西昌地區太陽能集熱器安裝最佳傾角探討

巫朝敏， 喬振勇， 黃渝蘭， 王瀟逸

(四川省建筑科學研究院，四川成都 610036)

太陽能集熱器的安裝傾角對集熱量有著至關重要的影響，傾角影響到太陽光入射角與集熱器表面角度從而影響到集熱器上可利用太陽輻照量。我國有許多學者已對太陽能集熱器最佳傾斜角進行研究分析，馬江燕[1]對我國典型氣象年下的10個城市正南方位斜面上的太陽日照輻射總量進行分析；楊慶[2]在考慮熱水負荷情況下用計算機以蘭州地區為例進行了模擬計算，得出最近傾角；唐潤生[3]等對全國集熱器的最佳按照角度進行計算歸納。西昌地區太陽能資源較為豐富，年太陽輻照量為5 400 MJ/m2以上[4]，開發利用該地區的太陽能不但可以實現能源利用多樣化，也可充分保護該地區環境。當地對太陽能利用工程中，出于簡化目的，通常是施工單位按照可安裝場地條件進行安裝，未考慮當地緯度等因素。本文以西昌地區太陽能輻照強度和地理氣候特征為研究條件，通過太陽能集熱器在不同傾角下冬半年的集熱量動態計算分析，旨在分析得出該地區太陽能集熱器的最佳安裝傾角。

1 理論分析

1.1 傾斜表面上太陽能總輻照度確定

太陽能系統設計時，集熱器可獲得有效太陽能能量涉及到一個關鍵參數[5]，即集熱器表面所獲得年平均輻照量，而該輻照量不僅與當地太陽能資源條件有關，更是與集熱器安裝的傾斜面及方位角有很大的關系。我國地處北半球，絕大多數地區的最佳方位角一般為0 °即方位角一般取正南向，西昌地區亦是如此。選取西昌地區太陽能集熱器方位角為正南向，其傾斜表面上的太陽能輻照度可根據GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》附錄D中計算公式進行計算，傾斜表面上的太陽總輻照度應按下列公式計算：

Iθ=ID·θ+Id·θ+IR·θ

(1)

ID·θ=Incosθ

(2)

cosθ=sinδsinφcosS-sinδcosφsinScosγ

+cosδcosφcosScosω+cosδsinφsinScosγcosω

+cosδsinSsinγsinω

(3)

δ=23.45sin[360×(284+n)/365]

(4)

Id·θ=IdH(1+cosS)/2

(5)

IR·θ=ρG(IDH+IdH)(1-cosS)/2

(6)

IDH=Insinas

(7)

sinas=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(8)

(9)

式中：Iθ為傾斜表面上的太陽總輻照度(W/m2)；ID·θ為傾斜表面上的直射太陽輻照度(W/m2)；Id·θ為傾斜表面上的散射太陽輻照度(W/m2)；IR·θ為地面反射的太陽輻照度(W/m2)；In為垂直于太陽能光線表面上的太陽直射輻照度(W/m2)；θ為太陽能直射輻射的入射角，太陽入射光線與接收表面法線之間的夾角(°)；δ為赤緯角(°)；φ為當地地理緯度(°)；S為表面傾角，指表面與水平面之間的夾角(°)；γ為表面方位角(°)，朝向正南的傾斜表面，其值為0；ω為時角(°)，每小時對應的時角為15 °，從正午算起，上午為負，下午為正，數值等于離正午的時間(h)乘以15，日出、日落時角最大，正午為0；n為一年中的日期序號(無量綱)；IdH為水平面上的散射輻照度(W/m2)；ρG為地面反射率，工程計算中，取平均值0.2，有雪覆蓋地面取0.7；IDH為水平面上的直射輻照度(W/m2)；as為高度角(°)；Rb為傾斜表面上的直射太陽輻照度與水平面上的直射太陽能輻照度的比值。

