光伏温室大棚组件布置CFD模拟研究_成珂.pdf

第 42 卷 第 8 期 2021 年 8 月 太 阳 能 学 报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol 42 No 8 Aug 2021 收稿日期 2019 06 04 基金项目 青海省科技计划 2016 NN 144 通信作者 成 珂 1973 男 博士 副教授 主要从事光伏系统发电 太阳能热利用等方面的研究 cksolar 163 com DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2019 0631 文 章 编 号 0254 0096 2021 08 0159 07 光 伏 温 室 大 棚 组 件 布 置CFD 模 拟 研 究 成 珂 马 晓 瑶 孙 琦 琦 西 北 工 业 大 学 动 力 与 能 源 学 院 西 安 710072 摘 要 由 于 在 温 室 顶 棚 覆 盖 光 伏 组 件 会 改 变 棚 内 温 度 和 光 照 影 响 作 物 生 长 因 此 该 文 基 于 环 境 温 度 和 太 阳 辐 照 度 逐 时 变 化 建 立 光 伏 温 室 大 棚 的 计 算 流 体 动 力 学 C F D 瞬 态 模 型 研 究 光 伏 组 件 布 置 方 式 对 棚 内 空 气 层 土 壤 层 温 度 以 及 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 的 影 响 研 究 结 果 表 明 光 伏 组 件 铺 设 后 会 降 低 温 室 大 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 温 度 铺 设 越 多 影 响 越 大 同 时 也 会 减 少 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 值 只 是 在 冬 季 由 于 光 伏 组 件 遮 挡 的 阴 影 大 部 分 落 在 后 墙 上 影 响 较 小 综 合 考 虑 作 物 对 棚 内 温 度 光 照 的 需 求 选 择 覆 盖 率 5 0 为 优 选 光 伏 组 件 布 置 方 式 该 文 研 究 对 于 光 伏 温 室 大 棚 的 设 计 和 推 广 有 一 定 的 指 导 作 用 有 助 于 绿 色 农 业 的 发 展 升 级 关 键 词 光 伏 组 件 温 室 大 棚 计 算 流 体 动 力 学 温 度 分 布 中 图 分 类 号 T K 5 1 5 文 献 标 志 码 A 0 引 言 光 伏 温 室 大 棚 覆 盖 光 伏 组 件 在 满 足 作 物 温 度 和 光 照 条 件 的 同 时 发 电 实 现 农 业 生 产 与 光 伏 发 电 同 步 进 行 1 近 几 年 的 研 究 发 现 铺 设 在 棚 外 的 光 伏 组 件 一 方 面 通 过 遮 挡 太 阳 辐 射 影 响 棚 内 温 度 和 光 照 条 件 另 一 方 面 吸 收 太 阳 辐 射 其 中 只 有 约 1 8 转 换 为 电 能 其 余 以 热 能 形 式 加 热 光 伏 组 件 通 过 向 外 散 热 改 变 周 围 热 环 境 进 而 影 响 棚 内 温 度 2 3 由 于 作 物 生 长 与 棚 内 温 度 和 光 照 条 件 密 切 相 关 因 此 组 件 布 置 也 成 为 影 响 光 伏 温 室 大 棚 使 用 效 果 的 重 要 因 素 目 前 采 用 计 算 流 体 动 力 学 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 对 温 室 大 棚 模 拟 分 析 已 相 对 成 熟 研 究 方 向主 要有 棚内 的空 气温 度及 流动 土壤 温度 和太 阳辐 照度 分布 等 文 献 4 采 用 C F D 稳 态 模 型 模 拟 了 大 棚 内 的 空 气 温 度 和 太 阳 辐 照 度 的 