日光温室太阳辐射模型构建及应用

太阳辐射是影响日光温室光、热环境的重要参数,准确获得温室内部墙体与地面的太阳辐射照度变化规律可对温室设计建造、温室内环境调控与作物生产起到重要的指导意义。该文在总结已有日光温室太阳辐射模型的基础上,通过气象数据,地球、太阳的运动规律以及太阳光线与日光温室前屋面入射角的关系,建立了较为完善的日光温室太阳辐射模型,并利用该模型对温室内部辐射规律进行分析。采用典型晴天数据对模型进行检验,结果显示计算值与实测值平均偏差最大为63.46 W/m~2,平均绝对误差最大为63.48 W/m~2,均方根误差最大为79.18 W/m~2,决定系数在0.95～0.99范围内。利用该模型分析温室内部辐射规律发现,相比不同位置屋面角度的影响而言,透光率受时间即太阳方位与太阳高度角的影响更大。温室墙体表面与地面太阳辐射照度随季节不断变化,春秋分是一年中墙体与地面接受太阳辐射时间最长的节气,该日墙体表面与地面太阳辐射照度大致相当。春分到秋分期间,地面辐射照度高于墙体表面;从秋分到春分期间,墙体表面太阳辐射照度大于地面。不同区域温室内太阳辐射日积累量主要受纬度影响,低纬度地区较高纬度地区而言,冬季太阳辐射日积累量大,夏季太阳辐射日积累量小。研究结果可为日光温室内墙体蓄热、屋面优化、作物种植、围护结构能量平衡等研究提供理论参考与相关数据。     

基于修正双作物系数模型估算温室黄瓜不同季节腾发量

为估算温室黄瓜植株蒸腾与土面蒸发,该研究基于FAO-56推荐的双作物系数模型,应用温室内实测微气象、叶面积指数(LAI)及土壤水分数据,对模型中基础作物系数(Kcb)和土面蒸发系数(Ke)进行修正,并基于修正后FAO-56Penman-Monteith(P-M)模型,确定温室参考作物蒸发蒸腾量(ET0),进而估算温室黄瓜蒸发蒸腾量(ETc)和植株蒸腾(Tr)。基于Venlo型温室内黄瓜不同种植季节(春夏季和秋冬季)Lysimeter和茎流计观测的黄瓜ETc和Tr,对修正后的双作物系数模型预测结果进行验证。结果表明,应用修正后的双作物系数模型估算的温室黄瓜ETc和Tr与实测值具有较好地一致性,春夏季温室黄瓜全生育期ETc估算值与实测值的日均值分别为3.05和2.94 mm/d,秋冬季分别为2.53和2.76 mm/d。修正后的双作物系数模型估算春夏季温室黄瓜日ETc的决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和模型效率系数(Ens)分别为0.95、0.41 mm/d和0.93;估算秋冬季ETc的误差计算结果依次为0.91(R2)、0.48 mm/d(RMSE)和0.90(Ens)。修正后的双作物系数模型估算春夏季日平均Tr与实测值分别为2.37和2.19mm/d,秋冬季分别为1.43和1.34 mm/d。研究结果还显示,不同种植季节温室黄瓜全生育期日平均Tr占ETc的比例分别为64.62%(春夏季)和68.59%(秋冬季)。该研究成果不仅为制定准确的温室黄瓜灌溉制度提供了理论依据,而且对实现温室环境智能化控制及减少温室内无效的土面蒸发具有重要意义。     

连栋温室采光性能评价指标

温室的采光性能决定着进入温室的能量和作物用于光合作用的光合有效辐射大小。但采光性能的优劣在中国缺少明确的评价指标。该文综合分析了已有研究成果,提出了太阳总辐射透过率、光合有效辐射及其在温室内分布的均匀性等3个技术参数作为温室采光性能的评价指标。     

