平板集熱器安裝傾角與太陽輻射量吸收的關系

廖禎群，劉新月

(1.云南省德宏傣族景頗族自治州潞西市芒市農村能源工作站，云南 芒市 678400；

2.云南建筑技術發展中心，云南 昆明 650034)

平板集熱器安裝傾角與太陽輻射量吸收的關系

廖禎群1，劉新月2

(1.云南省德宏傣族景頗族自治州潞西市芒市農村能源工作站，云南 芒市 678400；

2.云南建筑技術發展中心，云南 昆明 650034)

摘要：根據經驗理論計算公式，結合昆明和麗江兩個地區的實際地理氣候情況，計算出了平板太陽能集熱器朝南放置時在不同安裝角度下太陽能輻射量所能接受的值。結果表明：昆明和麗江，夏半年使用集熱器的時候，朝南放置，其最佳傾角接近于0°時，能得到最大輻射量；冬半年使用的集熱器，其最佳傾角近似等于θ+20°左右，能得到最大輻射量。集熱器每個月的最佳傾角相差很大，它與地理緯度和每個月的氣候特征有關。

關鍵詞：平板太陽集熱器；安裝傾角；太陽輻射量

1引言

能源是人類日常生活和社會生產都離不開的物質。進入21世紀以來，國際傳統的化石類能源價格跌宕起伏，燃燒化石燃料后所造成的排放污染問題日益凸顯，對于中國這個人口大國來說，經濟社會的快速發展與資源需求之間的突出矛盾已不是一個嶄新的話題。如何尋找一種可再生的清潔能源作為補充品或局部替代品，是擺在每一個國家決策者和新能源制造商面前的重要課題。因此，從宏觀上講，發展太陽能產業的首要價值即是對傳統發展模式的糾正，是對可持續發展道路的踐行，更是對中國自然環境利用、保護機制的深刻變革。從具體產業發展上講，太陽能產業是具有巨大發展潛力的陽光產業，開發運用的核心技術還有很大的可成熟空間，鼓勵企業對技術進行研發創新是我們搶占新時代核心技術制高點的重要機遇。

太陽能利用中包括太陽能的光—熱、光—電轉化，而太陽能熱利用被公認為最有效、最經濟的太陽能利用方法。對于光熱轉化效率一定的太陽能熱水器，投射到集熱器采光面較多的太陽輻射就意味著該設備輸出的可用能量最多。

2理論計算方法

太陽輻射能量中，直射輻射所占比例較大，投射到采光面的太陽直射輻射能的多少取決于太陽入射角，太陽入射角越接近0°，投射到采光面的太陽直射輻射能量就越多，而太陽的入射角依賴于集熱器安裝的傾角與朝向。此外，散射輻射(包括來自太陽的散射和太陽照到地面反射回來的散射兩個部分)同樣也占據著相當的比例，投射到集熱器采光面的散射輻射同樣與采光面的安裝傾角有關。對于安裝朝向的確定，近來年已有大量學者對其進行了研究，得出了一些適應于特定地區的簡單規律，一般來說，朝南放置為其最佳朝向。本文將針對昆明和麗江兩個地區朝南放置的平板太陽能集熱器的安裝傾角與集熱器吸收的太陽總輻射量的關系進行如下的理論計算。

在太陽輻射相關計算中，廣泛使用的是多年累計月平均總輻射。假定給定某個月水平面總輻射Hhm，除以該月的天數，得出月平均日水平輻射量Hh，月平均日散射Hd由Collares-Pereira-Rabl經驗關系式求出[1]：

Hd/Hh=0.755+0.347(ω0-π/2)-[0.505+0.261](ω0-π/2)cos[2(Kt-0.9)]

(1)

式中：KT為月平均大氣晴空指數，KT為：

(2)

H0為大氣層外月平均水平日太陽輻射量，可由下面的表達式求出：

H0=τdayI0cosλcosδ(sinω0-ω0cosω0)/π

(3)

τday=86400

I0=1373(1+0.033cos(360n/365.25))

(4)

I0為一年中第n天在法向平面上測得的大氣層外的輻照度，n從1月1日算起。

表1　各月代表日的日序[2]

sinδ=sin23.45cos(360(n+10)/365.25)

(5)

式中：δ為赤緯角。

cosω0=tanλtanδ

(6)

式中：ω0為太陽時角，為緯度角。

計算中，取每月中間日作為代表日來計算月平均晴空指數KT和月平均日散射Hd。知道月日平均水平輻射Hh和月平均日散射Hd，天空散射和水平面輻射的逐時變化由下列關系式求出：