变 化 并 用 瞬 态 模 型 模 拟 了 大 棚 内 的 空 气 流 动 情 况 文 献 5 采 用 C F D 瞬 态 模 型 并 加 载 D O 辐 射 模 型 得 出 塑 料 大 棚 内 温 度 分 布 情 况 文 献 6 基 于 C F D 瞬 态 模 型 对 不 同 盖 帘 时 间 的 下 沉 式 日 光 温 室 进 行 了 模 拟 并 进 行 了 现 场 试 验 文 献 7 利 用 C F D 方 法 分 别 对 日 光 温 室 的 空 气 温 度 各 表 面 的 太 阳辐 照度 进行 计算 分析 了不 同模 型对 日光 温室 内温 度分 布的 影 响 文 献 8 针 对 高 效 主 动 储 热 风 道 采 用 C F D 模 拟 和 实 验 研 究 了 日 光 温 室 不 同 气 流 方 向 下 后 墙 传 热 情 况 关 于 光 伏 组 件 对 温 室 大 棚 温 度 和 光 照 的 影 响 国 内 外 学 者 采 用 C F D 方 法 也 取 得 了 一 些 研 究 成 果 如 文 献 9 1 0 在 已 有 东 西 向 的 温 室 大 棚 前 坡 覆 盖 5 0 的 光 伏 组 件 模 拟 了 太 阳 辐 照 度 温 度 和 湿 度 变 化 得 出 大 棚 内 部 的 太 阳 辐 照 度 分 布 分 南 北 梯 度 计 算 了 光 伏 系 统 的 发 电 量 文 献 1 1 对 非 对 称 型 和 文 洛 型 两 种 光 伏 温 室 大 棚 的 太 阳 辐 照 度 分 布 和 空 气 流 动 进 行 了 模 拟 研 究 分 析 了 对 作 物 生 长 的 影 响 文 献 1 2 以 冬 至 日 为 参 考 分 别 模 拟 了 棚 内 温 度 以 及 棚 内 外 温 度 差 文 献 1 3 模 拟 了 在 自 然 通 风 条 件 下 光 伏 温 室 大 棚 内 的 温 度 分 布 文 献 1 4 试 验 对 比 了 3 种 光 伏 组 件 不 同 覆 盖 率 和 不 同 覆 盖 方 式 的 光 伏 温 室 大 棚 分 析 了 日 均 光 合 有 效 辐 射 现 阶 段 温 室 大 棚 安 装 光 伏 组 件 主 要 的 难 点 是 既 要 满 足 作 物 的 温 度 和 光 照 需 求 也 要 满 足 建 设 光 伏 发 电 系 统 的 容 量 和 效 率 要 求 因 此 本 文 在 上 述 研 究 成 果 的 基 础 上 针 对 既 有 韭 菜 温 室 大 棚 采 用 C F D 瞬 态 模 型 模 拟 研 究 不 同 光 伏 组 件 布 置 方 式 的 棚 内 温 度 和 光 照 为 该 类 温 室 大 棚 改 造 安 装 光 伏 发 电 系 统 提 供 思 路 1 80 m 30 00 m 7 60 m 2 60 m 4 41 m 图 1 光伏温室大棚物理模型 Fig 1 Photovoltaic greenhouse greenhouse physical model 1 光伏大棚模型 1 1 物理模型 该 温 室 大 棚 位 于 青 海 省 大 通 回 族 土 族 自 治 县 东 西 走 向 160 太 阳 能 学 报 42 卷 长度 为 3 0 0 0 m 跨度 为 7 7 6 m 脊高 4 4 1 m 前墙 高 1 8 0 m 后 墙 高 2 6 0 m 后 坡 水 平 投 影 1 5 3 m 该 地 海 拔 高 度 2 5 4 1 m 属 大 陆 性 高 原 气 候 年 均 气 温 4 9 极 端 最 高 气 温 3 5 6 极 端 最 低 气 温 2 6 1 当 地 太 阳 能 资 源 丰 富 年 均 日 照 时 数 2 5 6 6 h 年 太 阳 辐 射 总 量 5 5 2 6 M J m 2 适 宜 建 设 光 伏 电 站 1 5 1 6 温 室 大 棚 内 常 年 种 植 韭 菜 生 长 温 度 1 5 2 5 中 等 光 照 强 度 所 种 植 韭 菜 地 上 茎 叶 不 超 过 距 地 表 0 5 0 m 的 高 度 范 围 地 