王立舒，党舒俊，苏继恒，侯瑞雯，李 莹，刘 爽



热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率

王立舒，党舒俊，苏继恒，侯瑞雯，李 莹，刘 爽

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

为解决光伏电池板接收太阳辐射发电时板面温度上升导致光电转换效率下降的问题，该文通过温差发电技术对光伏电池板进行主动冷却；同时为解决温差发电技术因温差较小时热电转换效率低下的问题，引入热开关对装置进行控制，并采用扁平热管作为传热单元，利用水对流为系统进行冷却。为测试基于热开关的光伏/温差联合发电装置的性能，分析了不同光辐射强度、不同板面温度、以及不同冷端温度对系统的影响，并搭建试验平台，对联合发电装置进行试验研究。结果表明，装置联合发电效率高于单独一种发电方式的效率，实现了能量的梯级利用。在对装置进行瞬时性能测试期间，发电效率最高达到19.45%，发电功率最大达到32.15 W。在6 d全天性能测试期间，联合发电装置的平均发电效率为17.72%，最高可达18.37%。所获电能基本可以满足农业温室大棚检测系统、远程传感器的供电要求。

光伏；发电；温差；热开关；扁平热管

0 引 言

光伏电池吸收太阳辐射能进行发电，只能利用太阳光谱中波长较短的部分，而其余大部分能量都会以热能的形式存储在光伏电池中，使得光伏电池板面的温度持续上升，导致光电转化效率的下降[1-2]。若光伏组件长期处于高温状态，板面就会变黄开裂，导致使用寿命减短[3]。因此，光伏电池冷却技术尤为关键[4]。在过去的几十年里，已经提出了几种主动和被动的冷却方法，Royne等[5]对各种冷却方法进行了全面的综述。在各种被动冷却的方法中，光伏系统的热量都被排斥到了外部环境，而主动冷却的方法却可以将系统的废热进行二次利用，其中光伏/热电（photovoltaic/thermoelectricity，PV/TE）这种方式潜力巨大，可以同时实现光电转换与热电转换[6-9]。

近几年来，温差发电技术在低品位废余热的回收与利用方面展现出了巨大的潜力，而系统发电效率的提升是该技术推广的关键[10-11]。Van Sark[12]提出了PV/TE联合系统的概念，利用温差发电器（thermoelectric generator，TEG）收集光伏系统产生的废热进行发电。Hamidreza Najafi等[13]对PV/TE系统进行了仿真，并在夏季条件下对系统进行了测试与评估，但针对季节内的天气变化与季节变化明显的北方地区，单独的PV/TE系统难以发挥应有的作用。Kossyvakis等[14]采用不同的太阳能电池材料，分别与几种不同几何形状的热电单元进行测试来寻找发电效率理想的最佳组合。但在以上研究中，光伏电池刚开始接收太阳辐射板面温度不高，或板面温度趋于环境温度时，温差过小使得TEG发电效率过于低下，不仅影响TEG的使用寿命，而且降低了输出的电能质量。苟小龙等[15]针对温差发电系统因热源波动而造成性能下降问题，采用了热开关对系统加以控制，保证了输出的稳定性。

因此本文引入热开关的思想来实现对PV/TE联合发电装置的控制，在实现能量梯级利用的同时[16]，提升装置的发电效率、增强装置的环境适应性，并使输出电能相对稳定。最后搭建试验平台，对装置的性能进行测试研究。

1 装置整体结构

1.1 联合发电部分的组成及工作原理

该装置主要包括光伏电池板、TEG组、热开关部分、冷却部分、储能装置等，整体结构如图1所示。光伏电池板接收太阳辐射发电的同时，也开始蓄热，电池板大小为520 mm×420 mm（长×宽）。托架上依次放置的是TEG组与扁平热管，与积聚热量后的电池板组成联合发电装置。TEG组由18个半导体材料为锑化铋的热电模块串并联混合组成，其中每个TEG的大小为40 mm×40 mm× 3.8 mm（长×宽×高），选择6个TEG串联为一组，然后3组并联组成TEG组放在热管上，TEG左右间距为40 mm，上下间距30 mm，如图2所示。水箱与扁平热管组成联合发电装置的散热部分，TEG冷端固定在热管蒸发段，而热管冷凝段采用硅酮胶固定密封于冷却水箱内，热管蒸发段为480 mm×240 mm（长×宽），冷凝段为300 mm× 240 mm（长×宽）。水箱为300 mm×300 mm（长×宽），内部流动的水带走热管上绝大部分热量，降低TEG组的冷端温度，从而产生较大的温差。托架为850 mm×400 mm（长×宽），用以托撑装置。

