基于Ecotect的光伏溫室內光環境分析

王 彪，陳教料，應建陽

（浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部／浙江省重點實驗室，浙江杭州310014）

溫室內太陽輻射對作物生長有著重要影響，如何提高室內太陽輻射的均勻度及合理控制輻射強度以滿足作物生長需求成為一個重要的研究方向。

光伏溫室中光伏發電系統產生的電能可以提供溫室內熱能、控制系統以及設備運轉所需要的能量。在光伏溫室中，光伏面板可以替代傳統的外遮陽以降低室內輻射強度，同時合理的光伏面板排布可以提高溫室內部太陽輻射的均勻度。在傳統的研究方法中以實地測試的方法為主。Farkas等使用光合有效輻射傳感器測量室內及室外觀察點的輻射值，以確定溫室內輻射分布情況，并作為模型驗證性試驗的參考依據［1］。Teitel等分別在冬季和夏季測量了光伏溫室中的輻射分布，以分析天溝及支架對溫室內部太陽輻射的影響［2］。Marrou等通過分析溫室內部輻射的空間分布，驗證了光伏面板安裝在一個合適的位置對室內輻射無顯著影響［3］。為了使室內太陽輻射能滿足作物生長需求，需要綜合考慮光伏面板對輻射均勻度及輻射強度的影響。

相對傳統實地測試的方法，使用模擬軟件可以避免時間以及地域的限制，從而可以滿足對每個時間段及各種復雜環境進行分析的需要［4－5］。Ecotect和Daysim結合使用的方法被廣泛應用于對全年太陽輻射的分析研究［6］。Mandalaki等結合使用Ecotect和Daysim，Ecotect用于建立建筑物模型，Daysim則用于更精準地分析室內光照［7］。李慶林等使用Ecotect軟件模擬了上海地區在不同方位角和傾角下安裝太陽能集熱裝置對接收太陽輻射的影響，與實測數據進行了對比，驗證了Ecotect軟件的有效性［8］。王寶華等利用Ecotect對光伏發電系統的光伏面板最佳傾角進行研究［9］。徐菁等通過Ecotect模擬不同安裝角度下光伏組件的年發電量，比較模擬結果分析得出最適合山西大同地區的光伏組件安裝角度［10］。

本研究通過Ecotect和Daysim結合使用的方法，分析不同時間段內光伏面板對溫室內部太陽輻射均勻度及強度的影響，進而分析光伏面板對作物生長的影響。Ecotect作為光伏溫室建模工具和可視化工具，以1∶1的比例建立光伏溫室模型，將模型導入Daysim中模擬得到全年每小時室內太陽輻射數據。將模擬數據與試驗數據比較，從而驗證了溫室模型的有效性和準確性。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本試驗所用Venlo型溫室位于浙江工業大學內（地理位置 30°41′N，120°09′E）。該溫室總面積為 230.4 m2，南北朝向，頂窗安裝光伏面板，共3跨，每跨3.2 m。溫室長度、寬度、檐高、頂高分別為 24、9.6、4.0、4.7 m。溫室屋頂鋪設有300 W光伏面板，尺寸為1 960 mm×992 mm×40 mm。屋頂及壁面覆蓋4 mm浮法玻璃，室內種植作物為番茄，株高約為0.6 m，均勻放置于1.3 m高苗床上。溫室建筑結構模型如圖1所示。

1.2 試驗方法

溫室內輻射測試試驗于2015年10月26日08：00—16：00之間進行，每隔1 h對每個測試點的輻射值進行測量。為驗證模型的可靠性，在試驗溫室中共設置12個測試點，測試點位置分布如圖 2所示，其中 1、4、6、9、11、14號觀察點在浮法玻璃下方，而 2、3、5、7、8、10、12、13、15號觀察點在光伏面板下方。輻射試驗儀器采用AccuPAR LP－80植物冠層分析儀。室內測試點輻射和室外輻射的測量應在5 min內完成以確保試驗數據的可靠性，在這段時間內太陽角及太陽輻射變化較小，較為穩定，有利于試驗的準確性。

2 模型設置及驗證

2.1 模型設置

本研究采用Ecotect軟件作為溫室的建模工具，以Daysim軟件作為溫室室內輻射的分析工具。因此，利用Ecotect設計1∶1溫室模型，將模型導入Daysim中結合氣象文件得到全年每小時的溫室內輻射值。在輻射模擬中需要綜合考慮光伏面板、內遮陽、外遮陽、天溝及溫室內部設施對太陽輻射的影響。為確保模型的可靠性，根據設備的實際光學特性參數在Ecotect中設置，具體參數如表1所示。

表1 設備材料的光學特性

2.2 太陽高度角

在光伏溫室內，太陽高度角決定了太陽輻射的入射角度和溫室內遮陰區域的分布，因此，在研究光伏面板對光伏溫室內光環境的影響時需要考慮太陽高度的計算。根據Jazayeri等的研究［11］，太陽高度角H可表示為