APSIM玉米模型中辐射估算的误差传输

以华北地区3个典型站点(山东省莒县站、河南省郑州和南阳站)为研究对象,分析计算玉米生长期间Angstrom-Prescott模型、Ogelman模型、Bahel模型、日照百分率和气温日较差综合模型(简称综合模型)和刘可群等太阳总辐射估算模型的相对误差,分别将该5个模型估算结果和太阳辐射实测值(依次命名为模拟方案1-5和模拟方案0)输入APSIM玉米模型,计算各模型驱动APSIM玉米模型模拟产量的相对误差,分析由于太阳辐射估算误差对模型产量模拟结果造成的误差传输。结果表明,5个日太阳辐射模型在生长期内的平均估算误差(εi)在莒县站以A-P模型最小,在郑州和南阳站点以综合模型最小;各辐射估算模型对APSIM模型的产量模拟结果均有明显影响,综合模型模拟结果最好,其驱动APSIM模拟的玉米产量误差最小;5个辐射模型估算误差对APSIM模型模拟玉米产量的误差均有放大效应,Angstrom-Prescott模型、Ogelman模型、Bahel模型、综合模型和刘可群等模型辐射误差分别以2.23、2.28、1.63、1.85、1.90倍传输到APSIM玉米模型模拟的产量误差,可见,一定要重视辐射模型的选取和辐射模型经验系数的确定;评价5个辐射模型的误差传输到产量的误差,要综合考虑辐射模型本身的误差和辐射误差传输到产量误差中放大的效应两方面的影响,综合模型传输到产量的误差最小。因此,在华北地区无太阳总辐射实测值的地区使用APSIM模型时,本研究推荐辐射方案4即综合模型为首选模型。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

长江中下游Venlo型温室番茄蒸腾模拟研究

该文针对目前国际上计算作物蒸腾速率的通用Penman-Monteith方程(P-M方程)存在的所需参数即作物叶片气孔阻抗不易获取的问题,首先通过春季和冬季Venlo型温室小气候和番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)叶片气孔阻抗以及植株蒸腾量的实验观测,分析并量化番茄叶片气孔阻抗与温室小气候因子之间的关系。然后将其与P-M方程结合,模拟计算了春冬两季温室内番茄作物的累积蒸腾量,并用实测植株蒸腾量检验了模拟的效果。结果表明,在长江中下游地区的春季,两个供试番茄品种叶片气孔阻抗r_s与光合有效辐射PAR的关系为11205/(5.28+PAR)。将该函数关系与P-M方程相结合模拟计算的春冬两季温室内番茄的蒸腾量与实测值的吻合度较高。春季番茄蒸腾量模拟值与实测值之间的决定系数为0.97,标准误为5.50 mm,冬季番茄蒸腾量的模拟值与实测值之间的决定系数为0.99,标准误为1.21 mm。本研究建立的番茄叶片气孔阻抗与太阳辐射的定量关系,解决了在长江中下游地区用P-M方程计算番茄蒸腾速率时所需模型参数(叶片气孔阻抗值)难以获取的困难,为P-M方程在温室番茄水分管理中的实际应用奠定了基础。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

塑料大棚气流场模拟及作物蒸腾量计算

为了分析塑料大棚内气流场的特征和计算与作物蒸腾量有关的通风参数,该文通过计算流体动力学模拟了塑料大棚内自然通风量,建立了华东地区常见塑料大棚内平均风速和外部风速之间的线性关系,根据能量平衡和紊流扩散模型建立了一个计算作物蒸腾量的数学模型,并利用棚外的常规气象资料和棚内的实测温度计算了棚内作物蒸腾量。通过将作物蒸腾量的计算值和实测值进行比较,结果发现作物蒸腾量的计算值与实测值比较一致,逐日蒸腾量间的决定系数为0.7756,累积蒸腾量间的决定系数为0.9983,模拟累计值与实测累计值之间标准误差为1.16 mm,最大绝对误差为4.82 mm;结果表明,所建立的计算方程参数较少,推求的风速参数比较适用于普通塑料大棚。该研究可满足大棚内作物水分管理、温室大棚设计规划和区域水资源管理等方面的需要。     

基于Penman-Monteith方程的温室番茄蒸腾量估算模型

作物的蒸腾是作物生命过程中十分重要的组成部分。为寻求适合于温室栽培条件下番茄植株蒸腾量的计算模型,本文以Penman-Monteith方程为基础,针对温室特定的小气候环境,对番茄冠层整体气孔阻力、空气动力学阻力等参数进行合理修正,建立了包含气象数据、番茄叶面积指数和冠层高度为主要参数的温室番茄蒸腾量估算模型。分别采用2009年5月2-13日（开花坐果期）和2009年6月9-20日（成熟采摘期）2个时段内的实测蒸腾量对模型模拟结果进行验证,2个时段内模型模拟结果的平均相对误差分别为8.48%和9.20%,表明所建模型可以较好地的计算温室番茄的蒸腾量。本研究提出的蒸腾量估算模型对温室番茄作物水分关系的深入研究具有重要参考价值。     