1. 光伏电池板 2. 温差发电器组 3. 扁平热管蒸发段 4. 扁平热管冷凝段 5. 水箱 6. 进水口 7. 出水口 8. 托架 9. 发电系统控制器 10. 储能装置 11. 开关传动装置 12. 开关系统控制器 13. 支撑架

图2 温差发电器组

1.2 热开关的工作原理及设计

光伏电池板在接收太阳辐射过程中，不仅充当着发电单元，也是蓄热体和传热体。作为蓄热体，电池板接收太阳辐射的同时，热量in不断聚积，板面温度升高；作为传热体，可以与TEG组相接，将聚积的热量向下传递。此外，当光伏电池刚开始接收太阳辐射，板面温度不高或板面温度趋于环境温度时，传递的热量所产生的温差难以满足TEG的需求，使其发电效率过于低下，此时就不需要TEG组进行主动冷却。因此，引入热开关对发电装置进行控制，其原理图如图3所示。

当PV≥on（预设值）时，热开关闭合，Q＞0，板面向TEG组传递热量，温差模块开始发电；相反，当PV＜off（预设值）时，开关断开，t≈0。在开关闭合期间，电池板面向下传递热量，自身温度相对下降，不仅提高了光伏发电效率，也延长了电池的使用寿命。如此循环，温差发电模块也只在预定的on～off温度区间内工作，高效且稳定[17]。

该热开关部分主要包括传送带、主从动齿轮、啮合齿轮组、电机等，结构如图4所示。

注：Qin为光伏电池板积聚的热量；Qt为传递到温差发电模块的热量；TPV为光伏电池板温度；Ton为热开关闭合温度；Toff为热开关断开温度；PPV为光伏发电功率；PTEG为温差发电功率；Phybrid为装置整体输出功率。

1. 支撑架 2. 传送带 3. 托板 4. 主动齿轮 5. 啮合齿轮组 6. 电机 7. 控制器 8. 从动齿轮

将传送带与主、从动2个齿轮嵌在一起，固定在支撑架的上下两端，上端为从动齿轮，下端为主动齿轮。主动齿轮通过连接杆与啮合齿轮组连接，控制器控制电机转动带动啮合齿轮组[18]，热开关的托板与联合发电装置的托架相固定，由此实现温差发电模块与光伏发电模块之间的调距功能，亦称为开关功能。

1.3 冷却装置的设计及工作原理

装置冷却部分的功能是为温差发电模块的冷端进行降温，研究中采用水冷对装置进行散热。这种散热方式能够保证冷端温度的稳定性，从而稳定模块的输出功率。为使装置的散热性能更加良好，设计中选取了扁平热管来加强传热。

热管是利用毛细作用及自身内部液体工质的相变来高效传热的元件。其中热管的高温处称为蒸发段（evaporator），低温处称为冷凝段（condenser）。

热管的工作原理如图5所示。热流由高温处穿过金属管壁进入毛细吸液芯中，毛细吸液芯内的工作液受热蒸发。蒸发后的汽体汇聚到中空管内，同时在压力差的作用下由高温处向低温处流动。当汽体到达低温处时便开始冷凝将热量放出，此过程中，热量由汽体穿过毛细吸液芯、液态工质及金属管壁而传入冷凝段变为液态，而后自冷凝的液态工质在毛细吸液芯的作用下流回蒸发段完成下一个循环，热量便由高温处传到了低温处[19]。

1. 蒸汽 2. 液体 3. 吸液芯 4. 热管管壳 5. 蒸发段 6. 冷凝段

如表1所示，设计中所采用的扁平热管与常规热管相比，在相同流速情况下换热系数大、换热效率高。除此之外，还具有良好的管外流动性能，阻力小、体积小、结构紧凑等优点[20]。

