基于CFD光热流场耦合分析的光伏温室研究与设计

摘要

温室内部流场情况极为复杂，受到众多环境因素的影响，传统的工程实验方法很难全面准确地把握温室内的环境因子。得益于计算机硬件技术日新月异的发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的仿真计算速率和计算量得到了大幅度的提高，这也使得利用CFD技术求解如温室等复杂空间的流体特性成为可能。近年来，对于温室的CFD研究日趋成熟，已经延伸到温室领域的各个角落。
　　本文以Venlo式光伏温室和带有作物的普通玻璃温室为研究对象，采用CFD技术对其内部的温度场、空气流场以及太阳辐射分布进行了仿真模拟和分析讨论。通过查阅文献资料和公式理论计算，对CFD模型的计算域进行了选择，进而对该模型进行了适当的网格划分，并为仿真选择了合适的基本控制方程形式、湍流模型、辐射模型以及作物多孔介质模型等。
　　为验证CFD模型，分别对光伏温室和种有黄瓜作物的普通玻璃温室进行了数据测定试验。通过试验采集所得不同位置的气象数据为CFD模型中各边界的初始条件设置提供了数据支持。进而通过FLUENT软件进行了CFD模型的仿真模拟。将所得到的仿真计算值与试验测量值进行了对比，从而验证了所建立CFD温室模型的有效性，并通过网格独立性实验排除了干扰因素的影响。
　　在此基础上，对试验玻璃温室进行了光伏面板排布的模拟设计。通过对比不同排列方案时的温室内部温度场、太阳辐射场以及不同光伏组件布局方案的发电功率，得到了最优化的玻璃温室屋顶光伏面板排布方式，为今后的实际工程设计提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及目的

1．2 太阳能光伏温室国内外发展现状

1．2．1 太阳能光伏温室国外发展现状

1．2．2 太阳能光伏温室国内发展现状

1．3 CFD技术在温室领域的应用现状与发展

1．3．1 计算流体力学CFD简介

1．3．2 基于CFD技术的温室环境研究现状

1．4 研究内容与方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．5 本文研究思路

第2章 光伏温室数值模拟理论研究

2．1 温室物理模型

2．2 光伏温室数学模型的建立

2．2．1 气体动力学方程

2．2．2 布西内近似假设

2．2．3 温室基本控制方程的建立

2．3 光伏温室的湍流模型

2．3．1 光伏温室内气体流动状态判定

2．3．2 湍流模型的选择

2．4 光伏温室的辐射模型

2．4．1 热辐射传递概述

2．4．2 辐射方程

2．4．3 辐射模型的选择

2．5 光伏温室的作物模型

2．6 本章小结

第3章 光伏温室CFD模型的建立

3．1 CFD软件概述

3．2 计算域选择

3．3 网格划分

3．4 边界条件设置

3．4．1 太阳加载模型

3．4．2 室内空气介质

3．4．3 土壤边界条件

3．4．4 温室围护结构

3．4．5 进出口边界条件

3．4．6 作物模型

3．4．7 光伏组件模型

3．5 微分方程的离散及求解

3．5．1 微分方程的离散

3．5．2 微分方程的求解

3．5．3 有限体积法的求解方法

3．5．4 FLUENT求解器设定

3．6 FLUENT工作流程

3．7 本章小结

第4章 光伏温室数据测定试验及CFD模型验证

4．1 试验温室概述

4．2 试验目的及实验环境

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验环境

4．3 试验设备及方案

4．3．1 试验设备

4．3．2 测点布置

4．3．3 试验方案

4．4 测试结果及讨论

4．5 CFD模型验证及讨论

4．5．1 CFD仿真结果

4．5．2 CFD模型验证

4．6 网格独立性验证

4．7 本章小结

第5章 光伏温室不同光伏面板排布方案的比较

5．1 光伏组件传热模型

5．1．1 光伏组件前盖板能量模型

5．1．2 光伏组件电池部分能量模型

5．1．3 光伏组件后盖板能量模型

5．2 光伏温室光伏组件不同排布方案设计

5．3 不同排布方案的CFD仿真分析

5．3．1 不同方案CFD模型热场研究

5．3．2 不同方案CFD模型光场研究

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果