下 须 根 分 布 在 不 超 过 距 地 表 0 3 0 m 深 度 的 耕 作 层 大 棚 向 阳 前 坡 倾 角 2 3 适 当 加 固 结 构 后 可 满 足 光 伏 组 件 顶 部 平 铺 安 装 的 条 件 1 2 仿真模型 在 温 室 大 棚 工 作 期 间 棚 外 环 境 温 度 和 太 阳 辐 照 度 逐 时 发 生 变 化 受 此 影 响 的 棚 内 温 度 和 光 照 条 件 也 逐 时 发 生 变 化 因 此 仿 真 采 用 C F D 瞬 态 模 型 温 室 大 棚 按 密 闭 式 结 构 环 境 和 太 阳 是 外 部 热 源 无 内 部 热 源 温 室 大 棚 在 白 天 接 受 太 阳 辐 射 时 一 部 分 太 阳 辐 射 穿 透 塑 料 膜 后 被 土 壤 和 温 室 内 壁 面 吸 收 一 部 分 太 阳 辐 射 被 光 伏 组 件 和 温 室 外 壁 面 吸 收 同 时 为 了 研 究 韭 菜 地 下 须 根 的 环 境 温 度 将 1 m 深 的 土 壤 层 也 纳 入 了 仿 真 模 型 温 室 大 棚 内 部 以 及 土 壤 层 作 为 三 维 计 算 流 体 域 使 用 八 叉 树 方 法 生 成 非 结 构 化 四 面 体 网 格 进 行 离 散 全 局 网 格 最 大 尺 寸 为 0 5 网 格 总 数 为 1 1 万 为 了 避 免 网 格 数 量 影 响 数 值 模 拟 结 果 对 光 伏 组 件 壁 面 土 壤 表 面 等 主 要 换 热 交 界 区 域 进 行 了 网 格 加 密 网 格 最 大 尺 寸 分 别 为 0 4 和 0 3 网 格 总 数 为 2 2 3 3 8 6 和 5 3 1 7 8 5 加 密 结 果 如 图 2 所 示 图 2 光伏温室大棚仿真模型 Fig 2 Photovoltaic greenhouse greenhouse simulation model 对 划 分 后 的 网 格 进 行 质 量 检 查 网 格 质 量 在 0 9 以 上 的 网 格 数 占 总 网 格 数 的 3 9 其 余 网 格 质 量 均 在 0 6 0 8 之 间 不 存 在 负 网 格 情 况 网 格 质 量 较 好 分 别 对 三 套 网 格 进 行 试 算 以 春 分 日 土 壤 层 温 度 为 参 考 量 进 行 网 格 独 立 性 验 证 计 算 可 得 当 网 格 数 量 分 别 为 2 2 3 3 8 6 和 5 3 1 7 8 5 时 温 度 变 化 范 围 基 本 相 同 变 化 率 在 1 之 内 具 体 结 果 如 图 3 所 示 为 节 省 计 算 资 源 选 用 第 二 套 网 格 2 2 3 3 8 6 作 为 后 续 分 析 的 网 格 模 型 1 3 控制方程 光 伏 温 室 大 棚 仿 真 模 型 采 用 控 制 容 积 的 有 限 元 方 法 进 行 求 解 以 流 体 质 量 动 量 以 及 能 量 守 恒 方 程 为 基 本 控 制 方 程 其 控 制 方 程 的 通 用 形 式 为 1 7 t di v U d i v g r a d S 1 式 中 通 用 变 量 代 表 u T 等 求 解 变 量 其 中 u 分 别 为 x y z 方 向 的 速 度 分 量 T 为 温 度 广 义 扩 散 系 数 S 广 义 源 项 00 00 04 00 08 00 12 00 16 00 20 00 24 00 10 15 20 25 30 35 115355 223386 531785 图 3 网格独立性验证结果 Fig 3 Grid independence verification results 1 4 太阳辐射和环境温度模型 当 地 环 境 温 度 和 太 阳 辐 射 采 用 N A S A 公 布 的 历 年 逐 月 气 象 数 据 1 8 如 图 4 所 示 结 合 地 球 绕 太 阳 公 转 轨 道 上 的 位 置 变 化 环 境 温 度 和 太 阳 辐 