表1 管外平均换热系数

基于以上分析，本文选择扁平热管作为温差发电模块的换热单元，将温差发电片表面均匀涂抹导热硅胶贴于扁平热管蒸发段，并将冷凝段置于水箱内实现装置的散热功能。

2 联合发电系统的数值分析与仿真

2.1 数学模型

假设从温度上升至热开关闭合，再到温度下降热开关断开后的一段时间内为一个周期。

基于热开关的光伏/温差联合发电系统的总体发电效率为

周期的时间段为12；在onoff时间段：热开关闭合，=1；在1on、off2时间段：热开关断开，=0。

其中光伏电池发电功率PV（W）为

式中为太阳辐照度，W/m2；PV为光伏电池表面积，m2。

PV(GPV)为标准状态下光电转换效率[21]。

式中PV为光伏电池温度，K；ref取298(标准测试条件25 ℃，STC)，K；为效率温度系数，取0.004 5。

（12）内平均光伏发电效率：

温差电池发电功率(W)：

式中h，c分别为温差电池热、冷端温度，K；L为温差电池负载电阻，Ω；TEG为温差电池的塞贝克系数；TEG为温差电池的总内阻，Ω。

温差电池的热电转换效率表达式如式（6）[22]。

Carnot为卡诺效率，定义为式（7）。

onoff时段平均温差发电效率如式（8）。

式中PN为温差电池热阻，K/W，表达式为式（9）[23]。

式中TEG为温差电池导热率，W/(m2·K)；为温差电池组件中温差电偶的对数。

联合发电系统全天平均效率：

瞬时效率：

2.2 仿真结果与分析

结合表2和表3中的参数，利用Matlab进行数学模型求解，并对光伏电池及温差电池进行仿真分析。

表2 光伏电池参数

表3 温差电池参数

对光伏电池进行仿真[24-26]，光伏电池封装图如图6a所示。

注：V为输入电压；T为电池板面温度；S为光照强度； U为输出电压；I为输出电流；P为输出功率；U-I为电压-电流特性曲线；U-P为电压-功率特性曲线。其他参数具体数值见表2。

图6b中电池板面温度设定为25 ℃；图6c图中光照强度设定为1 000 W/m2。对图6b、6c进行分析，可以看出相同温度下，输出功率随光照强度的上升而提高；而光伏电池的最大功率点及输出功率随温度的升高而下降，由此看出电池板面温度的上升对发电影响较大。

对温差电池进行仿真[27-30]，温差电池封装图如图7a所示。

注：Th为温差模块热端温度；Tc为温差模块冷端温度；Td为冷热端温度差值；RL为负载电阻；η为热电转换效率；Td-I为温差-电流特性曲线；Td-U为温差-电压特性曲线；Td-P为温差-功率特性曲线；Td-η为温差-效率特性曲线。其他参数具体数值见表3。

从图7b中可以看出，随着温差不断地加大，输出功率不断提升；另外，在相同温差条件下，冷端温度越低，发电量越多，也就说明了温差发电过程中冷端散热的必要性，散热方法的改进也有助于提升系统发电量，所以本文选择了扁平热管作为传热单元，并采用水冷进行散热。

对光伏电池及温差电池的效率进行仿真分析，如图7c所示。设定温差为15 ℃时热开关闭合，与普通发电系统相比，带热开关的发电系统，其效率有所提升且工作区间相对高效。

热开关闭合后的联合发电系统与普通光伏发电系统的对比如图8所示。随着太阳辐照度的增加，发电效率均有所下降，但相比之下，联合发电系统的效率高于同等条件下的光伏发电系统。

图8 光伏发电系统与联合发电系统的对比

综合以上的仿真分析，带有热开关的PV/TE联合发电系统相较于单一的PV发电系统和TEG发电系统而言，发电效率及输出电能的稳定性都有所提升。

3 性能试验与结果分析

3.1 试验平台设计

本研究处于理论与试验分析阶段，选取的试验设备（光伏电池板、温差发电片等）的面积以及数量仅为完成此次试验研究。在试验环境下，搭建装置并进行性能测试，为下一步的研究以及实现产业化打下理论与实践基础。