式中：H為太陽高度角，°；φ為觀察點緯度；δ為太陽赤緯角，°；J為一年中的第幾天；t為時刻數（24 h制）。

2.3 模型仿真結果

根據試驗實測數據，溫室外太陽輻射為535 W／m2，溫度為23℃，溫室內設備參數按表1設置。

圖3為試驗光伏溫室作物冠層截面上的太陽輻射分布。可以看出，溫室內太陽輻射分布具有明顯的梯度變化，在溫室北部區域和東側壁面的輻射強度均較低，北部區域的平均輻射強度為235W／m2，東側壁面的平均輻射強度為130W／m2。而在溫室南部區域輻射強度則較高，約為275W／m2。這是由于在試驗時間內，太陽高度角約為47°，且太陽輻射從南部入射溫室，因此在溫室北部區域受光伏面板遮陰的影響較為明顯。而在溫室東部壁面安裝有濕簾風機，阻擋了入射太陽輻射，造成該區域輻射強度較低。

2.4 模型驗證

為驗證所建立模型的正確性和可靠性，以2015年10月26日12：00的溫室內太陽輻射試驗數據及模擬數據為代表進行比較，在該時間點太陽輻射較強且較為穩定，有利于模型驗證分析。如圖4所示，太陽輻射試驗和模擬數據均為“U”形，這是因為1～5號和11～15號測試點在溫室兩側，受到的直接太陽輻射和周圍壁面的漫反射較多，導致其太陽輻射強度比溫室中部測試點的輻射強度高。由圖4還可以看出，試驗數據曲線和模擬數據曲線有相同的趨勢，而且試驗數據和模擬數據的誤差在10%以內，這不但說明了溫室模型的可靠性，而且說明利用Ecotect建立溫室模型分析光伏溫室內光環境的可行性。

3 模擬分析

在光伏溫室中，溫度、室外太陽輻射、太陽高度角對溫室內入射輻射均有較大影響。因此，選取杭州地區2016年7月15日為典型時刻進行模擬分析，在該時間內溫度和太陽輻射強度均較高。根據式（1）～式（3），在10：00—16：00期間，太陽高度角分別為 62°（10：00）、81°（12：00）、60°（14：00）、36°（16：00），太陽高度角差異大，對入射太陽輻射強度和分布的影響較為明顯，有利于分析不同時間內光伏面板對溫室內光環境的影響。

由圖5可以看出，光伏面板遮陰區域隨時間由溫室西側向東南側移動。在光伏溫室內，光伏面板下方區域一直存在陰影區域，而靠近溫室東西兩側區域隨時間的不同分別會受到東側濕簾風機及西側排風扇的遮陰影響。因此，在夏季擺放作物時應避免直接放置于光伏面板下方和靠近東西兩側壁面位置。番茄等喜光作物適宜生長的太陽輻射范圍為300～450W／m2，而在太陽輻射較強的情況下，光伏溫室需要打開內遮陽以滿足作物生長需求。因此，需要對內遮陽打開情況下的溫室內光環境進行具體模擬分析。

由圖6可知，其陰影分布區域（藍色區域）與圖5相同，在 10：00、12：00、14：00、16：00光伏溫室內的平均太陽輻射分別為 300、350、325、200 W／m2（在該時間段內應關閉內遮陽），均可以滿足喜光作物的生長需求。在傳統溫室內，在太陽輻射較強的情況下需要同時打開內外遮陽以降低室內太陽輻射強度，達到作物適宜的太陽輻射范圍，而光伏面板可以代替傳統溫室的外遮陽，且溫室內太陽輻射可以保持在作物適宜生長輻射范圍內。

4 結論

本研究提出1種基于Ecotect的三維（three dimensional，簡稱3D）溫室模型對光伏溫室內太陽輻射進行模擬分析。比較模擬值與實測值，各測試點太陽輻射平均差異在10%以內，證明所建3D溫室的準確性和可靠性，驗證了Ecotect可用于光伏溫室內光環境分析。在設定了經緯度的條件下，Ecotect可以直觀反映光伏面板對溫室內太陽輻射的影響，相對其他仿真方法具有簡單、直觀的特點。

溫室模型仿真結果驗證了光伏溫室可以提供適宜作物生長的輻射范圍，且該方法可為光伏溫室優化設計提供理論基礎。

由于本研究主要考慮在夏季太陽輻射較強情況下的溫室內太陽輻射分布和對作物生長的影響，研究具有一定的局限性，需要在進一步的研究中對其他典型氣候進行模擬研究，使溫室模型及模擬方法具有更廣泛的應用價值。

參考文獻：

［1］Farkas I，Weihs P，BiróA，et al.Modelling of radiative PAR transfer in a tunnel greenhouse［J］. Mathematics and Computers in Simulation，2001，56（4／5）：357－368.

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［11］Jazayeri K，Uysal S，Jazayeri M. MATLAB／simulink based simulation of solar incidence angle and the suns position in the sky with respect to observation points on the earth［C］／／2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications，2013：173－177.