基于CFD穩(wěn)態(tài)模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計(jì)算

云南師范大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ）年月卷期 （） ：基于穩(wěn)態(tài)模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計(jì)算郭騰騰 ，涂潔磊 ，盛鈺清 ，章威 ，張劉柱 ，徐曉壯 ，顏平遠(yuǎn) ，宋冠宇（云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所 ，云南省農(nóng)村能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，云南 昆明）摘要 ：采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （）技術(shù) ，對(duì) 型光伏玻璃溫室前坡面不同鋪設(shè)比例下的溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算 通過(guò) 軟件建立物理模型并劃分網(wǎng)格 ，導(dǎo)入到 軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算 ，計(jì)算后截取 和 高處的兩個(gè)橫切面計(jì)算其面平均溫度 比較分析模擬計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn) ，光伏組件在溫室前坡面鋪設(shè)比例的不同會(huì)對(duì)溫室內(nèi)部的溫度場(chǎng)造成影響 ，光伏溫室內(nèi)部的溫度場(chǎng)呈梯度分布 關(guān)鍵詞 ：；光伏溫室 ；溫度場(chǎng)中圖分類號(hào) ： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ： 文章編號(hào) ：（） 引言溫室設(shè)施與光伏相結(jié)合不但能解決傳統(tǒng)溫室由于能源供給帶來(lái)的選址限制 ，還可以解決光伏電站建造的土地制約問(wèn)題但是光伏溫室的主體依然是蔬菜作物 ，因此安裝有光伏電池組件的溫室內(nèi)部環(huán)境是否適合蔬菜作物生長(zhǎng) ，就顯得非常重要了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （）可以通過(guò)快速地改變和重組輸入條件 ，獲得溫室結(jié)構(gòu)特征 、外界的氣候條件以及作物生長(zhǎng)等參數(shù)對(duì)溫室內(nèi)部小氣候環(huán)境的影響基于的仿真模擬計(jì)算方法 ，在模擬預(yù)測(cè)溫室內(nèi)部的環(huán)境研究中 ，已經(jīng)被證明有很好的可靠性對(duì)于已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證的模型 ，一次數(shù)據(jù)輸入模擬就相當(dāng)于一次物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率 ，而且還減少了實(shí)驗(yàn)成本目前將技術(shù)應(yīng)用于光伏溫室的研究較少 ，孫迎龍等對(duì)自然通風(fēng)條件下的光伏玻璃溫室的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬 ，驗(yàn)證了用于光伏溫室模擬的可靠性 ，此外還對(duì)光伏玻璃溫室在自然通風(fēng)與強(qiáng)制通風(fēng)條件下的內(nèi)部溫度場(chǎng)以及氣流分布場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算本文以單脊的型光伏溫室為研究對(duì)象 ，通過(guò)穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算得到光伏玻璃溫室前坡面不同鋪設(shè)比例對(duì)溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響 光伏玻璃溫室內(nèi)部溫度模擬的物理模型所模擬光伏玻璃溫室的外部環(huán)境為昆明本地環(huán)境 ，經(jīng)度為東經(jīng)°，緯度為北緯°，氣壓，海拔 溫室東西走向 ，坐北朝南 ，長(zhǎng)度為，寬度，肩高，脊高，前后坡面傾角為°，此傾角為昆明地區(qū)光伏組件安裝最佳傾角溫室的四周維護(hù)結(jié)構(gòu)以及后坡面均采用浮法玻璃 ，前坡面為光伏雙玻組件圖為模擬計(jì)算光伏溫室的結(jié)構(gòu)圖 收稿日期：作者簡(jiǎn)介 ：郭騰騰 （），女 ，河北保定人 ，碩士研究生 ，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方面研究通信作者 ：涂潔磊 ：圖 模擬計(jì)算光伏溫室結(jié)構(gòu)圖 光伏玻璃溫室內(nèi)溫度模擬的數(shù)學(xué)模型以模擬實(shí)驗(yàn)光伏溫室的物理模型為基礎(chǔ) ，做適當(dāng)簡(jiǎn)化 ，利用面向分析的高質(zhì)量前處理器軟件 ，進(jìn)行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分 ，將畫好的網(wǎng)格導(dǎo)入到軟件中 ，通過(guò)有限體積法進(jìn)行求解計(jì)算圖為計(jì)算溫室劃分的網(wǎng)格圖圖 光伏溫室網(wǎng)格劃分圖 基本控制方程軟件是通過(guò)求解能量方程來(lái)計(jì)算傳熱問(wèn)題的 ，其形式為 ：（）!