本试验的测量地点为哈尔滨市香坊区东北农业大学（45°72′N，126°68′E），在2017年8月22日到8月27日对系统进行搭建并测试性能。测量的主要参数有：太阳辐照度、环境温度、光伏电池板温度、TEG热、冷端温度，对该装置的输出功率、光电转换效率、热电转换效率及PV/TE系统效率进行研究。系统测试装置连接示意图如图9所示。根据哈尔滨地区纬度与常年使用要求，将光伏电池板与水平面所成角度设定在40°～50°之间。

试验主要针对联合发电系统的电性能与热性能进行测试。T1～T3均匀布置在光伏电池板正面，测量结果的平均值作为光伏电池板的温度PV；T4～T5均匀布置在光伏电池板背面，测量结果的平均值作为TEG热端温度h；T6～T7布置在热管下表面，测量结果取均值作为TEG的冷端温度c；T8、T9布置在水箱的进水口，T10、T11布置在水箱的出水口，分别对工作流体进出口的温度wi、wo进行测量；并在水箱进水口装配转子流量计以读取冷却水流量并进行调节。装置的各部分温度经A/D转换后，同U/I监测数据传入STM32F407中，单片机与上位机之间选择无线连接的方式，最后无线接收模块将数据经RS-232串口通信上传至上位机，通过LabVIEW软件进行观测与记录。除此之外，热开关的断开与闭合由STM32F407控制，当PV≥on（295.5 K）时，热开关闭合，实现联合发电；当PV＜off（293.5 K）时，热开关断开，仅光伏电池进行发电，通过STM32F407的控制实现联合发电系统的高效与稳定。试验装置实物连接如图10a所示，LabVIEW监测界面如图10b所示。

注：T1～T11为K型贴片式热电偶。

图10 试验平台及监测系统

3.2 测试参数的计算分析

基于热开关的光伏/温差联合发电装置所获得的电能与相关效率通过以下公式计算。

光伏发电功率：

温差发电功率：

光伏发电效率：（通过公式（2）逆推）

温差发电效率：

基于热开关的光伏/温差联合发电功率及效率分别由式（1）及式（11）给出。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 基于热开关的PV/TE联合发电装置瞬时性能分析

从2017年8月27日上午08:00开始对装置进行试验，运行10 h，在下午18:00时结束。在试验期间内环境温度T的变化范围在287.5～301.24 K之间，光辐照度的变化范围在410.8～740.3 W/m2之间（图11）。

注：试验日期2017-08-27；系统冷却水流量为6.0 L·min–1；入水口冷却温度为288 K；下同。

在测试系统中，on设置为295.5 K，off设置为293.5 K。图12为试验期间发电装置各部分温度参数变化。试验的开始阶段，装置各部分表面温度与环境温度相近。随着光照强度的变化，试验装置温度曲线呈现先增加，然后趋于稳定，最后下降的趋势。其中光伏部分在热开关断开时（试验刚开始阶段），板面温度与环境温度大致相同，随着光照强度与环境温度的升高，板面温度不断上升。当热开关闭合后，光伏电池板热量向下传递，板面温度上升速率减缓，温差电池热端温度迅速上升，两者均在13:00左右达到温度最高点，光伏电池板面温度范围在288.8～319.6 K，温差电池温度范围在296.3～315.9 K（热开关闭合期间）；温差电池冷端温度在热管冷却的作用下大幅低于热端温度，但随着环境温度的上升略有升高，范围在286.4～298.5 K，总体变化幅度大不。

注：对TEG热端、冷端温度的测量仅在热开关闭合期间内，在热开关断开时并未对TEG模块进行测温。

图13a，13b分别给出了基于热开关的PV/TE联合发电装置的输出功率及发电效率随时间变化的曲线。光伏电池在测试期间一直无间断发电；当在08:30左右光伏板面温度达到on（295.5 K）时，热开关闭合，TEG开始发电，直至16:50左右板面温度下降到off（293.5 K），热开关断开，但TEG因热端留有余温会持续少量发电。

