CN107643270A - 一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业环境技术领域，具体涉及一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其为：将覆盖层分成若干微小曲面作为一个微单元，将每个微单元考虑为平面计算其与地面的夹角，之后结合温室方位角、温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角和太阳方位角计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角；再计算每一微单元透射率，并进行加权，即得整个日光温室覆盖层直射光透射率，以此指导温室内的生产。本发明的方法将温室覆盖层分为多段曲面并简化为平面，分析每一平面太阳辐射直射光透射率随时间变化的规律，再综合计算整个覆盖层太阳辐射直射光随随时间变化的规律，更能精确反应覆盖材料、温室结构对太阳辐射直射光透射率的影响。

Description

一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法

技术领域

本发明属于农业环境技术领域，具体涉及一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法。

背景技术

日光温室是我国独有的一种温室结构型式，具有节能、高效、低成本等突出优点，最近20多年来在我国三北地区得到了快速发展，区域范围已扩展到北纬32°-48°地区，栽培面积从1990年的0.3万ha发展到2015年的100多万ha。合理温室结构设计是日光温室高效节能的技术基础。长期以来，由于缺乏系统的温光机理研究，日光温室设计和建造大都依靠经验，温室白天热能蓄积不足、夜间保温能力不够的现象较为普遍。

太阳辐射是日光温室能量的主要来源，其中太阳直射辐射是主要部分，对温室内的温度及植物的生长发育有着重要的影响。太阳辐射透过透光覆盖层进入温室，一部分以热量的形式存储在温室围护结构和地面土壤中，一部分通过作物光合作用被温室植物吸收。因此，最大限度地让阳光射入温室，提高温室内的热环境和光环境，是日光温室结构优化设计的目标。目前，日光温室使用的覆盖材料主要为透光性塑料棚膜，国标规定透光性塑料棚膜透光率不低于85％，中国目前很多温室光热环境计算文献中将该值乘以覆盖层的尘染系数来代表温室的透光率。在实际温室生产中，日光温室前覆盖由多种弧型屋面组合而成，而且太阳直射辐射的角度也是随时间变化的，日光温室前覆盖层直射辐射透光率是动态变化的，因此，日光温室透光覆盖层对直射辐射的透光率不能仅仅根据国标透光率来判断。

太阳辐射照射到前坡透光覆盖层后一部分被吸收，一部分被反射，一部分被透射，根据太阳光线与覆盖层法线的夹角不同，其吸收比、反射比和透射比也不相同，在一天中太阳光线角度在不断变化，覆盖层剖面也不为单一平面，而是多段弧面，因此，定量分析前坡覆盖层对太阳辐射的透射率时需考虑每一微小单元弧面对太阳辐射透射率的动态变化规律。

发明内容

为克服现有日光温室太阳辐射直射光透射率测定方法未考虑屋面弧度和太阳直射辐射角度的缺陷，本发明提供一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法。

本发明提供一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其为：将覆盖层分成若干微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，计算每个微单元与地面的夹角；以微单元与地面的夹角、温室方位角、温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角和太阳方位角为参数，计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角；计算每一微单元透射率，并对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，以此指导温室内的作物生产。

本发明提供一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，具体步骤如下：

S1、将覆盖层分成n个微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，某个微单元与地面的夹角记为其中n为正整数，x为1到n之间的值；

S2、按照公式(1)计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角i_x：

式中，γ和α_s分别为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ和太阳方位角α_s，α_g为温室方位角α_g；

S3、根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率，并对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，以此指导温室内的作物生产。

其中，所述温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ按照公式(2)计算：

sinγ＝sinβsinδ+cosβcosδcosv (2)

所述温室所处纬度在待测定时间点的太阳方位角α_s以公式(3)计算：

sinα_s＝cosδsinv/cosγ (3)

公式(2)和公式(3)中，β为温室的地理纬度β，δ为待测定时间当日的太阳赤纬δ，v为太阳时角。

太阳赤纬δ以公式(4)计算：

δ＝23.45sin[(d-81)×360/365] (4)

式中，d表示待测定时间点在一年中的第d天。

v以公式(5)计算：

v＝(ω-12)×2×3.14/24 (5)

式中，ω为太阳时间ω，将待测定时间点当天24小时按十进制划分时间，时间间隔为15分钟，共96个节点，则从零点开始太阳时间ω依次为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、……、23、23.25、23.5、23.75、24。

其中，S3所述根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率，每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x根据公式(6)-公式(13)进行计算：

c＝(N²-sin²i_x)^1/2 (8)

R′pa_x＝Rpa_x+Rpa_x(1-Rpa_x)²Q/(1-R²pa_xQ) (9)

R′pe_x＝Rpe_x+Rpe_x(1-Rpe_x)²Q/(1-R²pe_xQ) (10)

