第 42 卷 第 8 期 2021 年 8 月 太 陽 能 學(xué) 報(bào) ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol 42 No 8 Aug 2021 收稿日期 2019 06 04 基金項(xiàng)目 青海省科技計(jì)劃 2016 NN 144 通信作者 成 珂 1973 男 博士 副教授 主要從事光伏系統(tǒng)發(fā)電 太陽能熱利用等方面的研究 cksolar 163 com DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2019 0631 文 章 編 號(hào) 0254 0096 2021 08 0159 07 光 伏 溫 室 大 棚 組 件 布 置CFD 模 擬 研 究 成 珂 馬 曉 瑤 孫 琦 琦 西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 動(dòng) 力 與 能 源 學(xué) 院 西 安 710072 摘 要 由 于 在 溫 室 頂 棚 覆 蓋 光 伏 組 件 會(huì) 改 變 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 影 響 作 物 生 長 因 此 該 文 基 于 環(huán) 境 溫 度 和 太 陽 輻 照 度 逐 時(shí) 變 化 建 立 光 伏 溫 室 大 棚 的 計(jì) 算 流 體 動(dòng) 力 學(xué) C F D 瞬 態(tài) 模 型 研 究 光 伏 組 件 布 置 方 式 對(duì) 棚 內(nèi) 空 氣 層 土 壤 層 溫 度 以 及 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 的 影 響 研 究 結(jié) 果 表 明 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 后 會(huì) 降 低 溫 室 大 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 溫 度 鋪 設(shè) 越 多 影 響 越 大 同 時(shí) 也 會(huì) 減 少 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 值 只 是 在 冬 季 由 于 光 伏 組 件 遮 擋 的 陰 影 大 部 分 落 在 后 墻 上 影 響 較 小 綜 合 考 慮 作 物 對(duì) 棚 內(nèi) 溫 度 光 照 的 需 求 選 擇 覆 蓋 率 5 0 為 優(yōu) 選 光 伏 組 件 布 置 方 式 該 文 研 究 對(duì) 于 光 伏 溫 室 大 棚 的 設(shè) 計(jì) 和 推 廣 有 一 定 的 指 導(dǎo) 作 用 有 助 于 綠 色 農(nóng) 業(yè) 的 發(fā) 展 升 級(jí) 關(guān) 鍵 詞 光 伏 組 件 溫 室 大 棚 計(jì) 算 流 體 動(dòng) 力 學(xué) 溫 度 分 布 中 圖 分 類 號(hào) T K 5 1 5 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 0 引 言 光 伏 溫 室 大 棚 覆 蓋 光 伏 組 件 在 滿 足 作 物 溫 度 和 光 照 條 件 的 同 時(shí) 發(fā) 電 實(shí) 現(xiàn) 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 與 光 伏 發(fā) 電 同 步 進(jìn) 行 1 近 幾 年 的 研 究 發(fā) 現(xiàn) 鋪 設(shè) 在 棚 外 的 光 伏 組 件 一 方 面 通 過 遮 擋 太 陽 輻 射 影 響 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 條 件 另 一 方 面 吸 收 太 陽 輻 射 其 中 只 有 約 1 8 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 其 余 以 熱 能 形 式 加 熱 光 伏 組 件 通 過 向 外 散 熱 改 變 周 圍 熱 環(huán) 境 進(jìn) 而 影 響 棚 內(nèi) 溫 度 2 3 由 于 作 物 生 長 與 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 條 件 密 切 相 關(guān) 因 此 組 件 布 置 也 成 為 影 響 光 伏 溫 室 大 棚 使 用 效 果 的 重 要 因 素 目 前 采 用 計(jì) 算 流 體 動(dòng) 力 學(xué) c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s C F D 方 法 對(duì) 溫 室 大 棚 模 擬 分 析 已 相 對(duì) 成 熟 研 究 方 向主 要有 棚內(nèi) 的空 氣溫 度及 流動(dòng) 土壤 溫度 和太 陽輻 照度 分布 等 文 獻(xiàn) 4 采 用 C F D 穩(wěn) 態(tài) 模 型 模 擬 了 大 棚 內(nèi) 的 空 氣 溫 度 和 太 陽 輻 照 度 的 變 化 并 用 瞬 