新型半透明有机光伏材料,可有效代替目前温室常规的不透明光伏材料!

   电子分析员        

由于传统的不透明光伏(PV)覆盖温室,导致可用的光合有效辐射(PAR)减少,解决这一问题的方法是使用半透明光伏。问题是半透明光伏的密度应该有多大,覆盖的密度应该有多大才不会给植物生长带来负担。本文评估了温室屋顶覆盖物上使用半透明有机光伏对温室内可用PAR的影响。所采用的方法是利用离散序数(DO)模型,用计算流体动力学(CFD)模拟辐射通过覆盖物并进入温室的传输。检验了三种OPV/覆盖物的组合,它们对PAR的正常(垂直)透射率分别为30%、45%和60%,定义了所需的光伏覆盖物。然后模拟了8个指示性太阳日的辐射传输。结果给出了温室内可用的PAR辐射和作物光合作用率,并将其与聚乙烯覆盖物在没有OPVs和外部条件下的结果进行了比较。在正常PAR透射率为30%、45%和60%的情况下,与裸露的聚乙烯(PE)相比,观察到的日均PAR辐射积分分别减少了77%、66%和52%,而各自模拟的日均光合作用速率分别减少了33%、21%和12%。最后,在PAR正常透射率为30%、45%和60%的情况下,OPV每温室长表的年发电量分别为323、242和158 kWh m-1 y-1。该工作的结果可进一步用于温室的优化设计,以实现作物水平PAR的最大化。


相关论文以题为“Simulation of Radiation and Crop Activity in a Greenhouse Covered with Semitransparent Organic Photovoltaics”发表在《Applied Sciences》上。


新型半透明有机光伏材料,可有效代替目前温室常规的不透明光伏材料!


将光伏发电用于温室运行所需的电力生产,解决了安装光伏发电所需占用土地的问题,而这些土地可以用于粮食生产。一种解决方案是将其放置在温室覆盖物本身。然而,这可能会导致植物水平的可用光合有效辐射(PAR)减少,使植物难以生长,同时也会改变描述温室内形成的热场和流场的其他参数(如温度、压力、速度等),这些参数受覆盖材料透射率的影响。作为解决这个问题的方法,建议使用薄膜形式的半透明光伏板,它不会给温室静态带来负担,此外,由于它们不像普通光伏板那样完全不透明,因此允许大量的自然光进入。然而,这也限制了PAR的进入,并预计将通过许多机制改变内部的小气候(可用PAR的数量较少,通过覆盖物的热交换较低,改变热场和流场等)。


近年来,科学界一直非常关注光伏发电融入温室覆盖物的问题调查:(a)它们能在多大程度上满足温室能源需求;(b)它们在多大程度上影响温室内植物的生长。大多数研究工作都是从实验或实地测量开始的,试图建立一些分析模型来扩大测量结果。


本研究通过对小气候的数值模拟,研究了温室覆盖物中半透明光伏发电对温室内部小气候和影响植物生长的参数的影响。据以往的文献可知,对半透明光伏覆盖的拱形屋顶温室内部的PAR水平的估计还没有进行过。因此,这项工作的主要目的是研究三种光伏密度,并计算植物水平以上的可用PAR,以及相应的光合作用速率。除了三种密度外,还考虑使用不含任何光伏的裸聚乙烯覆盖膜。其目的是确定单位覆盖面积的光伏密度,从而确定允许植物正常生长的装机功率,以及确定使用光伏的生长因子的减少率。为此,研究人员开发了一个计算流体力学模型,该模型研究了隧道温室中辐射的微气候分布,研究了一个典型的8个太阳日的2D几何形状。最后,除了评估光伏对内部小气候的影响外,研究人员还评估了光伏在拱形屋顶温室中的发电量,这也是目前尚未研究过的拱形屋顶温室的情况。


