基于CFD穩(wěn)態(tài)模擬的光伏玻璃溫室溫度分布模擬計算

云南師范大學(xué)學(xué)報 （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) 太陽能研究所 ，云南省農(nóng)村能源重點實驗室 ，云南 昆明）摘要 ：采用計算流體動力學(xué) （）技術(shù) ，對 型光伏玻璃溫室前坡面不同鋪設(shè)比例下的溫室內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬計算 通過 軟件建立物理模型并劃分網(wǎng)格 ，導(dǎo)入到 軟件中進(jìn)行模擬計算 ，計算后截取 和 高處的兩個橫切面計算其面平均溫度 比較分析模擬計算結(jié)果發(fā)現(xiàn) ，光伏組件在溫室前坡面鋪設(shè)比例的不同會對溫室內(nèi)部的溫度場造成影響 ，光伏溫室內(nèi)部的溫度場呈梯度分布 關(guān)鍵詞 ：；光伏溫室 ；溫度場中圖分類號 ： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ： 文章編號 ：（） 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的選址限制 ，還可以解決光伏電站建造的土地制約問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 ，就顯得非常重要了計算流體動力學(xué) （）可以通過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等參數(shù)對溫室內(nèi)部小氣候環(huán)境的影響基于的仿真模擬計算方法 ，在模擬預(yù)測溫室內(nèi)部的環(huán)境研究中 ，已經(jīng)被證明有很好的可靠性對于已經(jīng)通過驗證的模型 ，一次數(shù)據(jù)輸入模擬就相當(dāng)于一次物理實驗的實驗?zāi)M不僅提高了實驗效率 ，而且還減少了實驗成本目前將技術(shù)應(yīng)用于光伏溫室的研究較少 ，孫迎龍等對自然通風(fēng)條件下的光伏玻璃溫室的溫度場進(jìn)行了模擬 ，驗證了用于光伏溫室模擬的可靠性 ，此外還對光伏玻璃溫室在自然通風(fēng)與強制通風(fēng)條件下的內(nèi)部溫度場以及氣流分布場進(jìn)行了計算本文以單脊的型光伏溫室為研究對象 ，通過穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算得到光伏玻璃溫室前坡面不同鋪設(shè)比例對溫室內(nèi)部溫度場分布的影響 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算光伏溫室的結(jié)構(gòu)圖 收稿日期：作者簡介 ：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)模型以模擬實驗光伏溫室的物理模型為基礎(chǔ) ，做適當(dāng)簡化 ，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 ，通過有限體積法進(jìn)行求解計算圖為計算溫室劃分的網(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求解能量方程來計算傳熱問題的 ，其形式為 ：（）!·（） !·!·（ ） （）式中 ，是有效導(dǎo)熱率 ，是組分的擴散通量 ；等號右邊的前三項分別表示由于導(dǎo)熱 、組分?jǐn)U散和黏性耗散所產(chǎn)生的能量傳遞為源項 ，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（）對于理想氣體 ，顯焓定義為（）對于不可壓縮氣體（）在公式 （）和 （）中 ，是組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ，并且有 ：，（）其中 ，為對于涉及傳熱的問題 ，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 （）就會變換成與用戶設(shè)置相應(yīng)的方程軟件通過求解變換后的具體方程得到與傳熱計算相關(guān)的參量 湍流模型的確定雷諾數(shù)的計算公式為 ：（）式中 ：流體流動的黏度 ，單位 ：·流場的特征長度 ，單位 ：；光伏溫室內(nèi)部氣體的流動模型確定通常是根據(jù)氣體的雷諾數(shù)來定義的 ，雷諾數(shù)越大 ，意味著慣性力占主要地位 ，流體呈湍流流動狀態(tài)一般雷諾數(shù) 為層流狀態(tài) ， 為湍流狀態(tài) ， 為過渡狀態(tài)通過計算 ，此光伏溫室的雷諾數(shù) ，符合湍流的流動特征 輻射模型的確定求解傳熱問題時 ，輻射傳熱是作為源項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)存和計算開銷比較適中 ，也能用于計算半透明介質(zhì)輻射 ，相對于其他模型應(yīng)用性更強 ，因此選擇輻射模型用于計算光伏溫室的內(nèi)部流場 光伏組件的能量計算模型光伏電池的轉(zhuǎn)化效率一般來說是低于的 ，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 （自然科學(xué)版 ）第 卷大地影響溫室內(nèi)部的溫度流場所以在對光伏溫室屋頂安裝比例模擬之前 ，需要對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 、電池和后背板三個部分來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)計安裝在光伏溫室屋頂前坡面的光伏組件對溫室內(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光伏組件不同鋪設(shè)比例下的溫室內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬仿真設(shè)計是具有現(xiàn)實意義的 ，可以指導(dǎo)設(shè)計者設(shè)計最適宜作物生長的光伏組件鋪設(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)確的評估比較不同鋪設(shè)面積對光伏溫室內(nèi)部溫度場的影響 ，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 ，因此在計算中將環(huán)境溫度設(shè)為而這一時刻的太陽輻射通過中的太陽加載模型計算得到由于溫室的門也是浮法玻璃 ，因此在計算中將門設(shè)置為的邊界條件 ，沒有再做單獨處理模型中的物質(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、九種不同鋪設(shè)面積的直線型排布進(jìn)行了仿真模擬計算并選取高度分別為的作物區(qū)域和的屋頂區(qū)域兩個橫切面作為溫度監(jiān)測面 ，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) 擴散系數(shù) 發(fā)射率 邊界類型 熱對流壁面 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 ，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 ，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 ，也就是說在光伏組件直線型鋪設(shè)在光伏溫室前坡面時 ，其鋪設(shè)面積的多少對于溫室作物區(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)但是這也超過了大多數(shù)農(nóng)作物生長的最佳溫度 ，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質(zhì)量 ；當(dāng)前坡面鋪設(shè)面積為時 ，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 ，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 ，鋪設(shè)面積的多少對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區(qū)域較遠(yuǎn) ，故高溫對于作物的生長影響不大 ，但是溫度過高會影響光伏組件的發(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) ，實現(xiàn)光伏溫室立體種植 ，節(jié)約土地資源 ，增產(chǎn)創(chuàng)收圖 和 處的截面平均溫度對比圖 結(jié)論對光伏溫室前坡面不同鋪設(shè)比例的光伏溫室內(nèi)部溫度場模擬計算 ，通過截取不同的觀測層面 ，對比分析實驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論 ：（）光伏組件的不同鋪設(shè)比例確實會對溫室內(nèi)部的溫度場造成影響 ；（）相同排布比例下光伏內(nèi)部的溫度場會出現(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)測控制 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ，（）： ， ，（）： ， ， ， ： ，（）： ， ， ，（）：蔡彥文 基于 光熱流場耦合分析的光伏溫室研究與設(shè)計 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 三維穩(wěn)態(tài)模擬 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 ，（）： ， ， ，（）：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)條件下的模擬驗證農(nóng)機化研究，（）：··云南師范大學(xué)學(xué)報 （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算