·（） !·!·（ ） （）式中 ，是有效導(dǎo)熱率 ，是組分的擴(kuò)散通量 ；等號(hào)右邊的前三項(xiàng)分別表示由于導(dǎo)熱 、組分?jǐn)U散和黏性耗散所產(chǎn)生的能量傳遞為源項(xiàng) ，包括化學(xué)反應(yīng)放 （吸 ）熱和其他用戶定義的熱源產(chǎn)生的熱量在式 （）中（）對(duì)于理想氣體 ，顯焓定義為（）對(duì)于不可壓縮氣體（）在公式 （）和 （）中 ，是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ，并且有 ：，（）其中 ，為對(duì)于涉及傳熱的問(wèn)題 ，根據(jù)用戶使用的模型和具體條件的設(shè)置 ，上面的能量方程 （）就會(huì)變換成與用戶設(shè)置相應(yīng)的方程軟件通過(guò)求解變換后的具體方程得到與傳熱計(jì)算相關(guān)的參量 湍流模型的確定雷諾數(shù)的計(jì)算公式為 ：（）式中 ：流體流動(dòng)的黏度 ，單位 ：·流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度 ，單位 ：；光伏溫室內(nèi)部氣體的流動(dòng)模型確定通常是根據(jù)氣體的雷諾數(shù)來(lái)定義的 ，雷諾數(shù)越大 ，意味著慣性力占主要地位 ，流體呈湍流流動(dòng)狀態(tài)一般雷諾數(shù) 為層流狀態(tài) ， 為湍流狀態(tài) ， 為過(guò)渡狀態(tài)通過(guò)計(jì)算 ，此光伏溫室的雷諾數(shù) ，符合湍流的流動(dòng)特征 輻射模型的確定求解傳熱問(wèn)題時(shí) ，輻射傳熱是作為源項(xiàng)加入到能量方程中的 ，在軟件中提供了五種輻射模型 ，分別為模型 、模型 、模型 、模型 、模型模型作為能夠求解所有光學(xué)深度區(qū)間的模型 ，內(nèi)存和計(jì)算開銷比較適中 ，也能用于計(jì)算半透明介質(zhì)輻射 ，相對(duì)于其他模型應(yīng)用性更強(qiáng) ，因此選擇輻射模型用于計(jì)算光伏溫室的內(nèi)部流場(chǎng) 光伏組件的能量計(jì)算模型光伏電池的轉(zhuǎn)化效率一般來(lái)說(shuō)是低于的 ，絕大部分的能量以熱能的形式轉(zhuǎn)化為光伏組件自身的溫度以及周圍環(huán)境的溫度尤其是在高輻射地區(qū) ，安裝在溫室屋頂上的光伏組件將極··云南師范大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ）第 卷大地影響溫室內(nèi)部的溫度流場(chǎng)所以在對(duì)光伏溫室屋頂安裝比例模擬之前 ，需要對(duì)光伏組件的物理特性進(jìn)行研究 ，建立雙玻光伏組件傳熱模型通常是將光伏組件分為前蓋板 、電池和后背板三個(gè)部分來(lái)考慮圖為光伏組件的熱交換結(jié)構(gòu)示意圖圖 光伏組件熱交換結(jié)構(gòu)示意圖 光伏組件不同鋪設(shè)比例設(shè)計(jì)安裝在光伏溫室屋頂前坡面的光伏組件對(duì)溫室內(nèi)部環(huán)境有著極大的影響光伏組件鋪設(shè)的多少直接影響溫室內(nèi)部的光和溫度分布 ，從而影響植物的光合作用因此對(duì)光伏組件不同鋪設(shè)比例下的溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì)是具有現(xiàn)實(shí)意義的 ，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)最適宜作物生長(zhǎng)的光伏組件鋪設(shè)比例本文以較為常見的雙玻組件為例 ，對(duì)光伏溫室前坡面鋪設(shè)光伏組件進(jìn)行模擬仿真分析光伏玻璃溫室的長(zhǎng)為，寬為，前坡面面積為，每塊光伏電池的尺寸為 ××為了客觀準(zhǔn)確的評(píng)估比較不同鋪設(shè)面積對(duì)光伏溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響 ，光伏組件的排布只考慮直線型排布 ，以此為基礎(chǔ)來(lái)調(diào)整光伏組件的鋪設(shè)比例圖展示了直線型排布的示意圖圖 直線型排布的示意圖 為了更好地研究討論光伏組件對(duì)溫室內(nèi)部溫度的影響 ，決定選用月日正午作為模擬仿真的時(shí)刻查閱氣候資料 ，昆明月正午溫度平均達(dá)到左右 ，因此在計(jì)算中將環(huán)境溫度設(shè)為而這一時(shí)刻的太陽(yáng)輻射通過(guò)中的太陽(yáng)加載模型計(jì)算得到由于溫室的門也是浮法玻璃 ，因此在計(jì)算中將門設(shè)置為的邊界條件 ，沒(méi)有再做單獨(dú)處理模型中的物質(zhì)屬性和各邊界條件如表中光伏溫室相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù)依據(jù)表的設(shè)置 ，分 別 