基于熱電制冷技術(shù)的營養(yǎng)液溫控系統(tǒng)的研究

引言

　　植物根際溫度對(duì)其水分代謝、礦物質(zhì)吸收、植物激素代謝、生長發(fā)育、光合作用等具有顯著影響，根系對(duì)高溫逆境的脅迫表現(xiàn)最為敏感，尤其是吸收根。Adams等研究認(rèn)為，在番茄營養(yǎng)液膜無土栽培中，當(dāng)根際溫度保持在12~24℃范圍內(nèi)條件下，其植株干質(zhì)量、葉面積和果實(shí)產(chǎn)量隨營養(yǎng)液溫度的升高而增加。

　　目前國內(nèi)主要采用地下水、加冰、電熱管加熱以及加大營養(yǎng)液槽的體積等措施控制營養(yǎng)液的溫度。

　　夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營養(yǎng)液的溫度，但對(duì)地下水浪費(fèi)嚴(yán)重，且受地理環(huán)境因素的制約；采用加冰的方法即不易于實(shí)現(xiàn)對(duì)營養(yǎng)液溫度的控制，也易對(duì)周邊環(huán)境造成污染。冬季，采用電熱管加熱雖然能夠滿足植物生長的要求，但加熱一段時(shí)間后，加熱棒表面出現(xiàn)Cat+,Mgt+離子的結(jié)垢，勢必引起營養(yǎng)液成分的變化川。研究一種節(jié)能、高效的營養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　熱電制冷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個(gè)領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)生物環(huán)境控制領(lǐng)域的應(yīng)用很少。筆者針對(duì)單株番茄樹特種栽培營養(yǎng)液溫度控制中存在的問題，研究開發(fā)了一套熱電制冷溫控系統(tǒng)，以解決植物栽培中營養(yǎng)液夏季降溫和冬季加溫的問題。

　　1 熱電制冷器的工作原理

　　熱電制冷器的基本元件是P型和N型半導(dǎo)體元件連接而成的熱電偶對(duì)。如圖1所示，當(dāng)熱電偶對(duì)中通以電流后，電子和空穴分別從金屬片3流入N和P型半導(dǎo)體，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)吸收的熱量大于通過金屬片3時(shí)產(chǎn)生的熱量，使金屬片3與P和N型半導(dǎo)體結(jié)合處的溫度降低，電絕緣層1成為冷端，物體2被冷卻。當(dāng)電子和空穴從N和P型半導(dǎo)體流入金屬片5時(shí)，電子和空穴結(jié)合放出的熱量大于帶走的熱量，使金屬片5和P,N型半導(dǎo)體的結(jié)合處的溫度升高，電絕緣層6成為熱端，物體8被加熱。所以熱電偶對(duì)在冷端吸收周圍介質(zhì)的熱量，實(shí)現(xiàn)制冷；在熱端散發(fā)熱量，加熱與之接觸的物體。電流方向改變，冷、熱端互換。實(shí)際使用時(shí)通常把幾個(gè)或上百個(gè)熱電偶對(duì)連接在一起，并加工成片狀，稱為熱電制冷器或熱電制冷片。

　　2 試驗(yàn)材料及方法

　　2.1 溫室

　　試驗(yàn)溫室為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃；頂部設(shè)置天窗自然通風(fēng)；溫室內(nèi)設(shè)置內(nèi)保溫幕，外置遮陽幕；南面安裝風(fēng)機(jī)，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。