基于Penman-Monteith方程的日光温室番茄蒸腾量估算模

为寻求适合于温室栽培条件下番茄植株蒸腾量的计算模型,该文以Penman-Monteith方程为基础,针对日光温室特定的小气候环境,对番茄冠层整体气孔阻力、空气动力学阻力等参数进行了修正,建立了包含气象数据、番茄叶面积指数和冠层高度为主要参数的日光温室番茄蒸腾量估算模型。分别采用2009-05-02－2009-05-13（开花坐果期）和2009-06-09－2009-06-20（成熟采摘期）2个时段内的实测蒸腾量对模型模拟结果进行验证,2个时段内模型模拟结果的平均相对误差分别为8.48%和9.20%,表明所建模型可以较好地计算日光温室番茄的蒸腾量。该研究提出的蒸腾量估算模型对日光温室番茄需水规律的深入研究具有参考价值。     

日光温室土质梯形墙体与地表太阳辐射测定分析

为研究日光温室梯形土质后墙与地表太阳辐射分布规律,采用辐射探头分别与墙体和地表平行的方式测定了后墙内表面上、中、下3点和地表面南北方向2点的太阳辐射照度。在墙体表面测试并比较了同一测点2种测法（探头水平安装与倾斜安装）的区别。结果表明,在墙体同一测点2种测法所测太阳辐射照度有显著性差异,倾斜法所测值大于水平法所测值,倾斜法所测值应为墙体表面实际得到的太阳辐射照度。在不开风口的情况下,墙体：温室后墙上、中、下3点表面日均太阳辐射照度依次升高。晴天,上、中、下3点日辐射总量分别占墙体日辐射总量的21.6%、36.6%和41.8%;阴天,这一比例为22.5%、34.0%和43.5%;地面：南北方向2测点太阳辐总量总是南部大于北部,南北2点太阳辐射总量分别占地面辐射总量的62.0%和38.0%;阴天的比值为63.2%和36.8%;墙体与地面：地面太阳辐射总量高于墙体。晴天,墙体表面太阳辐射总量为8.117 MJ/m2,地面为8.280 MJ/m2,地面值略高于墙体,差异不显著;阴天,墙体与地面太阳辐射总量分别为0.984 和2.068 MJ/m2,地面太阳辐射总量显著高于墙体太阳辐射总量。该研究为探讨该类型温室热环境提供参考。     

太阳能平板型集热器阵列排布优化

为了优化集热器阵列排布便于水平屋顶有限空间的安装,该文建立了日均遮挡模型和太阳辐射模型。利用所建模型研究了集热器阵列排布长宽比与纬度、日均遮挡因子、阵列占地面积、到达集热阵列的太阳辐射量间的关系。结果表明,大型集热器阵列(占地面积≥500m2),冬至日日均遮挡因子随阵列长宽比和纬度的增加而增大。长宽比∈[1/10,3/1)时,日均遮挡因子上升较快;长宽比∈[3/1,10/1]时,日均遮挡因子增加平缓。对于占地面积∈[50,1000]m2的集热器阵列,面积越小、日均遮挡因子随长宽比的变化越快。冬半年各月水平面上日均太阳辐射分布情况对到达阵列的太阳辐射量最大对应的最佳长宽比存在较大影响。鉴于太阳辐射分布的影响以及便于工程应用,文中给出了中国不同纬度13个城市5种集热器阵列的最佳长宽比;研究结果可为太阳能集热阵列的排布优化提供参考。     

太阳自动跟踪系统中光电传感器的设计

针对现有光电传感器存在形式单一、跟踪精度不高、运行稳定性较差等不足,该文通过对光电传感器进行结构设计,设计了一种金字塔式和箱体式嵌套的粗-精跟踪光电传感器,其中箱体式可拆卸、单独使用,其内部的凹面镜利用反射作用有效减小了箱体高度,保证了跟踪过程中的跟踪精度和运行稳定性。在对该传感器的电路进行设计时,选取四运放集成电路LM324为核心,利用其比较作用来控制电机驱动执行机构,从而使聚光系统对准太阳。利用MATLAB/Simulink对模糊PID(proportional integration differentiation,比例-积分-微分)控制器建模和仿真,与PID控制相比,模糊PID控制曲线的响应时间较短,在0.1 s时给系统一个宽度为0.1的矩形脉冲干扰,在0.1~0.2 s之间系统的响应曲线、控制误差的响应曲线以及控制器的输出变化曲线呈现不同的变化;在0.2 s时,均达到稳定状态。通过分析可知,无论是否存在干扰,该控制方法均能使控制器迅速达到稳定状态,减少系统响应时间,从而减少系统的运行成本。该研究为太阳自动跟踪系统的稳定运行和跟踪精度的提高提供了参考。     