態(tài) 模 型 模 擬 了 大 棚 內(nèi) 的 空 氣 流 動(dòng) 情 況 文 獻(xiàn) 5 采 用 C F D 瞬 態(tài) 模 型 并 加 載 D O 輻 射 模 型 得 出 塑 料 大 棚 內(nèi) 溫 度 分 布 情 況 文 獻(xiàn) 6 基 于 C F D 瞬 態(tài) 模 型 對(duì) 不 同 蓋 簾 時(shí) 間 的 下 沉 式 日 光 溫 室 進(jìn) 行 了 模 擬 并 進(jìn) 行 了 現(xiàn) 場 試 驗(yàn) 文 獻(xiàn) 7 利 用 C F D 方 法 分 別 對(duì) 日 光 溫 室 的 空 氣 溫 度 各 表 面 的 太 陽輻 照度 進(jìn)行 計(jì)算 分析 了不 同模 型對(duì) 日光 溫室 內(nèi)溫 度分 布的 影 響 文 獻(xiàn) 8 針 對(duì) 高 效 主 動(dòng) 儲(chǔ) 熱 風(fēng) 道 采 用 C F D 模 擬 和 實(shí) 驗(yàn) 研 究 了 日 光 溫 室 不 同 氣 流 方 向 下 后 墻 傳 熱 情 況 關(guān) 于 光 伏 組 件 對(duì) 溫 室 大 棚 溫 度 和 光 照 的 影 響 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 采 用 C F D 方 法 也 取 得 了 一 些 研 究 成 果 如 文 獻(xiàn) 9 1 0 在 已 有 東 西 向 的 溫 室 大 棚 前 坡 覆 蓋 5 0 的 光 伏 組 件 模 擬 了 太 陽 輻 照 度 溫 度 和 濕 度 變 化 得 出 大 棚 內(nèi) 部 的 太 陽 輻 照 度 分 布 分 南 北 梯 度 計(jì) 算 了 光 伏 系 統(tǒng) 的 發(fā) 電 量 文 獻(xiàn) 1 1 對(duì) 非 對(duì) 稱 型 和 文 洛 型 兩 種 光 伏 溫 室 大 棚 的 太 陽 輻 照 度 分 布 和 空 氣 流 動(dòng) 進(jìn) 行 了 模 擬 研 究 分 析 了 對(duì) 作 物 生 長 的 影 響 文 獻(xiàn) 1 2 以 冬 至 日 為 參 考 分 別 模 擬 了 棚 內(nèi) 溫 度 以 及 棚 內(nèi) 外 溫 度 差 文 獻(xiàn) 1 3 模 擬 了 在 自 然 通 風(fēng) 條 件 下 光 伏 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 度 分 布 文 獻(xiàn) 1 4 試 驗(yàn) 對(duì) 比 了 3 種 光 伏 組 件 不 同 覆 蓋 率 和 不 同 覆 蓋 方 式 的 光 伏 溫 室 大 棚 分 析 了 日 均 光 合 有 效 輻 射 現(xiàn) 階 段 溫 室 大 棚 安 裝 光 伏 組 件 主 要 的 難 點(diǎn) 是 既 要 滿 足 作 物 的 溫 度 和 光 照 需 求 也 要 滿 足 建 設(shè) 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 容 量 和 效 率 要 求 因 此 本 文 在 上 述 研 究 成 果 的 基 礎(chǔ) 上 針 對(duì) 既 有 韭 菜 溫 室 大 棚 采 用 C F D 瞬 態(tài) 模 型 模 擬 研 究 不 同 光 伏 組 件 布 置 方 式 的 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 為 該 類 溫 室 大 棚 改 造 安 裝 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 提 供 思 路 1 80 m 30 00 m 7 60 m 2 60 m 4 41 m 圖 1 光伏溫室大棚物理模型 Fig 1 Photovoltaic greenhouse greenhouse physical model 1 光伏大棚模型 1 1 物理模型 該 溫 室 大 棚 位 于 青 海 省 大 通 回 族 土 族 自 治 縣 東 西 走 向 160 太 陽 能 學(xué) 報(bào) 42 卷 長度 為 3 0 0 0 m 跨度 為 7 7 6 m 脊高 4 4 1 m 前墻 高 1 8 0 m 后 墻 高 2 6 0 m 后 坡 水 平 投 影 1 5 3 m 該 地 海 拔 高 度 2 5 4 1 m 屬 大 陸 性 高 原 氣 候 年 均 氣 溫 4 9 極 端 最 高 氣 溫 3 5 6 極 端 最 低 氣 溫 2 6 1 當(dāng) 地 太 陽 能 資 源 豐 富 年 均 日 照 時(shí) 數(shù) 2 5 6 6 h 年 太 陽 輻 射 總 量 5 5 2 6 M J m 2 適 宜 建 設(shè) 光 伏 電 站 1 5 1 6 溫 室 大 棚 內(nèi) 常 年 種 植 韭 菜 生 長 溫 度 1 5 2 5 中 等 光 照 強(qiáng) 度 所 種 植 韭 菜 地 上 莖 葉 不 超 過 距 地 表 0 5 0 m 的 高 度 范 圍 地 下 須 根 分 布 在 不 超 過 距 地 表 0 3 0 m 深 度 的 耕 作 層 大 棚 向 陽 前 坡 傾 角 2 3 適 當(dāng) 加 固 結(jié) 構(gòu) 后 可 滿 足 光 伏 組 件 頂 部 平 鋪 安 裝 的 條 件 1 2 