Q＝exp(-2CabsD′) (11)

D′＝D/[1-(sini_x/N)] (12)

τ_x＝(τpa_x+τpe_x)/2 (13)

式中，N为覆盖层的折射率N，D为覆盖层的厚度D，Cabs为覆盖层的光吸收系数Cabs，Rpa_x为振动平面平行于入射单侧面的线偏振光反射率Rpa_x，Rpe_x为振动平面垂直于入射单侧面的线偏振光反射率Rpe_x，R’pa_x为振动平面平行于入射面的线偏振光反射率R’pa_x，R’pe_x为振动平面垂直于入射面的线偏振光反射率R’pe_x：c按照公式(8)计算，Q和D’是为了简化公式所涉变量，分别按照公式(11)和公式(12)计算，按照公式(13)计算τ_x为每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x。

其中，S3所述对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，为按照公式(14)进行加权：

式中，Lx为微单元剖面直线长度Lx，γ为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ，τ_x为微单元的太阳辐射直射光透射率为微单元与地面的夹角

本发明提供一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，详细步骤如下：

S1、将覆盖层分成n个微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，某个微单元与地面的夹角记为微单元剖面直线长度记为L_x，其中n为正整数，x为1到n之间的值；

S2、获取温室方位角α_g、温室的地理纬度β，按照公式(2)和公式(3)分别计算温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ和太阳方位角α_s：

sinγ＝sinβsinδ+cosβcosδcosv (2)

sinα_s＝cosδsinv/cosγ (3)

公式(2)和公式(3)中，δ为待测定时间当日的太阳赤纬δ，v为太阳时角；

太阳赤纬δ以公式(4)计算：

δ＝23.45sin[(d-81)×360/365] (4)

式中，d表示待测定时间点在一年中的第d天；

v以公式(5)计算：

v＝(ω-12)×2×3.14/24 (5)

式中，ω为太阳时间ω，将待测定时间点当天24小时按十进制划分时间，时间间隔为15分钟，共96个节点，则从零点开始太阳时间ω依次为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、……、23、23.25、23.5、23.75、24；

以上述参数，按照公式(1)计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角i_x：

S3、具体步骤为：

S31、根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率：

获取覆盖层的厚度D、折射率N、光吸收系数Cabs；以公式(6)计算振动平面平行于入射单侧面的线偏振光反射率Rpa_x，以公式(7)计算振动平面垂直于入射单侧面的线偏振光反射率Rpe_x：

公式(6)和公式(7)中的N为覆盖层的折射率N，c按照公式(8)计算：

c＝(N²-sin²i_x)^1/2 (8)

以公式(9)计算振动平面平行于入射面的线偏振光反射率R’pa_x，以公式(10)计算振动平面垂直于入射面的线偏振光反射率R’pe_x：

R′pa_x＝Rp_x+Rpa_x(1-Rpa_x)²Q/(1-R²pa_xQ) (9)

R′pe_x＝Rpe_x+Rpe_x(1-Rpe_x)²Q/(1-R²pe_xQ) (10)

公式(9)和公式(10)中的Q按照公式(11)计算：

Q＝exp(-2CabsD′) (11)

式中，Cabs为覆盖层的光吸收系数Cabs，D’按照公式(12)计算：

D′＝D/[1-(sini_x/N)] (12)

式中，D为覆盖层的厚度D；

按照公式(13)计算每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x：

τ_x＝(τpa_x+τpe_x)/2 (13)

S32、对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率：

按照公式(14)进行加权：

式中，Lx为微单元剖面直线长度Lx，γ为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ，τ_x为微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x，为微单元与地面的夹角

S33、以获得的日光温室覆盖层直射光透射率指导温室内的作物生产。

本发明还提供所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法在指导温室内的作物生产中的应用。

本发明与现有技术相比，有益效果为：

本发明的日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，将温室覆盖层分为多段曲面，将曲面简化为平面，分析每一平面太阳辐射直射光透射率随时间变化的规律，再综合计算整个覆盖层太阳辐射直射光随随时间变化的规律。该计算方法更能精确反应覆盖材料、温室结构对太阳辐射直射光透射率的影响。

附图说明

图1为本发明日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例中，日光温室跨度为10m，长度为60m。按照图1所示，以如下步骤测定日光温室覆盖层直射光透射率：

S1、将覆盖层分成6个微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，计算每个微单元与地面的夹角得到：