太阳能膜蒸馏淡化水系统运行优化

该文旨在优化太阳能膜蒸馏淡化水系统运行过程。采用试验手段确定了该系统的最佳运行工况,测试了最佳工况下该系统的运行效果,说明了系统运行过程的电力平衡情况。测试结果表明:呼和浩特地区该系统光热部分最佳循环流量为150 L/h;光伏光热系统以连续跟踪方式运行;热工质加热过程控制方法为,当辐照度低于500 W/m~2时仅开启光伏发电系统加热热工质,当辐照度介于500~700 W/m~2时采用光伏光热互补方式加热热工质,当辐照度大于700 W/m~2时仅开启光热系统加热热工质;该系统于最佳工况运行时平均膜通量为14.92 kg/(m~2·h),且系统可维持电力平衡;该系统于优化工况下运行时7组膜组件串联即可满足1个4口之家的饮水需求。系统于优化工况下运行,单位产水量所需的膜面积为0.067 m~2。该研究可为膜蒸馏淡化水系统应用研究提供一定参考。     

太阳能热利用的研究方向

本文介绍了当前太阳能热利用技术的发展及推广情况,着重介绍了太阳能热利用技术的应用现状;分析了我国发展太阳能的迫切性、优势及重大意义;总结了太阳能热利用技术的发展,以及相关的应用情况;重点讨论了几种代表太阳能热利用技术发展方向及有重大推广价值的太阳能热利用技术,结合具体工程案例对其基本构成及运行机理进行了较为详细的介绍,对其推广应用提出了相应的建议及方案。     

太阳能光伏发电技术的发展与评价

该文分析了光伏太阳能的潜力，介绍了光伏太阳能电池、组件、系统等方面的技术现状和发展趋势，根据对光伏系统成本的预测分析了光伏发电的经济性，并且从几个方面讨论了光伏发电对环境的影响，最后提出了光伏发电实际应用的问题和发展前景。     

移动式太阳能增氧机的研制

为提高池塘养殖的机械增氧效率,应用Solidworks软件设计了移动式太阳能能增氧机,该设备由太阳能动力组件、水面行走机构、增氧装置和运动控制系统等组成。移动式太阳能增氧机可在水面自主行走,产生波浪和实现上下水层交换。性能测试表明,移动式太阳能增氧机的光照启动强度为17 000 lx,空载噪声为75.3 d B,水面行走机构的行走速度在0.027~0.041 m/s之间波动,无线遥控距离为44.2 m,在增氧装置位置的最大浪高为0.44 m。随着光照强度的增强,增氧装置增氧效率和扰动水体能力增强,最大机械增氧能力为1.24 kg/h,动力效率2.59 kg/(k W·h);最大扰动水体1 254.4 m3/h,扰水动力效率2 613.3 m3/(k W·h)。移动式太阳能增氧机利用太阳能作为能源,在池塘水体中运行面积大、运行时间长,强化了池塘自身的自净能力,具有生态调控的功能,有利于池塘物质循环和水质改善。     

Mobile sampling of solar radiation under conifers

Estimates of transmitted global radiation beneath a red pine canopy were made on seven consecutive clear days in August and on one clear day in October, using three mobile and three stationary pyranometers above the forest floor and one that was placed above the canopy. The mobile sensors were moved back and forth continuously at a speed of 4 m min⁻¹ on 20 m long north-south oriented tracks, and the signals from the seven sensors were integrated continuously and summed by independent integrators each day from dawn to dusk. The results demonstrate the reproducibility of mobile transmission records and indicate that mobile sampling of transmitted global radiation is more sample-efficient, and gives a more reliable estimate of radiation within a forest, than the use of stationary sensors.     

Calculation of solar radiation in mountainous terrain

A study was performed to assess the accuracy of a daily solar radiation model for horizontal or sloping sites in terrain where surrounding ridges and tall trees block both direct beam and diffuse sky short wave radiation. To simulate adequately the major effects of these environments on radiation, the model incorporated (1) standard treatment of solar geometry (after Harris, 1983); (2) separation of direct and diffuse radiation by considering scattering and absorption due to aerosols, water vapor, air molecules and ozone (after Iqbal, 1983); (3) anisotropy of diffuse radiation modeled as a circumsolar component (15–50% of the total clear sky diffuse) plus an isotropic background; and (4) proper calculation of the proportions of sky radiation and ground reflected radiation sensed by both horizontal and inclined sensors. The model was calibrated using data from both horizontal and inclined pyranometers at six sites over four years. Values for the Ångstrom turbidity coefficient and the percentage of circumsolar diffuse radiation were determined using an iterative best fit technique. Mean monthly values of these coefficients and mean monthly ozone and water vapor concentrations from nearby weather service stations could be used for predicting total, cloud free, daily radiation with acceptable accuracy. Required site measurements include slope, aspect, latitude, longitude, date, time, effective horizon for the site, and an assessment of albedo for the surrounding terrain (including vegetation).