1.2 傾斜集熱器表面上集熱量確定

實際太陽能系統工程中，特別是太陽能熱利用系統的集熱量可以根據GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中下列公式計算：

Qj=A×H×η×100

(10)

(11)

式中：Qj為集熱系統累計得熱量(MJ)；A為集熱系統的集熱器總面積(m2)；H為傾斜表面上太陽總輻照量(MJ/m2)；η為太陽能熱利用系統的平均集熱效率(%)；HT為傾斜表面上太陽總輻照度(W/m2)；T、T1、T2為傾斜表面上太陽能集熱器集熱時間段(h)。

從式(10)、式(11)中，可知在集熱器總面積一定且該類型集熱器的平均集熱效率一定時，累計得熱量與傾斜表面上太陽總輻照度成正相關性，可以得到最佳傾角下傾斜表面上太陽總輻照度最大化；另在滿足一定得熱量下，系統的平均集熱效率已確定，則集熱器總面積與傾斜表面上太陽總輻照度成反比。

2 西昌地區太陽輻射量

根據西昌地區典型氣象參數及氣象站給予的當地太陽能輻照量參數可得到西昌地區全年太陽日總輻照量和月均總輻照量(圖1、圖2)。

圖1 太陽日總輻射量

圖2 太陽月總輻射量

圖1、圖2可以分析得出，西昌地區全年月總輻射量中3月至8月較大，其他月份總輻射量較小；全年日平均總輻射量中11月至3月的波動較小，其他月份特別是夏季則波動較大，說明冬季的太陽日平均總輻射量較為穩定，可利用價值較高。

3 計算模擬

3.1 建立TRNSYS模型

根據上述的公式，并采用TRNSYS建立太陽能集熱系統模型(圖3)。該系統的控制邏輯與西昌地區建設的太陽能集熱系統實際工程相同，集熱循環啟動，低于5 ℃停止，另假定全年每日熱水于19∶00至24∶00全部被用戶用完，需及時補充自來水。

圖3 TRNSYS集熱系統模型示意

3.2 集熱模型檢驗

因西昌地區實際工程項目現場檢測日期是8月份，因此在進行集熱模型檢驗時，亦采用該項目實測日期進行模擬計算。結果可見表1。可知TRNSYS模型模擬計算的出口溫度與實測出口溫差偏離在6 %以內，基本可以認為該模型符合工程模擬計算要求。

表1 模擬計算結果與實測值對比

3.3 最佳傾角計算分析

西昌當地已建成太陽能熱利用系統工程的太陽能集熱器主要朝南向為主、部分采用東偏南或西偏南。因此進行模擬計算時，集熱器的朝向均取正南朝向，分析時間段為1～12月，集熱器的平均效率η為30 %。集熱器傾角從0 °開始，以10 °為增量，從0～60 °，西昌的地理緯度取27.65 °，海拔取2 000 m。TRNSYS程序運行計算結果見表2。

通過模擬結果可知，西昌地區的太陽能熱水利用系統在年平均集熱效率一定時，集熱量最大值出現在傾斜角0～40 °之間，其中冬半年主要是30～40 °，夏半年主要是0～20 °。西昌地區的生活熱水系統主要用于生活洗浴，特別對冬天的熱水需求較高，因此該地區的太陽能熱水利用系統的集熱器傾角應盡量處于30～40 °的范圍內(圖4)。

4 結論

對于西昌地區住宅的太陽能熱水利用系統最重要的是冬季盡量利用太陽能進行供熱降低輔助熱源的耗能，而其最重要的就是集熱器可以提供的集熱量，通過上述模擬分析可知在集熱器傾角為30～40°時西昌地區南向集熱量存在最大值，因此在實際工程應用中集熱器的傾斜角保證處于該范圍內能更好的利用太陽能進行熱水供應。

表2 不同傾斜角下全年每月得熱量 MJ

圖4 集熱器得熱量模擬計算結果分布