平面截面，得到每个微单元的剖面直线长度如下：

L₁＝0.85m，L₂＝0.91m，L₃＝0.87m，L₄＝1.01m，L₅＝2.54m，L₆＝3.69m。

S2：温室所在的地里纬度为40°，温室方位角90°；

计算的一年中的第74天的太阳赤纬δ；

将第74天24小时按十进制划分时间，时间间隔为15分钟，共96个节点，则从零点开始时角v依次为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、……、23、23.25、23.5、23.75、24，以计算在中午12点(第49个节点)太阳辐射直射光透射率为例：

v＝12.0

太阳高度角γ和太阳方位角α_s的计算如下：

sinγ＝sinβsinδ+cosβcosδcosv

γ＝47.2°

sinα_s＝cosδsinv/cosγ

α_s＝0

太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角i_x的计算方法具体如下：

i₁＝25.14°，i₂＝14.12°，i₃＝2.68°，i₄＝8.18°，i₅＝22.65°，i₆＝29.63°

S3、具体步骤如下

S31、温室覆盖棚膜材料厚度D为0.0001m、折射率N为1.48、光吸收系数Cabs为200；

计算振动平面平行于入射单侧面的线偏振光反射率Rpa_x和振动平面垂直于入射单侧面的线偏振光反射率Rpe_x：

c_x＝(N²-sin²i_x)^1/2

c₁＝1.42，c₂＝1.46，c₂＝1.48，c₂＝1.47，c₂＝1.43，c₂＝1.40Rpa₁＝0.05，Rpa₂＝0.04，Rpa₃＝0.04，Rpa₄＝0.04，Rpa₅＝0.05，Rpa₆＝0.05

Rpe₁＝0.03，Rpe₂＝0.03，Rpe₃＝0.04，Rpe₄＝0.04，Rpe₅＝0.03，Rpe₆＝0.02

计算振动平面平行于入射面的线偏振光反射率R’pa_x和计算振动平面垂直于入射面的线偏振光反射率R’pe_x：

D′₁＝0.000104，D′₂＝0.000101，，D′₃＝0.0001，D′₄＝0.0001，D′₅＝0.000104，D′₆＝0.000106

Q_x＝exp(-2CabsD′)

Q₁＝0.9591，Q₂＝0.96026，Q₃＝0.96077，Q₄＝0.96061，Q₅＝0.95942，Q₆＝0.95845

R′pa_x＝Rpa_x+Rpa_x(1-Rpa_x)²Q/(1-R²pa_xQ)

R′pa₁＝0.091，R′pa₂＝0.077，R′pa₃＝0.071，R′pa₄＝0.073，R′pa₅＝0.087，R′pa₆＝0.1，

R′pe_x＝Rpe_x+Rpe_x(1-Rpe_x)²Q/(1-R²pe_xQ)

R′pe₁＝0.053，R′pe₂＝0.065，R′pe₃＝0.071，R′pe₄＝0.069，R′pe₅＝0.056，R′pe₆＝0.046

计算每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x：

τ_x＝(τpa_x+τpe_x)/2

τ₁＝0.91，τ₂＝0.91，τ₃＝0.91，τ₄＝0.91，τ₅＝0.91，τ₆＝0.9

S32、计算温室前坡覆盖层太阳辐射直射光透射率：

S33、以获得的日光温室覆盖层直射光透射率指导温室内的作物生产。

本实施例将温室覆盖层分为多段曲面，将曲面简化为平面，分析每一平面太阳辐射直射光透射率随时间变化的规律，再综合计算整个覆盖层太阳辐射直射光随随时间变化的规律。该计算方法更能精确反应覆盖材料、温室结构对太阳辐射直射光透射率的影响。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，其为：将覆盖层分成若干微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，计算每个微单元与地面的夹角；以微单元与地面的夹角、温室方位角、温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角和太阳方位角为参数，计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角；计算每一微单元透射率，并对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，以此指导温室内的作物生产。

2.权利要求1所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、将覆盖层分成n个微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，某个微单元与地面的夹角记为其中n为正整数，x为1到n之间的值；

S2、按照公式(1)计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角i_x：

式中，γ和α_s分别为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ和太阳方位角α_s，α_g为温室方位角α_g；

S3、根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率，并对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，以此指导温室内的作物生产。

3.权利要求2所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，所述温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ按照公式(2)计算：

sinγ＝sinβsinδ+cosβcosδcosv (2)

所述温室所处纬度在待测定时间点的太阳方位角α_s以公式(3)计算：

sinα_s＝cosδsinv/cosγ (3)

公式(2)和公式(3)中，β为温室的地理纬度β，δ为待测定时间当日的太阳赤纬δ，v为太阳时角。

4.权利要求3所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，太阳赤纬δ以公式(4)计算：

δ＝23.45sin[(d-81)×360/365] (4)

式中，d表示待测定时间点在一年中的第d天。

5.权利要求3所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，v以公式(5)计算：

v＝(ω-12)×2×3.14/24 (5)