图13 光伏发电、温差发电、联合发电装置的发电功率及发电效率

试验开始阶段，随着光照强度的增加，光伏发电功率及效率逐渐上升；在光照强度较大的时间段，光伏电池板面温度过高，发电功率及效率有所下降；中午过后，由于太阳辐射入射角的变大以及光照强度的减弱，装置整体的发电功率及效率呈现较快的下降趋势。在试验测试阶段，光伏发电效率基本在15.5%～17.8%之间波动；瞬时功率在17.5～29.1 W之间波动。

在热开关闭合之后，温差发电单元热端接收到传递的热量，温差迅速提升，温差发电的功率及效率上升，之后随温度的变化上下波动。在测试阶段，温差发电效率在1.3%～1.68%之间波动；瞬时功率在1.2～3.1 W之间波动。

综合图12及13可知，在光伏电池板面温度达到最高的时候，虽然光伏发电的效率及功率有所下降，但温差发电单元功率及效率略微上升，所以装置整体的发电功率及效率波动不大。在整个联合发电装置中，光伏发电部分占比较大，所以装置整体发电曲线与光伏发电变化趋势类似。

联合发电装置的效率高于单独的光伏发电或温差发电，瞬时功率在17.05～32.15 W之间，在13:00左右效率为19.45%，达到最大值，不仅实现了能量的梯级利用，还提高了对太阳能的利用率。

3.3.2 基于热开关的PV/TE联合发电装置全天性能分析

在2017年8月22日到8月27日内对系统进行了为期6 d的全天观测，测试的内容主要包括：测试期间的太阳辐照量；测试期间的平均环境温度；装置各部分的平均温度；联合装置的发电量及效率。测试期间冷却部分水流速统一设置为6 L/min。表4为基于热开关的PV/TE联合发电装置的性能。由表4可知，在测试时间内，环境温度在292.0～296.2 K范围内变化；光伏电池平均温度在305.5～310.7 K范围内变化；温差电池热端平均温度在299.7～305.8 K范围内变化、冷端温度在286.5～291.5 K范围内变化；装置中光伏电池平均发电效率在15.92%～16.82%范围内变化、温差电池平均发电效率在1.20%～1.55%范围内变化、系统平均发电效率在17.12%～18.37%范围内变化。装置的发电效率波动不大，6 d的平均发电效率为17.72%。与不带有热开关的PV/TE系统相比，此设备的温差发电器的工作温度波动较小，使其在工作区间内可以稳定而高效地运行，在保护光伏电池板的同时，可以延长温差发电器的使用寿命，从而系统整体的工作性能也得到了提升。

表4 全天性能分析

注：a为测试期间的平均环境温度；wi为装置冷却水进口温度；PV为光伏电池平均温度；h为温差电池热端平均温度；c为温差电池冷端平均温度；PV为测试期间光伏电池的发电效率；TEG为测试期间温差发电的发电效率；hybrid为测试期间联合发电装置的发电效率。进水流量为6 L·min-1；表中对TEG热端、冷端温度的测试以及功率的计算均在热开关闭合期间。

Note:a: The average ambient temperature during the test;wi: System cooling water inlet temperature;PV: The average temperature of photovoltaic cells;h: The average temperature of TE’s hot end;c: The average temperature of TE’s cold end;PV: Efficiency of PV system;TEG: Efficiency of TE system;hybrid: Efficiency of PV/TE system. Water flow rate is 6 L·min-1; The testing of TEG hot and cold end temperatures and the calculation of power are shown in the table during the thermal switch closure.

4 结 论

本文提出的基于热开关的PV/TE联合发电装置，完成了光伏/温差的联合发电，实现了能量的梯级利用；通过设计的热开关系统对装置进行控制，完成了光伏发电模块与温差发电模块的贴合与分离，实现了装置在环境变化过程中的自适应调节；采用扁平热管作为传热单元，通过水自然对流给装置降温，实现了良好的散热功能。针对所设计的联合发电装置，首先建立了数学模型并对模型进行了仿真分析，然后在哈尔滨地区搭建试验平台并进行测试验证，得出以下结论：

1）本设计提出基于热开关的PV/TE联合发电装置，通过加入温差发电模块，将光伏电池板面的热量向下传递，提高了光伏发电的效率；同时传递的热量作为温差发电热端的温度来源，实现温差发电。联合发电装置的功率及效率高于单独的光伏或温差发电方式。

