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。 【关键词】：Venlo型温室 光伏温室 计算流体力学(CFD) 数值分析 光伏板排布设计
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S625;TM615
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及目的11-12
• 1.2 太阳能光伏温室国内外发展现状12-16
• 1.2.1 太阳能光伏温室国外发展现状12-14
• 1.2.2 太阳能光伏温室国内发展现状14-16
• 1.3 CFD技术在温室领域的应用现状与发展16-23
• 1.3.1 计算流体力学CFD简介17-18
• 1.3.2 基于CFD技术的温室环境研究现状18-23
• 1.3.2.1 国外温室CFD模拟研究现状18-21
• 1.3.2.2 国内温室CFD模拟研究现状21-23
• 1.4 研究内容与方法23-24
• 1.4.1 研究内容23
• 1.4.2 研究方法23-24
• 1.5 本文研究思路24-25
• 第2章 光伏温室数值模拟理论研究25-37
• 2.1 温室物理模型25-26
• 2.2 光伏温室数学模型的建立26-30
• 2.2.1 气体动力学方程26-27
• 2.2.2 布西内近似假设27
• 2.2.3 温室基本控制方程的建立27-30
• 2.3 光伏温室的湍流模型30-33
• 2.3.1 光伏温室内气体流动状态判定30-31
• 2.3.2 湍流模型的选择31-33
• 2.4 光伏温室的辐射模型33-35
• 2.4.1 热辐射传递概述33
• 2.4.2 辐射方程33-34
• 2.4.3 辐射模型的选择34-35
• 2.5 光伏温室的作物模型35
• 2.6 本章小结35-37
• 第3章 光伏温室CFD模型的建立37-55
• 3.1 CFD软件概述37-38
• 3.2 计算域选择38
• 3.3 网格划分38-43
• 3.4 边界条件设置43-49
• 3.4.1 太阳加载模型43-44
• 3.4.2 室内空气介质44-45
• 3.4.3 土壤边界条件45
• 3.4.4 温室围护结构45-46
• 3.4.5 进出.边界条件46-47
• 3.4.6 作物模型47-48
• 3.4.7 光伏组件模型48-49
• 3.5 微分方程的离散及求解49-52
• 3.5.1 微分方程的离散49-50
• 3.5.2 微分方程的求解50-51
• 3.5.3 有限体积法的求解方法51-52
• 3.5.4 FLUENT求解器设定52
• 3.6 FLUENT工作流程52-54
• 3.7 本章小结54-55
• 第4章 光伏温室数据测定试验及CFD模型验证55-75
• 4.1 试验温室概述55-57
• 4.2 试验目的及实验环境57-58
• 4.2.1 试验目的57-58
• 4.2.2 试验环境58
• 4.3 试验设备及方案58-64
• 4.3.1 试验设备58-61
• 4.3.2 测点布置61-64
• 4.3.2.1 玻璃温室测点布置61-62
• 4.3.2.2 光伏温室测点布置62-64
• 4.3.3 试验方案64
• 4.4 测试结果及讨论64-66
• 4.5 CFD模型验证及讨论66-72
• 4.5.1 CFD仿真结果66-71
• 4.5.1.1 玻璃温室66-69
• 4.5.1.2 光伏温室69-71
• 4.5.2 CFD模型验证71-72
• 4.6 网格独立性验证72-74
• 4.7 本章小结74-75
• 第5章 光伏温室不同光伏面板排布方案的比较75-89
• 5.1 光伏组件传热模型75-78
• 5.1.1 光伏组件前盖板能量模型75-77
• 5.1.2 光伏组件电池部分能量模型77
• 5.1.3 光伏组件后盖板能量模型77-78
• 5.2 光伏温室光伏组件不同排布方案设计78-79
• 5.3 不同排布方案的CFD仿真分析79-88
• 5.3.1 不同方案CFD模型热场研究80-84
• 5.3.2 不同方案CFD模型光场研究84-87
• 5.3.3 综合比较分析87-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第6章 总结与展望89-91
• 6.1 总结89-90
• 6.2 展望90-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-97
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果97

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