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 这 几 个 节 气 日 作 为 模 拟 的 典 型 日 进 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 图 4 温度和太阳辐射的逐月变化 Fig 4 Temperature and solar radiation change monthly 环 境 温 度 采 用 室 外 逐 时 温 度 计 算 方 法 1 9 模 拟 逐 时 变 化 太 阳 辐 照 度 采 用 晴 天 模 型 2 0 模 拟 逐 时 变 化 模 拟 结 果 如 图 5 和 图 6 所 示 并 加 载 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 图 5 环境温度逐时变化 Fig 5 Ambient temper ature changes with time8 期 成 珂等 光伏温室大棚组件布置 CFD 模拟研究 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 图 6 太阳辐照度逐时变化 Fig 6 Solar radiation changes with time 2 边界条件与数值方法 2 1 边界条件 光 伏 温 室 大 棚 涉 及 的 换 热 方 式 为 热 传 导 热 对 流 和 热 辐 射 大 棚 前 墙 和 顶 棚 材 质 为 塑 料 膜 换 热 方 式 以 对 流 换 热 和 辐 射 换 热 为 主 壁 面 类 型 设 置 为 混 合 壁 面 大 棚 后 墙 和 后 坡 材 质 为 普 通 砖 墙 和 防 火 保 温 板 壁 面 类 型 设 置 为 对 流 壁 面 大 棚 左 右 两 侧 墙 壁 和 顶 棚 铺 设 的 光 伏 组 件 材 质 为 普 通 砖 墙 和 不 透 明 晶 体 硅 并 在 其 表 面 加 载 太 阳 辐 射 壁 面 类 型 设 置 为 混 合 壁 面 大 棚 内 部 的 土 壤 层 其 表 面 与 棚 内 空 气 进 行 对 流 换 热 同 时 白 天 还 接 收 太 阳 辐 射 因 此 将 土 壤 层 表 面 设 置 为 热 耦 合 壁 面 离 地 表 深 1 m 的 土 壤 与 上 下 间 土 壤 传 导 换 热 温 度 常 年 稳 定 设 置 为 恒 温 壁 面 各 材 料 物 性 数 据 来 源 于 化 工 索 引 手 册 测 量 定 性 温 度 为 2 5 材 料 热 物 性 参 数 详 见 表 1 表1 材料热物性参数 Table 1 Thermal properties of materials 材料 普通砖 防火保温板 晶体硅 塑料薄膜 空气 土壤 密度 kg m 1 1800 35 2448 1 2 10 3 1 225 1700 导热系数 W m 1 K 1 0 81 0 03 1 32 0 15 0 0225 1 3 比热容 J kg 1 K 1 1050 1200 687 1170 1005 1010 数 值 模 拟 边 界 条 件 见 表 2 2 2 数值方法 本 文 采 用 C F D 瞬 态 模 型 模 拟 不 同 光 伏 组 件 布 置 方 式 下 温 室 大 棚 内 部 温 度 和 光 照 一 天 内 的 逐 时 变 化 情 况 瞬 态 模 型 的 计 算 方 法 是 以 稳 态 计 算 结 果 作 为 初 始 条 件 通 过 时 间 离 散 温 度 辐 射 和 各 换 热 系 数 等 参 数 制 作 瞬 变 表 来 设 置 瞬 态 边 界 条 件 见 表 2 模 拟 计 算 设 定 的 时 间 步 长 为 3 0 s 迭 代 次 数 为 2 8 8 0 从 而 获 得 每 时 刻 的 温 度 和 太 阳 辐 照 度 值 表2 边界条件设定 Table 2 Boundary condition setting 边界面 前墙 顶棚 后墙 后坡 侧面墙 光伏组件 