2）本设计提出的热开关装置，实现了光伏发电模块与温差发电模块的贴合与分离。通过热开关的控制，一方面解决了光伏板面温度升高而导致的效率下降，另一方面解决了温差发电模块因热端温度不足，温差较小而导致的温差发电效率过于低下从而器件损毁的问题。

3）通过建立数学模型并进行仿真分析，从低温端温度值影响角度来说，有效地的降低冷端温度或者维持冷端温度提高热端温度进而增加温差的方法也是提高发电效果的有效途径之一。本文设计的装置散热部分，应用扁平热管进行传热，提高了系统的发电量及效率。

4）对基于热开关的PV/TE联合发电装置进行了瞬时性能的测试，联合发电装置的功率最高可达32.15 W，效率最高可达19.45%；在全天性能测试中，装置的发电效率波动不大，6 d的平均发电效率为17.72%。通过数据可以看出，热开关的加入，不仅增强了装置环境适应性，也提升了系统的稳定性。

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Design of PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch and its improving efficiency of power generation

Wang Lishu, Dang Shujun, Su Jiheng, Hou Ruiwen, Li Ying, Liu Shuang

(150030,)

In order to solve the problem of inefficiency of photovoltaic conversion caused by temperature rise when photovoltaic cell panel generates the electricity after receiving solar radiation, the present paper discussed about a method that the thermoelectric power generation technology could cool down the photovoltaic cell panel, this method was a kind of active cooling mode. However, when the temperature difference between the hot side and cold side of thermoelectric generator was close to each other, the thermoelectric conversion efficiency was too low, which had a negative effect on the device. To solve the above problem, the thermal switch was adopted to control the equipment, the switch would close when the temperature of the photovoltaic cell panel reached the predetermined value, and the heat passed down. On the contrary, the switch was in the off state. Through the control of the thermal switch, the thermoelectric generator could work stably and efficiently in the working range. Meanwhile, it could also improve the adaptive capacity to environment of the device. At the same time, the flat heat pipe had been chosen as the heat transfer unit, using water convection to cool down the system. After cooling the photovoltaic cell panel, not only its temperature would decrease, but also the service life could be extended. On the other hand, the cold side temperature of the thermoelectric generator could also decrease. Firstly, the present paper analyzed the effect caused by different intensity of optical radiation, different panel temperatures and different cold side temperatures in the system. Secondly, the whole experimental platform of system had been established. Last but not the least, the hybrid power generation system had been examined so as to test the property of hybrid power generation equipment which was based on PV/TE (photovoltaic/thermoelectricity) of thermal switch. The result revealed that the efficiency of hybrid power generation equipment was higher than a single electricity generating method included the photovoltaic power generation mode and the thermoelectric power generation mode. At the same time, the gradient utilization of energy could be realized by the equipment. In view of the experimental equipment had been built, the performance of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was investigated in two different ways, including the instant property and full-day performance test. The instant property of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was tested during 08:00-18:00 on August 27, 2017. The results showed that the efficiency of power generation could reach the peak point of 19.45% and the output of power generation could reach the peak point of 32.15 W. The full-day performance of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was tested from August 22 to 27, 2017. The results showed that the average power generating efficiency of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch could reach 17.72% and its highest point could reach 18.37%. The test place was located in Northeast Agricultural University, Harbin. Finally, the test results showed the electricity acquired could basically meet the power supply needs of testing system of agricultural greenhouse and remote sensor.

photovoltaic; power generation; temperature difference; thermal switch; flat heat pipe

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025

TK514; TM615; TM617

A

1002-6819(2018)-14-0196-09

2018-01-11

2018-05-05

教育部春晖计划（Z2012074）；黑龙江省教育厅科技课题（12521038）

王立舒，教授，博士，博导。研究方向为农业电气化与自动化、电力新能源开发与利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

王立舒，党舒俊，苏继恒，侯瑞雯，李 莹，刘 爽. 热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率[J]. 农业工程学报，2018，34(14)：196－204. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Dang Shujun, Su Jiheng, Hou Ruiwen, Li Ying, Liu Shuang. Design of PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch and its improving efficiency of power generation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 196－204. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025 http://www.tcsae.org