對(duì)、九種不同鋪設(shè)面積的直線型排布進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算并選取高度分別為的作物區(qū)域和的屋頂區(qū)域兩個(gè)橫切面作為溫度監(jiān)測(cè)面 ，求其平均溫度表 光伏溫室相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù) 項(xiàng)目 空氣 浮法玻璃 光伏玻璃 土壤密度 · 比熱容 ·· 導(dǎo)熱系 · 吸收系數(shù) 散射系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù) 發(fā)射率 邊界類型 熱對(duì)流壁面 耦合壁面 溫度壁面··第 期郭騰騰 ，等 ：基于 穩(wěn)態(tài)模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計(jì)算利用軟件模擬光伏溫室、九種前坡面直線型鋪設(shè)面積的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖所示由圖可知 ，當(dāng)前坡面鋪設(shè)面積為時(shí) ，高度處的橫截面的平均溫度最高 （），當(dāng)前坡面鋪設(shè)面積為時(shí) ，高度處的橫截面的平均溫度最低 （），但最高溫度與最低溫度之差不大 ，基本可以忽略不計(jì) ，也就是說(shuō)在光伏組件直線型鋪設(shè)在光伏溫室前坡面時(shí) ，其鋪設(shè)面積的多少對(duì)于溫室作物區(qū)域的溫度影響不大 ，溫度 分 布 基 本 保 持 均 勻 分 布 ，溫 度 維 持 在的范圍內(nèi)但是這也超過(guò)了大多數(shù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳溫度 ，需要開啟降溫系統(tǒng) ，將光伏溫室作物區(qū)域控制在之間 ，從而提高作物的生長(zhǎng)質(zhì)量 ；當(dāng)前坡面鋪設(shè)面積為時(shí) ，高 度處 的 橫 截 面 的 平 均 溫 度 最 高（），當(dāng)前坡面鋪設(shè)面積為時(shí) ，高度處的橫截面的平均溫度最低 （），最高溫度與最低溫度之差較大 ，在光伏組件直線型鋪設(shè)在光伏溫室前坡面時(shí) ，鋪設(shè)面積的多少對(duì)光伏溫室高度處的溫度影響較大 ，考慮該區(qū)域位于溫室的頂部距離作物生長(zhǎng)區(qū)域較遠(yuǎn) ，故高溫對(duì)于作物的生長(zhǎng)影響不大 ，但是溫度過(guò)高會(huì)影響光伏組件的發(fā)電效率 ，因此還是需要開啟降溫系統(tǒng)適當(dāng)降溫綜合考慮 ，會(huì)發(fā)現(xiàn)光伏溫室高度處和處的橫截面平均溫度有明顯的溫度差 ，光伏溫室內(nèi)部存在溫度梯度分布的情況 ，對(duì)此可以將溫室劃分成不同的溫度層 ，將不同溫度需求的作物種植于不同的溫度層內(nèi) ，實(shí)現(xiàn)光伏溫室立體種植 ，節(jié)約土地資源 ，增產(chǎn)創(chuàng)收?qǐng)D 和 處的截面平均溫度對(duì)比圖 結(jié)論對(duì)光伏溫室前坡面不同鋪設(shè)比例的光伏溫室內(nèi)部溫度場(chǎng)模擬計(jì)算 ，通過(guò)截取不同的觀測(cè)層面 ，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論 ：（）光伏組件的不同鋪設(shè)比例確實(shí)會(huì)對(duì)溫室內(nèi)部的溫度場(chǎng)造成影響 ；（）相同排布比例下光伏內(nèi)部的溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)梯度分布 ；（）可以利用光伏溫室內(nèi)部的溫度梯度 ，將光伏溫室劃分為不同的溫度范圍區(qū)域 ，實(shí)現(xiàn)梯度種植參考文獻(xiàn) ：周偉 ，李永博 ，汪小旵 基于 非穩(wěn)態(tài)模型的溫室溫度預(yù)測(cè)控制 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ，（）： ， ，（）： ， ， ， ： ，（）： ， ， ，（）：蔡彥文 基于 光熱流場(chǎng)耦合分析的光伏溫室研究與設(shè)計(jì) 杭州 ：浙江工業(yè)大學(xué) ，郝飛麟 ，沈明衛(wèi) ，張雅 單棟塑料溫室內(nèi)溫度場(chǎng) 三維穩(wěn)態(tài)模擬 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ，（）：孫迎龍 光伏玻璃溫室內(nèi)溫度和氣流分布的 分析研究 鎮(zhèn)江 ：江蘇大學(xué) ，孫迎龍 ，王新忠 光伏玻璃溫室自然通風(fēng)條件下的模擬驗(yàn)證農(nóng)機(jī)化研究，（）：··云南師范大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版 ）第 卷 ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ， ， ， ， （ ， ， ， ，）： （） ， ， ， ：； ； ··第 期郭騰騰 ，等 ：基于 穩(wěn)態(tài)模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計(jì)算