仿真模型 在 溫 室 大 棚 工 作 期 間 棚 外 環(huán) 境 溫 度 和 太 陽 輻 照 度 逐 時(shí) 發(fā) 生 變 化 受 此 影 響 的 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 條 件 也 逐 時(shí) 發(fā) 生 變 化 因 此 仿 真 采 用 C F D 瞬 態(tài) 模 型 溫 室 大 棚 按 密 閉 式 結(jié) 構(gòu) 環(huán) 境 和 太 陽 是 外 部 熱 源 無 內(nèi) 部 熱 源 溫 室 大 棚 在 白 天 接 受 太 陽 輻 射 時(shí) 一 部 分 太 陽 輻 射 穿 透 塑 料 膜 后 被 土 壤 和 溫 室 內(nèi) 壁 面 吸 收 一 部 分 太 陽 輻 射 被 光 伏 組 件 和 溫 室 外 壁 面 吸 收 同 時(shí) 為 了 研 究 韭 菜 地 下 須 根 的 環(huán) 境 溫 度 將 1 m 深 的 土 壤 層 也 納 入 了 仿 真 模 型 溫 室 大 棚 內(nèi) 部 以 及 土 壤 層 作 為 三 維 計(jì) 算 流 體 域 使 用 八 叉 樹 方 法 生 成 非 結(jié) 構(gòu) 化 四 面 體 網(wǎng) 格 進(jìn) 行 離 散 全 局 網(wǎng) 格 最 大 尺 寸 為 0 5 網(wǎng) 格 總 數(shù) 為 1 1 萬 為 了 避 免 網(wǎng) 格 數(shù) 量 影 響 數(shù) 值 模 擬 結(jié) 果 對(duì) 光 伏 組 件 壁 面 土 壤 表 面 等 主 要 換 熱 交 界 區(qū) 域 進(jìn) 行 了 網(wǎng) 格 加 密 網(wǎng) 格 最 大 尺 寸 分 別 為 0 4 和 0 3 網(wǎng) 格 總 數(shù) 為 2 2 3 3 8 6 和 5 3 1 7 8 5 加 密 結(jié) 果 如 圖 2 所 示 圖 2 光伏溫室大棚仿真模型 Fig 2 Photovoltaic greenhouse greenhouse simulation model 對(duì) 劃 分 后 的 網(wǎng) 格 進(jìn) 行 質(zhì) 量 檢 查 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 在 0 9 以 上 的 網(wǎng) 格 數(shù) 占 總 網(wǎng) 格 數(shù) 的 3 9 其 余 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 均 在 0 6 0 8 之 間 不 存 在 負(fù) 網(wǎng) 格 情 況 網(wǎng) 格 質(zhì) 量 較 好 分 別 對(duì) 三 套 網(wǎng) 格 進(jìn) 行 試 算 以 春 分 日 土 壤 層 溫 度 為 參 考 量 進(jìn) 行 網(wǎng) 格 獨(dú) 立 性 驗(yàn) 證 計(jì) 算 可 得 當(dāng) 網(wǎng) 格 數(shù) 量 分 別 為 2 2 3 3 8 6 和 5 3 1 7 8 5 時(shí) 溫 度 變 化 范 圍 基 本 相 同 變 化 率 在 1 之 內(nèi) 具 體 結(jié) 果 如 圖 3 所 示 為 節(jié) 省 計(jì) 算 資 源 選 用 第 二 套 網(wǎng) 格 2 2 3 3 8 6 作 為 后 續(xù) 分 析 的 網(wǎng) 格 模 型 1 3 控制方程 光 伏 溫 室 大 棚 仿 真 模 型 采 用 控 制 容 積 的 有 限 元 方 法 進(jìn) 行 求 解 以 流 體 質(zhì) 量 動(dòng) 量 以 及 能 量 守 恒 方 程 為 基 本 控 制 方 程 其 控 制 方 程 的 通 用 形 式 為 1 7 t di v U d i v g r a d S 1 式 中 通 用 變 量 代 表 u T 等 求 解 變 量 其 中 u 分 別 為 x y z 方 向 的 速 度 分 量 T 為 溫 度 廣 義 擴(kuò) 散 系 數(shù) S 廣 義 源 項(xiàng) 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 10 15 20 25 30 35 115355 223386 531785 圖 3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果 Fig 3 Grid independence verification results 1 4 太陽輻射和環(huán)境溫度模型 當(dāng) 地 環(huán) 境 溫 度 和 太 陽 輻 射 采 用 N A S A 公 布 的 歷 年 逐 月 氣 象 數(shù) 據(jù) 1 8 如 圖 4 所 示 結(jié) 合 地 球 繞 太 陽 公 轉(zhuǎn) 軌 道 上 的 位 置 變 化 環(huán) 境 溫 度 和 太 陽 輻 射 的 高 值 在 夏 至 附 近 低 值 在 冬 至 附 近 均 值 在 春 分 和 秋 分 附 近 因 此 以 這 幾 個(gè) 節(jié) 氣 日 作 為 模 擬 的 典 型 日 進(jìn) 行 研 究 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 10 