仿真几何


仿真的计算域与图1所示几何形状的弧型温室的截面相吻合,其主轴线由北向南方向。因此,模拟的截面几何形状对应于东西轴。该温室总长20 m,宽8 m,檐高2.4 m,脊高4.1 m。据考虑,它包含4个双行番茄植株。温室通风采用两个侧通风口。由于温室的长度与宽度的关系足够大,所以二维截面的检查是可行的。研究人员使用了两种基本的几何形状。第一种对应于夏季,侧面通风口完全打开(开口高度0.9米),第二种对应于冬季,通风口部分打开(开口高度0.2米)。


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图1.模拟温室的几何形状。


结构描述


本文所研究的透明有机光伏(OPV)由两种结构组成。第一个结构(结构I)包含光电器件,第二个结构(结构II)是透明的,因为它不包含光活性材料。因此,半透明的OPV由两种不同结构的条纹组成,每种条纹具有不同的光学特性。当OPV被放置在温室盖上时,会出现三种组合。(a)温室罩(在本工作中是厚度为150μm的聚乙烯薄膜)与结构I,(b)温室罩与结构II,(c)裸露的聚乙烯薄膜,没有任何OPV覆盖,以增加屋顶的透射率。在图2中,给出了上述组合的俯视图和截面图。


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图2.透明有机光伏(OPV)/温室覆盖组合。


PAR等高线


图3a-f是6月21日在PAR光谱下的正常透射率,τn,PAR=30%,一天中6个不同小时的模拟域中的PAR等值线。应该指出,在所有提出的结果中,都考虑了太阳时。


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图3.6月21日和τn,PAR=30%的光合有效辐射等值线。6月21日的光合有效辐射(PAR)等值线和τn,PAR=30%。


此外,图4a-f、图5a-f和图6a-f分别呈现了同一天在PAR光谱等于45%、60%和89%(裸PE覆盖)时的正常透射率的PAR。


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图4.6月21日的PAR等值线和τn,PAR=45%。6月21日的PAR等值线和τn,PAR=45%。


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图5.6月21日和τn,PAR=60%的PAR等值线。6月21日的PAR等值线和τn,PAR=60%。


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图6.6月21日的PAR等高线 6月21日的PAR等值线和τn,PAR=89%-无OPV的裸PE覆盖。


从图3、图4、图5和图6中可以看出,在一天中的不同时间段和所考虑的不同案例研究中,辐射分布发生了变化。在每个图中,作物线及其对温室内辐射分布的影响也很明显。


在裸露的PE膜(图6)的情况下,PAR水平明显不同于(更高)带集成OPV的覆盖物的案例研究(图3、图4和图5)。


结论


科学家利用计算流体动力学(CFD)研究了位于拱形温室屋顶的聚乙烯覆盖物上集成的三种不同密度的半透明有机光伏(OPV)对进入温室的PAR辐射水平和光合作用速率的影响。所研究的OPVs/PE盖板组合对应的正常PAR透射率为30%、45%和60%。研究结果与用PE膜覆盖的温室(无OPVs)的结果进行了比较,其正常PAR透射率为89%。考虑到4 MJ m-2 d-1的PAR阈值是几种温室物种每日总太阳辐射积分需求的最低水平,结果发现,在5月至9月期间,只有正常PAR透射率为60%的OPV/PE组合能够满足这一阈值。必须指出的是,这种OPV/PE组合相当于半透明OPV对温室屋顶的覆盖率为47%。其余的OPV/PE组合的日PAR辐射积分全年都低于这个阈值。在正常PAR透射率为30%、45%和60%的情况下,观察到的日均PAR辐射积分相对于裸露的PE分别减少了77%、66%和52%,而各自模拟的日均光合作用速率分别减少了33%、21%和12%。最后,在PAR正常透射率为30%、45%和60%的情况下,OPV每温室长表的年发电量分别为323、242和158 kWh m-1 y-1。该工作的结果可进一步用于温室的优化设计,以实现作物水平PAR的最大化。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/7/2550/htm



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