式中，ω为太阳时间ω，将待测定时间点当天24小时按十进制划分时间，时间间隔为15分钟，共96个节点，则从零点开始太阳时间ω依次为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、……、23、23.25、23.5、23.75、24。

6.权利要求2所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，S3所述根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率，每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x根据公式(6)-公式(13)进行计算：

c＝(N²-sin²i_x)^1/2 (8)

R′pa_x＝Rpa_x+Rpa_x(1-Rpa_x)²Q/(1-R²pa_xQ) (9)

R′pe_x＝Rpe_x+Rpe_x(1-Rpe_x)²Q/(1-R²pe_xQ) (10)

Q＝exp(-2CabsD′) (11)

D′＝D/[1-(sini_x/N)] (12)

τ_x＝(τpa_x+τpe_x)/2 (13)

式中，N为覆盖层的折射率N，D为覆盖层的厚度D，Cabs为覆盖层的光吸收系数Cabs，Rpa_x为振动平面平行于入射单侧面的线偏振光反射率Rpa_x，Rpe_x为振动平面垂直于入射单侧面的线偏振光反射率Rpe_x，R’pa_x为振动平面平行于入射面的线偏振光反射率R’pa_x，R’pe_x为振动平面垂直于入射面的线偏振光反射率R’pe_x：c按照公式(8)计算，按照公式(13)计算τ_x为每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x。

7.权利要求6所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，S3所述对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率，为按照公式(14)进行加权：

式中，Lx为微单元剖面直线长度Lx，γ为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ。

8.权利要求1-7任一项所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法，其特征在于，详细步骤如下：

S1、将覆盖层分成n个微小曲面，每个微小曲面作为一个微单元，将微单元近似考虑为平面，某个微单元与地面的夹角记为微单元剖面直线长度记为L_x，其中n为正整数，x为1到n之间的值；

S2、获取温室方位角α_g、温室的地理纬度β，按照公式(2)和公式(3)分别计算温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ和太阳方位角α_s：

sinγ＝sinβsinδ+cosβcosδcosv (2)

sinα_s＝cosδsinv/cosγ (3)

公式(2)和公式(3)中，δ为待测定时间当日的太阳赤纬δ，v为太阳市郊；

太阳赤纬δ以公式(4)计算：

δ＝23.45sin[(d-81)×360/365] (4)

式中，d表示待测定时间点在一年中的第d天；

v以公式(5)计算：

v＝(ω-12)×2×3.14/24 (5)

式中，ω为太阳时间ω，将待测定时间点当天24小时按十进制划分时间，时间间隔为15分钟，共96个节点，则从零点开始太阳时间ω依次为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、……、23、23.25、23.5、23.75、24；

以上述参数，按照公式(1)计算太阳直射光与日光温室覆盖层每一微单元法线的夹角i_x：

S3、具体步骤为：

S31、根据菲涅耳方程，以每一微单元法线的夹角i_x计算每一微单元透射率：

获取覆盖层的厚度D、折射率N、光吸收系数Cabs；以公式(6)计算振动平面平行于入射单侧面的线偏振光反射率Rpa_x，以公式(7)计算振动平面垂直于入射单侧面的线偏振光反射率Rpe_x：

公式(6)和公式(7)中的N为覆盖层的折射率N，c按照公式(8)计算：

c＝(N²-sin²i_x)^1/2 (8)

以公式(9)计算振动平面平行于入射面的线偏振光反射率R’pa_x，以公式(10)计算振动平面垂直于入射面的线偏振光反射率R’pe_x：

R′pa_x＝Rpa_x+Rpa_x(1-Rpa_x)²Q/(1-R²pa_xQ) (9)

R′pe_x＝Rp_x+Rp_x(1-Rpe_x)²Q/(1-R²pe_xQ) (10)

公式(9)和公式(10)中的Q按照公式(11)计算：

Q＝exp(-2CabsD′) (11)

式中，Cabs为覆盖层的光吸收系数Cabs，D’按照公式(12)计算：

D′＝D/[1-(sini_x/N)] (12)

式中，D为覆盖层的厚度D；

按照公式(13)计算每一微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x：

τ_x＝(τpa_x+τpe_x)/2 (13)

S32、对每一微单元直射光透射率进行加权，即可获得整个日光温室覆盖层直射光透射率：

按照公式(14)进行加权：

式中，Lx为微单元剖面直线长度Lx，γ为温室所处纬度在待测定时间点的太阳高度角γ，τ_x为微单元的太阳辐射直射光透射率τ_x，为微单元与地面的夹角

S33、以获得的日光温室覆盖层直射光透射率指导温室内的作物生产。

9.权利要求1-8任一项所述日光温室覆盖层直射光透射率的测定方法在指导温室内的作物生产中的应用。