5 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 kWh m 2 d 1 圖 4 溫度和太陽輻射的逐月變化 Fig 4 Temperature and solar radiation change monthly 環(huán) 境 溫 度 采 用 室 外 逐 時(shí) 溫 度 計(jì) 算 方 法 1 9 模 擬 逐 時(shí) 變 化 太 陽 輻 照 度 采 用 晴 天 模 型 2 0 模 擬 逐 時(shí) 變 化 模 擬 結(jié) 果 如 圖 5 和 圖 6 所 示 并 加 載 到 控 制 方 程 1 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 圖 5 環(huán)境溫度逐時(shí)變化 Fig 5 Ambient temper ature changes with time8 期 成 珂等 光伏溫室大棚組件布置 CFD 模擬研究 161 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 200 400 600 800 1000 1200 W c m 2 圖 6 太陽輻照度逐時(shí)變化 Fig 6 Solar radiation changes with time 2 邊界條件與數(shù)值方法 2 1 邊界條件 光 伏 溫 室 大 棚 涉 及 的 換 熱 方 式 為 熱 傳 導(dǎo) 熱 對(duì) 流 和 熱 輻 射 大 棚 前 墻 和 頂 棚 材 質(zhì) 為 塑 料 膜 換 熱 方 式 以 對(duì) 流 換 熱 和 輻 射 換 熱 為 主 壁 面 類 型 設(shè) 置 為 混 合 壁 面 大 棚 后 墻 和 后 坡 材 質(zhì) 為 普 通 磚 墻 和 防 火 保 溫 板 壁 面 類 型 設(shè) 置 為 對(duì) 流 壁 面 大 棚 左 右 兩 側(cè) 墻 壁 和 頂 棚 鋪 設(shè) 的 光 伏 組 件 材 質(zhì) 為 普 通 磚 墻 和 不 透 明 晶 體 硅 并 在 其 表 面 加 載 太 陽 輻 射 壁 面 類 型 設(shè) 置 為 混 合 壁 面 大 棚 內(nèi) 部 的 土 壤 層 其 表 面 與 棚 內(nèi) 空 氣 進(jìn) 行 對(duì) 流 換 熱 同 時(shí) 白 天 還 接 收 太 陽 輻 射 因 此 將 土 壤 層 表 面 設(shè) 置 為 熱 耦 合 壁 面 離 地 表 深 1 m 的 土 壤 與 上 下 間 土 壤 傳 導(dǎo) 換 熱 溫 度 常 年 穩(wěn) 定 設(shè) 置 為 恒 溫 壁 面 各 材 料 物 性 數(shù) 據(jù) 來 源 于 化 工 索 引 手 冊(cè) 測 量 定 性 溫 度 為 2 5 材 料 熱 物 性 參 數(shù) 詳 見 表 1 表1 材料熱物性參數(shù) Table 1 Thermal properties of materials 材料 普通磚 防火保溫板 晶體硅 塑料薄膜 空氣 土壤 密度 kg m 1 1800 35 2448 1 2 10 3 1 225 1700 導(dǎo)熱系數(shù) W m 1 K 1 0 81 0 03 1 32 0 15 0 0225 1 3 比熱容 J kg 1 K 1 1050 1200 687 1170 1005 1010 數(shù) 值 模 擬 邊 界 條 件 見 表 2 2 2 數(shù)值方法 本 文 采 用 C F D 瞬 態(tài) 模 型 模 擬 不 同 光 伏 組 件 布 置 方 式 下 溫 室 大 棚 內(nèi) 部 溫 度 和 光 照 一 天 內(nèi) 的 逐 時(shí) 變 化 情 況 瞬 態(tài) 模 型 的 計(jì) 算 方 法 是 以 穩(wěn) 態(tài) 計(jì) 算 結(jié) 果 作 為 初 始 條 件 通 過 時(shí) 間 離 散 溫 度 輻 射 和 各 換 熱 系 數(shù) 等 參 數(shù) 制 作 瞬 變 表 來 設(shè) 置 瞬 態(tài) 邊 界 條 件 見 表 2 模 擬 計(jì) 算 設(shè) 定 的 時(shí) 間 步 長 為 3 0 s 迭 代 次 數(shù) 為 2 8 8 0 從 而 獲 得 每 時(shí) 刻 的 溫 度 和 太 陽 輻 照 度 值 表2 邊界條件設(shè)定 Table 2 Boundary condition setting 邊界面 前墻 頂棚 后墻 后坡 側(cè)面墻 光伏組件 土壤上表面 土壤下表面 壁面類型 透明 透明 不透明 不透明 不透明 不透明 不透明 不透明 邊界類型 混合 混合 對(duì)流 對(duì)流 混合 混合 耦合 恒溫 溫度 瞬時(shí)值 瞬時(shí)值 瞬時(shí)值 瞬時(shí)值 瞬時(shí)值 瞬時(shí)值 定值 棚 內(nèi) 空 氣 視 為 定 壓 不 可 壓 縮 牛 頓 流 體 由 于 溫 差 作 用 產(chǎn) 生 自 然 對(duì) 流 采 用 R N A k 湍 流 模 型 簡 化 近 壁 面 區(qū) 域 并 采 用 B o u s s i n e s q 假 設(shè) 反 映 氣 體 密 度 隨 溫 度 的 變 化 2 1 2 2 太 陽 輻 射 采 用 太 陽 射 線 追 蹤 結(jié) 合 D O 輻 射 