土壤上表面 土壤下表面 壁面类型 透明 透明 不透明 不透明 不透明 不透明 不透明 不透明 边界类型 混合 混合 对流 对流 混合 混合 耦合 恒温 温度 瞬时值 瞬时值 瞬时值 瞬时值 瞬时值 瞬时值 定值 棚 内 空 气 视 为 定 压 不 可 压 缩 牛 顿 流 体 由 于 温 差 作 用 产 生 自 然 对 流 采 用 R N A k 湍 流 模 型 简 化 近 壁 面 区 域 并 采 用 B o u s s i n e s q 假 设 反 映 气 体 密 度 随 温 度 的 变 化 2 1 2 2 太 阳 辐 射 采 用 太 阳 射 线 追 踪 结 合 D O 辐 射 模 型 的 方 式 加 载 在 光 伏 组 件 温 室 大 棚 塑 料 膜 和 外 壁 面 压 力 速 度 耦 合 采 用 S I M P L E 能 量 方 程 和 动 量 方 程 采 用 二 阶 迎 风 格 式 3 模拟结果及分析 本 文 按 光 伏 组 件 自 上 而 下 安 装 分 别 建 立 了 覆 盖 率 1 0 2 0 3 0 1 0 0 和 未 铺 设 光 伏 组 件 的 温 室 大 棚 仿 真 模 型 模 拟 4 个 典 型 日 2 4 h 逐 时 温 度 和 光 照 条 件 变 化 在 考 虑 作 物 温 度 和 光 照 需 求 的 基 础 上 比 选 了 布 置 方 案 并 分 析 了 光 伏 发 电 系 统 的 性 能 3 1 温度变化及分析 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 逐 时 温 度 变 化 如 图 7 和 图 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 图 7 空气层温度分布 Fig 7 Air temperature distribution in shed162 太 阳 能 学 报 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 图 8 土壤层温度分布 Fig 8 Soil layer temperature distribution 由 图 7 图 8 可 看 出 随 着 太 阳 辐 照 度 和 环 境 温 度 的 逐 时 变 化 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 温 度 也 同 向 变 化 光 伏 组 件 铺 设 后 会 降 低 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 温 度 铺 设 越 多 影 响 越 大 按 年 平 均 光 伏 组 件 每 增 加 1 0 覆 盖 率 白 天 空 气 层 温 度 下 降 3 5 土 壤 层 温 度 下 降 2 3 夜 晚 空 气 层 温 度 下 降 1 2 土 壤 层 温 度 下 降 0 3 1 冬 至 日 光 伏 组 件 每 增 加 1 0 覆 盖 率 白 天 空 气 层 温 度 下 降 约 1 3 土 壤 层 温 度 下 降 约 0 6 夜 晚 光 伏 组 件 具 有 一 定 的 保 温 作 用 空 气 层 温 度 上 升 约 0 4 土 壤 层 温 度 上 升 约 0 3 但 当 光 伏 组 件 的 铺 设 比 例 为 1 0 0 时 由 于 其 在 温 室 大 棚 顶 部 为 全 遮 挡 棚 内 在 白 天 不 能 接 收 到 太 阳 辐 射 而 无 法 蓄 积 能 量 因 此 相 比 于 其 他 铺 设 情 况 棚 内 空 气 层 土 壤 层 温 度 下 降 梯 度 较 大 3 2 光照变化及分析 棚 内 光 照 变 化 以 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 的 逐 时 变 化 分 析 如 图 9 所 示 由 图 9 可 看 出 随 着 太 阳 辐 照 度 的 逐 时 变 化 棚 内 土 壤 层 表 面 接 收 