Id=rdHd

(7)

Ih=rhHh

(8)

Ib=(Ih-Id)/nx

(9)

rh=(a+bcosω)rd

(10)

(11)

常數a,b由下面的表達式確定：

a=0.409+0.5016sin(ω0-π/3)

(12)

b=0.6609-0.4767sin(ω0-π/3)

(13)

傾斜面上的太陽輻射Ht：

It=Ibcosθ+HdRd+ρHh(1-cosθ)/2

(14)

Rd=(2+cosθ)/3

(15)

式中：Rd為傾斜面與水平面散射輻射之比。

Ht=∫Ibcosθdt+Hd(2+cosθ)/3+ρHh(1-cosθ)/2

(16)

Ht=RbHb+Hd(2+cosθ)/3+ρHh(1-cosθ)/2

(17)

式中：Ht為集熱器傾斜表面上能接收到的總太陽輻射量。

3計算結果及分析

昆明的地理緯度為25.02°，麗江的緯度為26.86°，根據上述公式及相關數據，把公式(17)對每個月求和，利用計算機編程進行循環運算，得出昆明地區和麗江地區每個月不同安裝傾角與所吸收輻射量的值。圖1、圖2為昆明地區上半年和下半年太陽能集熱器朝南安裝時不同角度下單位面積所吸收的太陽總輻射量的關系曲線，圖3、圖4為麗江地區上半年和下半年太陽能集熱器朝南安裝時不同角度下單位面積所吸收的太陽總輻射量的關系曲線。

圖1　昆明上半年平板集熱器安裝傾角與吸收太陽總輻射量的關系

圖2　昆明下半年平板集熱器安裝傾角與吸收太陽總輻射量的關系

圖3　麗江上半年平板集熱器安裝傾角與吸收太陽總輻射量的關系

昆明、麗江兩個地區在春季太陽總輻照量最大，夏季由于天氣原因，所接受的太陽總輻射量較小。由圖1、圖2、圖3、圖4可看出昆明地區和麗江地區在相同朝向，各個月的最佳安裝傾角與吸收太陽總輻射量關系的趨勢走向略有相同。昆明地區和麗江地區在1月、2月當傾角安裝范圍為30°~60°時，能接收到較大的太陽輻射；3月在20°~30°，4月、8月在10°以前，吸收較好；5月、6月、7月當安裝傾角趨近于0°時，吸收輻射達到最大值；9月安裝傾角接近于20°時，10月安裝傾角在35°~40°范圍時，有較好的吸收；當到了11月、12月時，安裝傾角在45°~60°范圍之間吸收太陽輻射效果最為理想。

表2　昆明、麗江各月最佳安裝

表2中，昆明和麗江夏半年使用集熱器的時候，朝南放置，其最佳傾角接近于0°時，能得到最大輻射量；春分時(3月)，最佳傾角為當地地理緯度，得到的太陽輻射量最大；冬半年使用的集熱器，其最佳傾角近似等于緯度角(θ)+20°左右，能得到最大輻射量。集熱器每個月的最佳傾角相差很大，它與地理緯度和每個月的氣候特征有關。

4結論

(1)對于給定朝向的平板太陽能集熱器，存在著最佳傾角。

(2)集熱器每個月的最佳傾角相差很大，它與地理緯度和每個月的氣候特征有關。

(3)在昆明和麗江，夏半年使用集熱器的時候，朝南放置，其最佳傾角接近于0°；冬半年使用的集熱器，其最佳傾角近似等于θ+20°左右。

(4)應根據安裝方位的不同，采用不同的安裝傾角，以獲得最大太陽輻射總量。

(5)本文計算結果及分析是根據平板太陽集熱器在固定朝向(朝南)放置時推導而來的，對采用平板太陽集熱器朝南安裝放置時有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]Rabl A. Active solar collectors and their applications[M].Oxford:Oxford University Press,1981.

[2]張鶴飛.太陽能熱利用原理與計算機模擬[M].西安：西北工業大學出版社，2004.

[3]Runsheng Tang,Tong Wu.Optimal tilt-angles for solar collectors used in China[J]. Applied Energy,2004,79(3):239～248.

[4]何梓年.太陽能熱利用[M].北京：中國科學技術大學出版社，2009.

中圖分類號：TK511.22

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0258-03

通訊作者：劉新月(1986—)，女，云南保山人，助理工程師，碩士，主要從事太陽能光熱應用研究。

作者簡介：廖禎群(1986—)，女，貴州金沙人，助理工程師，主要從事農村能源研究。

收稿日期：2015-02-27