模 型 的 方 式 加 載 在 光 伏 組 件 溫 室 大 棚 塑 料 膜 和 外 壁 面 壓 力 速 度 耦 合 采 用 S I M P L E 能 量 方 程 和 動(dòng) 量 方 程 采 用 二 階 迎 風(fēng) 格 式 3 模擬結(jié)果及分析 本 文 按 光 伏 組 件 自 上 而 下 安 裝 分 別 建 立 了 覆 蓋 率 1 0 2 0 3 0 1 0 0 和 未 鋪 設(shè) 光 伏 組 件 的 溫 室 大 棚 仿 真 模 型 模 擬 4 個(gè) 典 型 日 2 4 h 逐 時(shí) 溫 度 和 光 照 條 件 變 化 在 考 慮 作 物 溫 度 和 光 照 需 求 的 基 礎(chǔ) 上 比 選 了 布 置 方 案 并 分 析 了 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 性 能 3 1 溫度變化及分析 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 逐 時(shí) 溫 度 變 化 如 圖 7 和 圖 8 所 示 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 10 0 10 20 30 40 50 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 10 0 10 20 30 40 50 60 10 70 20 80 30 90 40 50 100 60 10 70 20 80 30 90 40 50 100 a 春分日 b 夏至日 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 10 0 10 20 30 40 50 10 0 10 20 30 40 50 60 10 70 20 80 30 90 40 50 100 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 c 秋分日 d 冬至日 圖 7 空氣層溫度分布 Fig 7 Air temperature distribution in shed162 太 陽 能 學(xué) 報(bào) 42 卷 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 4 8 12 16 20 24 28 32 0 4 8 12 16 20 24 28 32 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 a 春分日 b 夏至日 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 4 8 12 16 20 24 28 32 0 4 8 12 16 20 24 28 32 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 c 秋分日 d 冬至日 圖 8 土壤層溫度分布 Fig 8 Soil layer temperature distribution 由 圖 7 圖 8 可 看 出 隨 著 太 陽 輻 照 度 和 環(huán) 境 溫 度 的 逐 時(shí) 變 化 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 溫 度 也 同 向 變 化 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 后 會(huì) 降 低 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 溫 度 鋪 設(shè) 越 多 影 響 越 大 按 年 平 均 光 伏 組 件 每 增 加 1 0 覆 蓋 率 白 天 空 氣 層 溫 度 下 降 3 5 土 壤 層 溫 度 下 降 2 3 夜 晚 空 氣 層 溫 度 下 降 1 2 土 壤 層 溫 度 下 降 0 3 1 冬 至 日 光 伏 組 件 每 增 加 1 0 覆 蓋 率 白 天 空 氣 層 溫 度 下 降 約 1 3 土 壤 層 溫 度 下 降 約 0 6 夜 晚 光 伏 組 件 具 有 一 定 的 保 溫 作 用 空 氣 層 溫 度 上 升 約 0 4 土 壤 層 溫 度 上 升 約 0 3 但 當(dāng) 光 伏 組 件 的 鋪 設(shè) 比 例 為 1 0 0 時(shí) 由 于 其 在 溫 室 大 棚 頂 部 為 全 遮 擋 棚 內(nèi) 在 白 天 不 能 接 收 到 太 陽 輻 射 而 無 法 蓄 積 能 量 因 此 相 比 于 其 他 鋪 設(shè) 情 況 棚 內(nèi) 空 氣 層 土 壤 層 溫 度 下 降 梯 度 較 大 3 2 光照變化及分析 棚 內(nèi) 光 照 變 化 以 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 的 逐 時(shí) 變 化 分 析 如 圖 9 所 示 由 圖 9 可 看 出 隨 著 太 陽 輻 照 度 的 逐 時(shí) 變 化 棚 內(nèi) 土 壤 層 表 面 接 收 的 太 陽 輻 照 度 值 也 同 向 變 化 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 后 會(huì) 降 低 