（k=2），真实值位于4.03–7.79 oC，满足T_cool≤7 oC标准；ΔT通过误差传播计算，K型热电偶（IEC 60584-1 Class 1）精度±1.5 oC导致u_B=0.87 oC，为主要不确定度来源。

Monte Carlo统计参数分析

稳态统计参数单PM（μ=19.36 oC, σ=1.03 oC）、双PM（μ=11.73 oC, σ=1.27 oC）、三PM（μ=5.91 oC, σ=1.22 oC）定义正态分布抽样；三PM平均ΔT=26.55 oC较单PM提升108.6%，双PM提升62.9%；概率密度函数显示三PM显著低于7 oC阈值；90%置信区间三PM为3.5–8.4 oC无重叠证明统计差异；时序上三PM维持ΔT≥20 oC；三PM达成T_cool≤7 oC的概率为76.2%，单双PM显著更低。

成本分析

SCU初始成本182 USD，年维护27.3 USD，年产720 kg冷藏鱼（日均3 kg×240天），冷藏鱼售价2 USD/kg；每千克冷藏鱼成本CCF_kg为0.1 USD（约3.52埃及镑），投资回收期仅0.15年，三PM配置经济最有利。

结论（翻译研究结论部分）

本文提出了一种基于利用太阳能优化SCU热性能以在捕鱼期间保存鱼类的清晰方法。此外，一个通用的计算模型使用Monte Carlo统计分析，模拟任何情况下任何冷却系统的行为，重点关注不同因素的影响，如ΔT比较、Monte Carlo分布、置信区间、时间行为、相对性能改善和临界温度概率。同时，经济分析也侧重于太阳能冷却模型和投资回收期的可行性。尽管研究存在一些局限性，例如仅在埃及8月进行测试，但埃及全年阳光充足，鼓励该技术的更广泛采用。虽然研究仅使用一种鱼类测试该技术，但这对其在更广泛鱼类物种中潜在应用是一个良好指标。结果表明，使用三PM配置在最高比能耗0.099 kWh/kg下实现了SCU内部最低温降4 oC，以及最小值为0.036 kWh/kg的最小能耗系数。单PM冷却系统记录了最高性能冷却系数0.055，其次是双PM和三PM冷却系统，值分别为0.043和0.036。Monte Carlo统计分析显示，相对于单PM，双PM和三PM的相对冷却性能改善值分别为67%和108%。这些发现进一步得到SCU可行性研究和投资回收期的支持。结合三个Peltier元件的SCU实现了0.15年的低投资回收期。这促进了该技术的传播，适用于小规模渔民，并通过依赖清洁太阳能减少温室气体排放来保护环境。在不同负载下开发和测试该单元，使用多种鱼类物种，在不同操作条件下（夏季和冬季），以及对大多数鱼类冷却系统进行对比研究，还将进行详细研究以估算使用不同鱼类冷却系统产生的温室气体排放，是本研究的未来调查和该技术向多样化利益相关者部署的最重要建议。

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