基于热电制冷技术的营养液温控系统的研究

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      植物根际温度对其水分代谢、矿物质吸收、植物激素代谢、生长发育、光合作用等具有显着影响,根系对高温逆境的胁迫表现最为敏感,尤其是吸收根。Adams等研究认为,在番茄营养液膜无土栽培中,当根际温度保持在12~24℃范围内条件下,其植株干质量、叶面积和果实产量随营养液温度的升高而增加。

      目前国内主要采用地下水、加冰、电热管加热以及加大营养液槽的体积等措施控制营养液的温度。

      夏季,利用地下水降温虽然能够有效控制营养液的温度,但对地下水浪费严重,且受地理环境因素的制约;采用加冰的方法即不易于实现对营养液温度的控制,也易对周边环境造成污染。冬季,采用电热管加热虽然能够满足植物生长的要求,但加热一段时间后,加热棒表面出现Cat+,Mgt+离子的结垢,势必引起营养液成分的变化川。研究一种节能、高效的营养液温度控制系统具有现实意义。

      热电制冷技术已经广泛地应用于医疗、航空航天、潜艇、船舶、家电等多个领域,但在农业生物环境控制领域的应用很少。笔者针对单株番茄树特种栽培营养液温度控制中存在的问题,研究开发了一套热电制冷温控系统,以解决植物栽培中营养液夏季降温和冬季加温的问题。

      1 热电制冷器的工作原理

      热电制冷器的基本元件是P型和N型半导体元件连接而成的热电偶对。如图1所示,当热电偶对中通以电流后,电子和空穴分别从金属片3流入N和P型半导体,产生电子一空穴对时吸收的热量大于通过金属片3时产生的热量,使金属片3与P和N型半导体结合处的温度降低,电绝缘层1成为冷端,物体2被冷却。当电子和空穴从N和P型半导体流入金属片5时,电子和空穴结合放出的热量大于带走的热量,使金属片5和P,N型半导体的结合处的温度升高,电绝缘层6成为热端,物体8被加热。所以热电偶对在冷端吸收周围介质的热量,实现制冷;在热端散发热量,加热与之接触的物体。电流方向改变,冷、热端互换。实际使用时通常把几个或上百个热电偶对连接在一起,并加工成片状,称为热电制冷器或热电制冷片。

    热电制冷器工作原理图

      2 试验材料及方法

      2.1 温室

      试验温室为中国农业大学水利与土木工程学院楼顶玻璃温室。南北跨度7.3m,东西长度23.2m;温室覆盖材料为双层玻璃;顶部设置天窗自然通风;温室内设置内保温幕,外置遮阳幕;南面安装风机,北面安装湿帘,用于夏季温室降温。

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