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 值 鋪 設(shè) 越 多 影 響 越 大 按 年 平 均 光 伏 組 件 每 增 加 1 0 覆 蓋 率 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 值 下 降 2 6 W m 2 夏 至 日 遮 擋 影 響 大 冬 至 日 遮 擋 影 響 小 這 是 因 為 光 伏 組 件 距 棚 內(nèi) 土 壤 層 有 一 定 的 高 度 太 陽 從 日 出 逐 步 升 高 時(shí) 遮 擋 開 始 是 作 用 在 棚 內(nèi) 的 后 坡 和 后 墻 上 當(dāng) 太 陽 升 高 到 一 定 程 度 時(shí) 遮 擋 才 會(huì) 作 用 在 土 壤 層 因 此 冬 至 日 光 伏 組 件 遮 擋 太 陽 時(shí) 大 部 分 陰 影 落 在 后 坡 和 后 墻 上 使 得 土 壤 層 表 面 全 天 接 收 的 太 陽 輻 照 度 值 與 未 鋪 設(shè) 光 伏 組 件 的 情 況 相 比 只 下 降 約 4 6 7 影 響 較 小 可 忽 略 不 計(jì) 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 100 200 300 400 500 600 700 W c m 2 0 100 200 300 400 500 600 700 W c m 2 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 a 春分日 b 夏至日 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 100 200 300 400 500 600 700 W c m 2 0 100 200 300 400 500 600 700 W c m 2 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 20 30 40 50 c 秋分日 d 冬至日 圖 9 土壤層表面太陽輻照度 Fig 9 Solar radiance on surface of soil layer 3 3 覆 蓋率50 方案分析 根 據(jù) 上 述 溫 度 和 太 陽 輻 照 度 的 逐 時(shí) 模 擬 結(jié) 果 隨 著 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 比 例 的 增 加 溫 室 大 棚 內(nèi) 空 氣 層 及 土 壤 層 溫 度 逐 漸 下 降 同 時(shí) 由 于 光 伏 組 件 的 遮 擋 作 用 土 壤 層 表 面 的 太 陽 輻 照 度 值 也 隨 之 降 低 結(jié) 合 文 獻(xiàn) 9 1 0 給 出 的 5 0 覆 蓋 率 文 獻(xiàn) 1 4 推 薦 的 4 5 覆 蓋 率 以 及 文 獻(xiàn) 1 提 出 的 結(jié) 合 作 物 生 長 范 圍 選 擇 光 伏 組 件 覆 蓋 比 例 的 方 法 綜 合 考 慮 4 個(gè) 典 型 日 下 鋪 設(shè) 光 伏 組 件 后 棚 內(nèi) 溫 度 及 太 陽 輻 照 度 的 變 化 范 圍 選 擇 覆 蓋 率 5 0 的 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 方 式 作 為 優(yōu) 選 方 案 同 時(shí) 由 于 冬 至 日 溫 室 大 棚 外 部 環(huán) 境 溫 度 及 太 陽 輻 照 度 值 較 低 為 進(jìn) 一 步 驗(yàn) 證 鋪 設(shè) 5 0 光 伏 組 件 后 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 度 及 光 照 條 件 是 否 能 滿 足 作 物 的 生 長 條 件 因 此 對(duì) 冬 至 日 鋪 設(shè) 5 0 光 伏 組 件 的 情 況 進(jìn) 行 詳 細(xì) 探 究 選 取 該 情 況 下 棚 內(nèi) 空 氣 層 土 壤 層 的 溫 度 變 化 以 及 土 壤 層 表 面 的 太 陽 輻 照 度 值 進(jìn) 行 分 析 其 中 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 溫 度 逐 時(shí) 變 化 如 圖 1 0 所 示 選 取 光 伏 溫 室 大 棚 的 南 北 截 面 進(jìn) 行 分 析 云 圖 排 布 方 式 為 從 左 向 右 間 隔 為 2 h 265 270275280285290295 305 300 02 00 04 00 06 00 08 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 22 00 24 00 圖 10 溫度逐時(shí)分布云圖 Fig 10 Tempe rature time distribution cloud map8 期 成 珂等 光伏溫室大棚組件布置 CFD 模擬研究 163 冬 至 日 0 7 0 0 1 8 0 0 土 壤 層 的 太 陽 輻 照 度 值 逐 時(shí) 變 化 如 圖 1 1 所 示 W cm 2 16 00 18 00 17 00 13 00 15 00 14 