光伏连栋玻璃温室光照分布特性和承载性能研究

摘要

光伏发电技术与连栋温室集成，为解决连栋温室生产高耗能的难题提供了新思路。但是，光电玻璃会对温室内光照条件，以及温室整体的承载性能产生影响。因此，针对光伏连栋玻璃温室的光照分布特点和结构承载性能开展研究，将会为光伏连栋玻璃温室的设计和改进提供科学的理论指导，进一步促进我国光伏产业和温室产业的健康发展。
　　 本文以安装有太阳能光电玻璃的连栋玻璃温室为研究对象，采用试验测量和仿真分析相结合的方法，对光电玻璃的透光性能、温室光照的分布特性、温室结构的承载性能以及关键构件的设计进行研究。确定光伏连栋玻璃温室的基本结构参数，以及光电玻璃对温室内光照分布的影响，进而指导光伏连栋玻璃温室的设计和作物的种植。
　　 首先，在自然光照射条件下，测定太阳能光电玻璃对紫外线波段、可见光波段和红外线波段内太阳辐射的有效透过率和全波段的总透过率。太阳能光电玻璃对350～380nm波段内的紫外线透过率接近0;对380～510nm波段的可见光透过率约为0～2.5％，在510～760nm波段的可见光透过率，由2.5％线性增长到45％，线性增长斜率为k=0.168;对760～1354nm和1421～1701nm波段的红外线波段透过率随波长逐渐降低。350～2500nm波段内光电玻璃对太阳辐射的平均透过率约为25.6％。
　　 其次，对光伏连栋玻璃温室室内光照分布特性进行分析。采用Ecotect光环境分析软件，计算光伏温室地面的太阳辐射强度，确定光伏温室内太阳辐射强度平均值约为室外的53.4％。结构相同的普通温室，太阳辐射强度平均值约为室外的73.3％。根据室内地面太阳辐射强度的大小，在1～3月份和10～12月份，光伏温室地面可分为强光区和弱光区，强光区面积占比为5.8％～13.1％;在4～9月份，光伏温室地面沿南北方形平行分布8～9个相似的条状区域。同时，分析了温室走向、温室屋顶倾角和光电玻璃安装数量对室内光照分布的影响。在建成的光伏连栋玻璃温室中，通过测量温室内外的光通量对仿真计算结果加以验证。
　　 最后，对雪载荷作用下光伏连栋玻璃温室的承载性能进行分析，并确定光伏温室天沟和屋脊的结构型式和主要参数。根据国家标准对结构钢Q235B和铝合金6063进行了拉伸试验，测定了两种材料的力学性能。利用ANSYS有限元软件分析光伏温室承受雪载荷的能力时，需要考虑温室屋顶覆盖材料的影响。当考虑温室屋顶覆盖材料时，光伏温室在0.3kN/m2基本雪载荷作用下，最大的变形量为4.Omm，最大等效应力为33.9MPa。为抵消光伏温室屋顶不对称载荷对天沟和屋脊产生的扭转作用，分别设计了封闭式折弯天沟和不对称式屋脊。其中，封闭式折弯天沟分为有横撑式和无横撑式，两种封闭式折弯天沟的截面积，分别比敞口式折弯天沟增加了66.8％和45.6％，但抵抗扭转变形的能力均提高了90％以上。在0.3kN/m2基本雪载荷作用下，最大变形量仅为4.371mm和4.58mm，敞口式折弯天沟的最大变形量为70.178mm。不对称式屋脊的截面积比对称式减少了1.5％，在0.3kN/m2基本雪载荷作用下，不对称式屋脊在水平和竖直方向的最大变形，分别比对称式屋脊减少了16.6％和1.6％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 温室覆盖材料的透光性能

1．2．2 温室光照的分布特性

1．2．3 温室结构的承载性能

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第二章 太阳能光电玻璃的透光性能

2．1 试验材料

2．2 试验仪器和测量方法

2．3 试验数据处理

2．3．1 试验原始数据

2．3．2 太阳辐射的总透过率

2．3．3 太阳辐射的有效透过率

2．4 试验结果分析

2．4．1 紫外线波段

2．4．2 可见光波段

2．4．3 红外线波段

2．5 本章小结

第三章 光伏连栋玻璃温室光照分布特性研究

3．1 光伏温室光照仿真模型的建立

3．1．1 光伏温室外形参数的确定

3．1．2 光伏温室仿真模型参数的设定

3．2 光伏温室室内光照的时空分布规律

3．2．1 室内太阳辐射强度随月份的变化规律

3．2．2 室内太阳辐射强度在空间的分布规律

3．3 光照分布的影响因素分析

3．3．1 温室走向

3．3．2 温室屋顶倾角

3．3．3 太阳能光电玻璃的安装数量

3．4 光伏温室测量实验

3．4．1 实验材料

3．4．2 实验方法

3．4．3 测量结果与分析

3．5 本章小结

第四章 光伏连栋玻璃温室结构设计与承载性能分析

4．1 光伏温室有限元模型的建立

4．1．1 金属材料力学性能的测量

4．1．2 单元类型的选择

4．1．3 材料属性的设定

4．1．4 网格的划分

4．1．5 边界条件的设定

4．1．6 温室载荷的确定

4．2 光伏温室仿真计算的结果

4．2．1 雪载荷工况下的变形和应力分布

4．2．2 建模方式对承载性能的影响

4．3 光伏温室关键构件的设计

4．3．1 光伏温室天沟的设计

4．3．2 光伏温室屋脊的设计

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

科研成果及参与的课题