基于CFD稳态模拟的光伏玻璃温室温度分布模拟计算

云南师范大学学报 （自然科学版 ）年月卷期 （） ：基于稳态模拟的光伏玻璃温室温度分布模拟计算郭腾腾 ，涂洁磊 ，盛钰清 ，章威 ，张刘柱 ，徐晓壮 ，颜平远 ，宋冠宇（云南师范大学 太阳能研究所 ，云南省农村能源重点实验室 ，云南 昆明）摘要 ：采用计算流体动力学 （）技术 ，对 型光伏玻璃温室前坡面不同铺设比例下的温室内部温度场进行模拟计算 通过 软件建立物理模型并划分网格 ，导入到 软件中进行模拟计算 ，计算后截取 和 高处的两个横切面计算其面平均温度 比较分析模拟计算结果发现 ，光伏组件在温室前坡面铺设比例的不同会对温室内部的温度场造成影响 ，光伏温室内部的温度场呈梯度分布 关键词 ：；光伏温室 ；温度场中图分类号 ： 文献标志码 ： 文章编号 ：（） 引言温室设施与光伏相结合不但能解决传统温室由于能源供给带来的选址限制 ，还可以解决光伏电站建造的土地制约问题但是光伏温室的主体依然是蔬菜作物 ，因此安装有光伏电池组件的温室内部环境是否适合蔬菜作物生长 ，就显得非常重要了计算流体动力学 （）可以通过快速地改变和重组输入条件 ，获得温室结构特征 、外界的气候条件以及作物生长等参数对温室内部小气候环境的影响基于的仿真模拟计算方法 ，在模拟预测温室内部的环境研究中 ，已经被证明有很好的可靠性对于已经通过验证的模型 ，一次数据输入模拟就相当于一次物理实验的实验模拟不仅提高了实验效率 ，而且还减少了实验成本目前将技术应用于光伏温室的研究较少 ，孙迎龙等对自然通风条件下的光伏玻璃温室的温度场进行了模拟 ，验证了用于光伏温室模拟的可靠性 ，此外还对光伏玻璃温室在自然通风与强制通风条件下的内部温度场以及气流分布场进行了计算本文以单脊的型光伏温室为研究对象 ，通过稳态数值模拟计算得到光伏玻璃温室前坡面不同铺设比例对温室内部温度场分布的影响 光伏玻璃温室内部温度模拟的物理模型所模拟光伏玻璃温室的外部环境为昆明本地环境 ，经度为东经°，纬度为北纬°，气压，海拔 温室东西走向 ，坐北朝南 ，长度为，宽度，肩高，脊高，前后坡面倾角为°，此倾角为昆明地区光伏组件安装最佳倾角温室的四周维护结构以及后坡面均采用浮法玻璃 ，前坡面为光伏双玻组件图为模拟计算光伏温室的结构图 收稿日期：作者简介 ：郭腾腾 （），女 ，河北保定人 ，硕士研究生 ，主要从事光伏发电系统应用方面研究通信作者 ：涂洁磊 ：图 模拟计算光伏温室结构图 光伏玻璃温室内温度模拟的数学模型以模拟实验光伏温室的物理模型为基础 ，做适当简化 ，利用面向分析的高质量前处理器软件 ，进行三维几何建模和网格划分 ，将画好的网格导入到软件中 ，通过有限体积法进行求解计算图为计算温室划分的网格图图 光伏温室网格划分图 基本控制方程软件是通过求解能量方程来计算传热问题的 ，其形式为 ：（）!·（） !·!·（ ） （）式中 ，是有效导热率 ，是组分的扩散通量 ；等号右边的前三项分别表示由于导热 、组分扩散和黏性耗散所产生的能量传递为源项 ，包括化学反应放 （吸 ）热和其他用户定义的热源产生的热量在式 （）中（）对于理想气体 ，显焓定义为（）对于不可压缩气体（）在公式 （）和 （）中 ，是组分的质量分数 ，并且有 ：，（）其中 ，为对于涉及传热的问题 ，根据用户使用的模型和具体条件的设置 ，上面的能量方程 （）就会变换成与用户设置相应的方程软件通过求解变换后的具体方程得到与传热计算相关的参量 湍流模型的确定雷诺数的计算公式为 ：（）式中 ：流体流动的黏度 ，单位 ：·流场的特征长度 ，单位 ：；光伏温室内部气体的流动模型确定通常是根据气体的雷诺数来定义的 ，雷诺数越大 ，意味着惯性力占主要地位 ，流体呈湍流流动状态一般雷诺数 为层流状态 ， 为湍流状态 ， 为过渡状态通过计算 ，此光伏温室的雷诺数 ，符合湍流的流动特征 辐射模型的确定求解传热问题时 ，辐射传热是作为源项加入到能量方程中的 ，在软件中提供了五种辐射模型 ，分别为模型 、模型 、模型 、模型 、模型模型作为能够求解所有光学深度区间的模型 ，内存和计算开销比较适中 ，也能用于计算半透明介质辐射 ，相对于其他模型应用性更强 ，因此选择辐射模型用于计算光伏温室的内部流场 光伏组件的能量计算模型光伏电池的转化效率一般来说是低于的 ，绝大部分的能量以热能的形式转化为光伏组件自身的温度以及周围环境的温度尤其是在高辐射地区 ，安装在温室屋顶上的光伏组件将极··云南师范大学学报 （自然科学版 ）第 卷大地影响温室内部的温度流场所以在对光伏温室屋顶安装比例模拟之前 ，需要对光伏组件的物理特性进行研究 ，建立双玻光伏组件传热模型通常是将光伏组件分为前盖板 、电池和后背板三个部分来考虑图为光伏组件的热交换结构示意图图 光伏组件热交换结构示意图 光伏组件不同铺设比例设计安装在光伏温室屋顶前坡面的光伏组件对温室内部环境有着极大的影响光伏组件铺设的多少直接影响温室内部的光和温度分布 ，从而影响植物的光合作用因此对光伏组件不同铺设比例下的温室内部温度场进行模拟仿真设计是具有现实意义的 ，可以指导设计者设计最适宜作物生长的光伏组件铺设比例本文以较为常见的双玻组件为例 ，对光伏温室前坡面铺设光伏组件进行模拟仿真分析光伏玻璃温室的长为，宽为，前坡面面积为，每块光伏电池的尺寸为 ××为了客观准确的评估比较不同铺设面积对光伏温室内部温度场的影响 ，光伏组件的排布只考虑直线型排布 ，以此为基础来调整光伏组件的铺设比例图展示了直线型排布的示意图图 直线型排布的示意图 为了更好地研究讨论光伏组件对温室内部温度的影响 ，决定选用月日正午作为模拟仿真的时刻查阅气候资料 ，昆明月正午温度平均达到左右 ，因此在计算中将环境温度设为而这一时刻的太阳辐射通过中的太阳加载模型计算得到由于温室的门也是浮法玻璃 ，因此在计算中将门设置为的边界条件 ，没有再做单独处理模型中的物质属性和各边界条件如表中光伏温室相关材料热力学参数依据表的设置 ，分 别 对、九种不同铺设面积的直线型排布进行了仿真模拟计算并选取高度分别为的作物区域和的屋顶区域两个横切面作为温度监测面 ，求其平均温度表 光伏温室相关材料热力学参数 项目 空气 浮法玻璃 光伏玻璃 土壤密度 · 比热容 ·· 导热系 · 吸收系数 散射系数 扩散系数 发射率 边界类型 热对流壁面 耦合壁面 温度壁面··第 期郭腾腾 ，等 ：基于 稳态模拟的光伏玻璃温室温度分布模拟计算利用软件模拟光伏温室、九种前坡面直线型铺设面积的温度场模拟结果如图所示由图可知 ，当前坡面铺设面积为时 ，高度处的横截面的平均温度最高 （），当前坡面铺设面积为时 ，高度处的横截面的平均温度最低 （），但最高温度与最低温度之差不大 ，基本可以忽略不计 ，也就是说在光伏组件直线型铺设在光伏温室前坡面时 ，其铺设面积的多少对于温室作物区域的温度影响不大 ，温度 分 布 基 本 保 持 均 匀 分 布 ，温 度 维 持 在的范围内但是这也超过了大多数农作物生长的最佳温度 ，需要开启降温系统 ，将光伏温室作物区域控制在之间 ，从而提高作物的生长质量 ；当前坡面铺设面积为时 ，高 度处 的 横 截 面 的 平 均 温 度 最 高（），当前坡面铺设面积为时 ，高度处的横截面的平均温度最低 （），最高温度与最低温度之差较大 ，在光伏组件直线型铺设在光伏温室前坡面时 ，铺设面积的多少对光伏温室高度处的温度影响较大 ，考虑该区域位于温室的顶部距离作物生长区域较远 ，故高温对于作物的生长影响不大 ，但是温度过高会影响光伏组件的发电效率 ，因此还是需要开启降温系统适当降温综合考虑 ，会发现光伏温室高度处和处的横截面平均温度有明显的温度差 ，光伏温室内部存在温度梯度分布的情况 ，对此可以将温室划分成不同的温度层 ，将不同温度需求的作物种植于不同的温度层内 ，实现光伏温室立体种植 ，节约土地资源 ，增产创收图 和 处的截面平均温度对比图 结论对光伏温室前坡面不同铺设比例的光伏温室内部温度场模拟计算 ，通过截取不同的观测层面 ，对比分析实验结果可以得到以下结论 ：（）光伏组件的不同铺设比例确实会对温室内部的温度场造成影响 ；（）相同排布比例下光伏内部的温度场会出现梯度分布 ；（）可以利用光伏温室内部的温度梯度 ，将光伏温室划分为不同的温度范围区域 ，实现梯度种植参考文献 ：周伟 ，李永博 ，汪小旵 基于 非稳态模型的温室温度预测控制 农业机械学报 ，（）： ， ，（）： ， ， ， ： ，（）： ， ， ，（）：蔡彦文 基于 光热流场耦合分析的光伏温室研究与设计 杭州 ：浙江工业大学 ，郝飞麟 ，沈明卫 ，张雅 单栋塑料温室内温度场 三维稳态模拟 农业机械学报 ，（）： ， ， ，（）：孙迎龙 光伏玻璃温室内温度和气流分布的 分析研究 镇江 ：江苏大学 ，孙迎龙 ，王新忠 光伏玻璃温室自然通风条件下的模拟验证农机化研究，（）：··云南师范大学学报 （自然科学版 ）第 卷 ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ， ， ， ， （ ， ， ， ，）： （） ， ， ， ：； ； ··第 期郭腾腾 ，等 ：基于 稳态模拟的光伏玻璃温室温度分布模拟计算