00 10 00 12 00 11 00 07 00 09 00 08 00 0 40 80 120160200240280 320 圖 11 太陽輻照度逐時(shí)分布云圖 Fig 11 Solar radiation time lapse distribution 從 圖 1 0 圖 1 1 可 看 出 鋪 設(shè) 5 0 光 伏 組 件 后 在 冬 至 日 對(duì) 棚 內(nèi) 土 壤 層 表 面 的 太 陽 輻 照 度 影 響 不 大 空 氣 層 與 土 壤 層 溫 度 也 在 可 接 受 的 范 圍 內(nèi) 依 據(jù) 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 溫 度 及 太 陽 輻 照 度 的 分 布 情 況 結(jié) 合 韭 菜 生 長 特 點(diǎn) 進(jìn) 一 步 分 析 地 下 3 0 c m 土 壤 層 地 表 和 地 上 5 0 c m 空 氣 層 具 體 變 化 情 況 如 圖 1 2 所 示 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 8 4 0 4 8 12 16 20 50 cm 30 cm 圖 12 生長區(qū)域溫度分布 Fig 12 Growth zone temperature distribution 根 據(jù) 以 上 分 析 可 得 出 冬 至 日 溫 室 大 棚 頂 部 覆 蓋 5 0 光 伏 組 件 與 未 鋪 設(shè) 光 伏 組 件 相 比 白 天 溫 度 下 降 約 1 0 夜 晚 由 于 頂 棚 覆 蓋 的 光 伏 組 件 起 到 一 定 的 保 溫 作 用 溫 度 上 升 約 2 覆 蓋 5 0 光 伏 組 件 后 在 1 2 0 0 1 6 0 0 溫 度 均 能 滿 足 韭 菜 的 生 長 溫 度 地 下 3 0 c m 土 壤 層 的 溫 度 在 一 天 內(nèi) 的 變 化 幅 度 較 小 基 本 維 持 在 8 其 他 時(shí) 間 段 由 于 外 部 環(huán) 境 溫 度 較 低 韭 菜 生 長 區(qū) 域 內(nèi) 的 溫 度 低 于 韭 菜 的 生 長 溫 度 要 求 因 此 需 要 對(duì) 溫 室 進(jìn) 行 保 溫 對(duì) 于 空 氣 層 保 溫 時(shí) 由 于 其 溫 度 較 低 的 原 因 主 要 是 由 于 外 界 環(huán) 境 的 變 化 引 起 故 應(yīng) 采 取 多 層 覆 蓋 的 方 式 對(duì) 土 壤 層 保 溫 時(shí) 可 采 取 挖 防 寒 溝 或 是 覆 蓋 地 膜 的 方 法 對(duì) 于 韭 菜 生 長 的 光 照 要 求 溫 室 頂 棚 覆 蓋 5 0 光 伏 組 件 后 其 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 值 在 春 秋 分 及 夏 至 日 下 降 約 9 2 W m 2 冬 至 日 下 降 約 2 3 W m 2 且 由 圖 1 1 可 看 出 光 伏 組 件 對(duì) 于 地 面 遮 擋 區(qū) 域 主 要 在 靠 近 左 右 兩 側(cè) 墻 壁 附 近 溫 室 大 棚 內(nèi) 部 種 植 的 韭 菜 屬 于 中 等 光 照 植 物 因 此 覆 蓋 光 伏 組 件 后 可 滿 足 韭 菜 光 照 要 求 3 4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 利 用 現(xiàn) 場 溫 室 大 棚 采 用 覆 蓋 率 5 0 方 案 在 冬 季 進(jìn) 行 實(shí) 測 依 據(jù) 模 擬 結(jié) 果 在 陰 雪 等 低 溫 天 氣 和 夜 間 進(jìn) 一 步 采 用 大 棚 保 溫 被 的 保 溫 措 施 以 2 0 1 6 年 1 1 月 份 為 例 圖 1 3 為 大 棚 內(nèi) 平 均 溫 度 變 化 圖 1 4 為 1 1 月 2 2 日 大 棚 內(nèi) 溫 度 逐 時(shí) 變 化 情 況 圖 1 5 為 1 1 月 2 2 日 實(shí) 測 與 模 擬 數(shù) 據(jù) 對(duì) 比 情 況 11 02 11 06 11 10 11 14 11 18 11 22 11 26 11 30 0 2 4 6 8 10 12 50 cm 30 cm 圖 13 11 月份實(shí)測平均溫度 Fig 13 Average measured temperature in November 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 50 cm 30 cm 圖 14 11 月 22 日實(shí)測逐時(shí)溫度 Fig 14 On time temperature measured on November 22 06 00 08 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 50 cm 30 cm 50 cm 30 cm 圖 15 11 月 22 日白天實(shí)測與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比 Fig 15 Comparison of measured and simulated