的 太 阳 辐 照 度 值 也 同 向 变 化 光 伏 组 件 铺 设 后 会 降 低 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 值 铺 设 越 多 影 响 越 大 按 年 平 均 光 伏 组 件 每 增 加 1 0 覆 盖 率 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 值 下 降 2 6 W m 2 夏 至 日 遮 挡 影 响 大 冬 至 日 遮 挡 影 响 小 这 是 因 为 光 伏 组 件 距 棚 内 土 壤 层 有 一 定 的 高 度 太 阳 从 日 出 逐 步 升 高 时 遮 挡 开 始 是 作 用 在 棚 内 的 后 坡 和 后 墙 上 当 太 阳 升 高 到 一 定 程 度 时 遮 挡 才 会 作 用 在 土 壤 层 因 此 冬 至 日 光 伏 组 件 遮 挡 太 阳 时 大 部 分 阴 影 落 在 后 坡 和 后 墙 上 使 得 土 壤 层 表 面 全 天 接 收 的 太 阳 辐 照 度 值 与 未 铺 设 光 伏 组 件 的 情 况 相 比 只 下 降 约 4 6 7 影 响 较 小 可 忽 略 不 计 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 图 9 土壤层表面太阳辐照度 Fig 9 Solar radiance on surface of soil layer 3 3 覆 盖率50 方案分析 根 据 上 述 温 度 和 太 阳 辐 照 度 的 逐 时 模 拟 结 果 随 着 光 伏 组 件 铺 设 比 例 的 增 加 温 室 大 棚 内 空 气 层 及 土 壤 层 温 度 逐 渐 下 降 同 时 由 于 光 伏 组 件 的 遮 挡 作 用 土 壤 层 表 面 的 太 阳 辐 照 度 值 也 随 之 降 低 结 合 文 献 9 1 0 给 出 的 5 0 覆 盖 率 文 献 1 4 推 荐 的 4 5 覆 盖 率 以 及 文 献 1 提 出 的 结 合 作 物 生 长 范 围 选 择 光 伏 组 件 覆 盖 比 例 的 方 法 综 合 考 虑 4 个 典 型 日 下 铺 设 光 伏 组 件 后 棚 内 温 度 及 太 阳 辐 照 度 的 变 化 范 围 选 择 覆 盖 率 5 0 的 光 伏 组 件 铺 设 方 式 作 为 优 选 方 案 同 时 由 于 冬 至 日 温 室 大 棚 外 部 环 境 温 度 及 太 阳 辐 照 度 值 较 低 为 进 一 步 验 证 铺 设 5 0 光 伏 组 件 后 温 室 大 棚 内 的 温 度 及 光 照 条 件 是 否 能 满 足 作 物 的 生 长 条 件 因 此 对 冬 至 日 铺 设 5 0 光 伏 组 件 的 情 况 进 行 详 细 探 究 选 取 该 情 况 下 棚 内 空 气 层 土 壤 层 的 温 度 变 化 以 及 土 壤 层 表 面 的 太 阳 辐 照 度 值 进 行 分 析 其 中 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 温 度 逐 时 变 化 如 图 1 0 所 示 选 取 光 伏 温 室 大 棚 的 南 北 截 面 进 行 分 析 云 图 排 布 方 式 为 从 左 向 右 间 隔 为 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 图 10 温度逐时分布云图 Fig 10 Tempe rature time distribution cloud map8 期 成 珂等 光伏温室大棚组件布置 CFD 模拟研究 163 冬 至 日 0 7 0 0 1 8 0 0 土 壤 层 的 太 阳 辐 照 度 值 逐 时 变 化 如 图 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 图 11 太阳辐照度逐时分布云图 Fig 11 