data during day on November 22164 太 陽 能 學(xué) 報(bào) 42 卷 1 1 月 份 地 上 5 0 c m 地 面 和 地 下 3 0 c m 平 均 溫 度 最 高 分 別 為 1 0 8 0 5 9 8 和 6 8 1 最 低 分 別 為 1 8 2 1 0 8 和 1 2 5 基 本 可 滿 足 韭 菜 生 長 條 件 一 天 之 內(nèi) 由 于 夜 間 采 用 大 棚 保 溫 被 實(shí) 測 溫 度 高 于 模 擬 結(jié) 果 白 天 日 出 后 溫 度 變 化 趨 勢 與 實(shí) 測 相 符 地 上 5 0 c m 地 面 和 地 下 3 0 c m 平 均 模 擬 誤 差 分 別 為 9 9 5 1 1 1 8 和 2 0 5 2 平 均 模 擬 誤 差 指 各 時(shí) 間 點(diǎn) 模 擬 值 與 實(shí) 測 值 相 對(duì) 誤 差 的 平 均 值 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 該 方 法 對(duì) 光 伏 溫 室 大 棚 設(shè) 計(jì) 有 一 定 指 導(dǎo) 作 用 4 結(jié) 論 本 文 針 對(duì) 光 伏 溫 室 大 棚 存 在 的 光 伏 組 件 改 變 棚 內(nèi) 溫 度 和 光 照 條 件 以 及 與 作 物 爭 搶 光 資 源 的 問 題 系 統(tǒng) 研 究 光 伏 組 件 布 置 對(duì) 溫 室 大 棚 的 影 響 建 立 光 伏 溫 室 大 棚 的 C F D 瞬 態(tài) 仿 真 模 型 根 據(jù) 棚 內(nèi) 空 氣 層 溫 度 土 壤 層 溫 度 和 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 的 變 化 對(duì) 比 不 同 光 伏 組 件 覆 蓋 率 的 布 置 方 案 得 出 以 下 結(jié) 論 1 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 后 會(huì) 降 低 溫 室 大 棚 內(nèi) 空 氣 層 和 土 壤 層 的 溫 度 鋪 設(shè) 越 多 影 響 越 大 按 年 平 均 光 伏 組 件 每 增 加 1 0 覆 蓋 率 白 天 空 氣 層 溫 度 下 降 3 5 土 壤 層 溫 度 下 降 2 3 夜 間 空 氣 層 溫 度 下 降 1 2 土 壤 層 溫 度 下 降 0 3 1 0 2 光 伏 組 件 鋪 設(shè) 后 會(huì) 降 低 土 壤 層 表 面 的 太 陽 輻 照 度 值 鋪 設(shè) 越 多 影 響 越 大 夏 至 日 遮 擋 影 響 大 冬 至 日 組 件 遮 擋 的 陰 影 大 部 分 落 在 后 墻 上 對(duì) 土 壤 層 表 面 太 陽 輻 照 度 值 的 影 響 非 常 小 3 選 擇 光 伏 組 件 5 0 覆 蓋 率 的 方 案 在 冬 至 日 進(jìn) 一 步 根 據(jù) 韭 菜 生 長 特 點(diǎn) 對(duì) 地 下 3 0 c m 土 壤 層 地 表 和 地 上 5 0 c m 空 氣 層 進(jìn) 行 了 分 析 與 未 鋪 設(shè) 光 伏 組 件 的 溫 室 大 棚 相 比 白 天 溫 度 下 降 約 1 0 夜 間 溫 度 變 化 升 高 約 2 能 夠 滿 足 作 物 溫 度 和 光 照 需 求 4 通 過 對(duì) 冬 季 進(jìn) 行 溫 室 大 棚 溫 度 實(shí) 測 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 了 仿 真 結(jié) 果 的 正 確 性 本 文 研 究 綜 合 考 慮 了 作 物 生 長 溫 度 和 光 照 條 件 對(duì) 于 光 伏 溫 室 大 棚 設(shè) 計(jì) 和 建 造 有 一 定 理 論 指 導(dǎo) 意 義 本 文 研 究 方 法 也 可 用 在 溫 室 大 棚 的 增 溫 保 溫 和 降 溫 理 論 研 究 的 模 擬 計(jì) 算 中 參考文獻(xiàn) 1 魏 曉 明 周 長 吉 丁 小 明 等 光 伏 發(fā) 電 溫 室 的 現(xiàn) 狀 及 技 術(shù) 前 景 研 究 C 中 國 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 會(huì) 2011 年 學(xué) 術(shù) 年 會(huì) 論文集 重慶 中國 2011 1 6 WEI X M ZHOU C J DING X M et al Research on the status quo and technical prospects of photovoltaic greenhouses C Proceedings of the 2011 Annual Conference of China Agricultural Engineering Society Chongqing China 2011 1 6 2 張 曦 文 劉 鐵 東 徐 永 光 伏 溫 室 技 術(shù) 的 發(fā) 展 與 應(yīng) 用 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2017 37 3