Solar radiation time lapse distribution 从 图 1 0 图 1 1 可 看 出 铺 设 5 0 光 伏 组 件 后 在 冬 至 日 对 棚 内 土 壤 层 表 面 的 太 阳 辐 照 度 影 响 不 大 空 气 层 与 土 壤 层 温 度 也 在 可 接 受 的 范 围 内 依 据 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 温 度 及 太 阳 辐 照 度 的 分 布 情 况 结 合 韭 菜 生 长 特 点 进 一 步 分 析 地 下 3 0 c m 土 壤 层 地 表 和 地 上 5 0 c m 空 气 层 具 体 变 化 情 况 如 图 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 图 12 生长区域温度分布 Fig 12 Growth zone temperature distribution 根 据 以 上 分 析 可 得 出 冬 至 日 温 室 大 棚 顶 部 覆 盖 5 0 光 伏 组 件 与 未 铺 设 光 伏 组 件 相 比 白 天 温 度 下 降 约 1 0 夜 晚 由 于 顶 棚 覆 盖 的 光 伏 组 件 起 到 一 定 的 保 温 作 用 温 度 上 升 约 2 覆 盖 5 0 光 伏 组 件 后 在 1 2 0 0 1 6 0 0 温 度 均 能 满 足 韭 菜 的 生 长 温 度 地 下 3 0 c m 土 壤 层 的 温 度 在 一 天 内 的 变 化 幅 度 较 小 基 本 维 持 在 8 其 他 时 间 段 由 于 外 部 环 境 温 度 较 低 韭 菜 生 长 区 域 内 的 温 度 低 于 韭 菜 的 生 长 温 度 要 求 因 此 需 要 对 温 室 进 行 保 温 对 于 空 气 层 保 温 时 由 于 其 温 度 较 低 的 原 因 主 要 是 由 于 外 界 环 境 的 变 化 引 起 故 应 采 取 多 层 覆 盖 的 方 式 对 土 壤 层 保 温 时 可 采 取 挖 防 寒 沟 或 是 覆 盖 地 膜 的 方 法 对 于 韭 菜 生 长 的 光 照 要 求 温 室 顶 棚 覆 盖 5 0 光 伏 组 件 后 其 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 值 在 春 秋 分 及 夏 至 日 下 降 约 9 2 W m 2 冬 至 日 下 降 约 2 3 W m 2 且 由 图 1 1 可 看 出 光 伏 组 件 对 于 地 面 遮 挡 区 域 主 要 在 靠 近 左 右 两 侧 墙 壁 附 近 温 室 大 棚 内 部 种 植 的 韭 菜 属 于 中 等 光 照 植 物 因 此 覆 盖 光 伏 组 件 后 可 满 足 韭 菜 光 照 要 求 3 4 实验验证 利 用 现 场 温 室 大 棚 采 用 覆 盖 率 5 0 方 案 在 冬 季 进 行 实 测 依 据 模 拟 结 果 在 阴 雪 等 低 温 天 气 和 夜 间 进 一 步 采 用 大 棚 保 温 被 的 保 温 措 施 以 2 0 1 6 年 1 1 月 份 为 例 图 1 3 为 大 棚 内 平 均 温 度 变 化 图 1 4 为 1 1 月 2 2 日 大 棚 内 温 度 逐 时 变 化 情 况 图 1 5 为 1 1 月 2 2 日 实 测 与 模 拟 数 据 对 比 情 况 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 图 13 11 月份实测平均温度 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 图 14 11 月 22 日实测逐时温度 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 图 15 11 月 22 日白天实测与模拟数据对比 Fig 15 Comparison of measured and simulated data during day on November 22164 太 阳 能 学 报 42 卷 1 1 月 份 地 上 5 0 c m 地 面 和 地 下 3 0 c m 平 均 温 度 最 高 分 别 为 1 0 8 0 5 9 8 和 6 8 1 最 低 分 别 为 1 8 2 1 0 8 和 1 2 5 基 本 可 满 足 韭 菜 生 长 条 件 一 天 之 内 由 于 夜 间 采 用 大 棚 保 温 被 实 测 温 度 高 于 模 拟 结 果 白 天 日 出 后 温 度 变 化 趋 势 与 实 测 相 符 地 上 5 0 c m 地 面 和 地 下 3 0 c m 平 均 模 拟 误 差 分 别 为 9 9 5 1 1 1 8 和 2 0 5 2 平 均 模 拟 误 差 指 各 时 间 点 模 拟 值 与 实 测 值 相 对 误 差 的 平 均 值 实 验 结 果 表 明 该 方 法 对 光 伏 温 室 大 棚 设 计 有 一 定 指 导 作 用 4 结 论 本 文 针 对 光 伏 温 室 大 棚 存 在 的 光 伏 组 件 改 变 棚 内 温 度 和 光 照 条 件 以 及 与 作 物 争 抢 光 资 源 的 问 题 系 统 研 究 光 伏 组 件 布 置 对 温 室 大 棚 的 影 响 建 立 光 伏 温 室 大 棚 的 C F D 瞬 态 仿 真 模 型 根 据 棚 内 空 气 层 温 度 土 壤 层 温 度 和 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 的 变 化 对 比 不 同 光 伏 组 件 覆 盖 率 的 布 置 方 案 得 出 以 下 结 论 1 光 伏 组 件 铺 设 后 会 降 低 温 室 大 棚 内 空 气 层 和 土 壤 层 的 温 度 铺 设 越 多 影 响 越 大 按 年 平 均 光 伏 组 件 每 增 加 1 0 覆 盖 率 白 天 空 气 层 温 度 下 降 3 5 土 壤 层 温 度 下 降 2 3 夜 间 空 气 层 温 度 下 降 1 2 土 壤 层 温 度 下 降 0 3 1 0 2 光 伏 组 件 铺 设 后 会 降 低 土 壤 层 表 面 的 太 阳 辐 照 度 值 铺 设 越 多 影 响 越 大 夏 至 日 遮 挡 影 响 大 冬 至 日 组 件 遮 挡 的 阴 影 大 部 分 落 在 后 墙 上 对 土 壤 层 表 面 太 阳 辐 照 度 值 的 影 响 非 常 小 3 选 择 光 伏 组 件 5 0 覆 盖 率 的 方 案 在 冬 至 日 进 一 步 根 据 韭 菜 生 长 特 点 对 地 下 3 0 c m 土 壤 层 地 表 和 地 上 5 0 c m 空 气 层 进 行 了 分 析 与 未 铺 设 光 伏 组 件 的 温 室 大 棚 相 比 白 天 温 度 下 降 约 1 0 夜 间 温 度 变 化 升 高 约 2 能 够 满 足 作 物 温 度 和 光 照 需 求 4 通 过 对 冬 季 进 行 温 室 大 棚 温 度 实 测 实 验 验 证 了 仿 真 结 果 的 正 确 性 本 文 研 究 综 合 考 虑 了 作 物 生 长 温 度 和 光 照 条 件 对 于 光 伏 温 室 大 棚 设 计 和 建 造 有 一 定 理 论 指 导 意 义 本 文 研 究 方 法 也 可 用 在 温 室 大 棚 的 增 温 保 温 和 降 温 理 论 研 究 的 模 拟 计 算 中 参考文献 1 魏 晓 明 周 长 吉 丁 小 明 等 光 伏 发 电 温 室 的 现 状 及 技 术 前 景 研 究 C 中 国 农 业 工 程 学 会 2011 年 学 术 年 会 论文集 重庆 中国 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 张 曦 文 刘 铁 东 徐 永 光 伏 温 室 技 术 的 发 展 与 应 用 J 农业工程技术 2017 37 3