利用MATLAB优化太阳能平板集热器安装倾角

张翼 李宏燕

摘要：太阳能平板集热器是太阳能热利用领域用得最普遍的部件之一，集热器表面上所能接收到的太阳能不仅与地理位置、季节等有关，还与集热器的安装倾角直接有关。在建立太阳辐照模型的基础上，以宁夏银川地区为例，利用MATLAB仿真软件模拟计算了一年中每月的平均日下，集热器表面上接受到的全天总辐照量；以全天总辐照量为考察指标，对集热器的安装倾角进行了优化分析，为太阳能的开发利用提供理论借鉴。

关键词：平板集热器；辐照模型；安装倾角；优化

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3769-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.049

Abstract： Plate solar collector is one of the most common components in solar energy heat utilization field. The solar energy received by the solar collector surface is not only related to geographical location， season， etc， but also related to the installation angle of the collector. In this paper the solar irradiation model was presented and the daily total irradiance received by the surface of the collector was calculated at the monthly average day in one year with the example of Yinchuan in Ningxia area. With the examining index of round-the-clock total irradiance， the installation angle of the collector was optimized which provides theoretical reference for the development and utilization of solar energy.

Key words： plate solar collector； irradiation model； installation angle； optimize

随着世界能源消耗的日益增长和能源储量的不断下降，能源与环境之间的矛盾日益严峻。研究开发清洁能源和可再生能源成为21世纪世界各国研究人员普遍关注的问题之一[1]。太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，已成为工农业及建筑等领域节能降耗最具开发前景的清洁可再生能源[2]。

太阳能平板集热器既能利用太阳直射辐射，又能利用散射辐射，且不需要跟踪装置，具有结构简单、维护及故障少等特点，是太阳能热利用领域用得最普遍的部件之一[3，4]。不同地区、不同季节、不同时间，以及不同的集热器安装倾角，集热器表面上所能接收到的太阳能不同[5，6]。该研究在建立太阳辐照模型的基础上，以宁夏银川地区为例，利用MATLAB仿真软件模拟计算了一年中每月的平均日下，集热器表面上接收到的全天总辐照量，以全天总辐照量为考察指标，对集热器的安装倾角进行了优化分析，以期为太阳能的开发利用提供理论借鉴。

1 太阳辐照数学模型

1.1 水平面上的太阳辐照度

根据太阳辐射学原理，大气层外水平面上的太阳辐照度可表示为[4]：

Gon=1 353×（1+0.033×cos（2π×n/365）×cos？兹z（1）

式中，n为一年中天数的顺序数，无因次；？兹z为水平面上太阳入射角，采用式（2）计算

？兹z=arccos（sin？渍sin？啄+cos？渍cos？啄cos？棕） （2）

式中，φ为地方纬度；ω为时角。δ为太阳赤纬，采用式（3）计算

大气层内水平面上的直射和散射辐照度为：

Gcb=Gon×？子B

Gcd=Gon×？子d （4）

大气层内水平面上的总辐照度为：

Gc=Gcb+Gcd （5）

式中，τB为直射大气透明度，无因次；τd为散射大气透明度，无因次。

1.2 倾斜面上的太阳辐照度

将水平面上的太阳辐照度向集热器倾斜面上分解，可得集热器倾斜面上的太阳总辐照度为[4，5]：

GT=GbRb+GdRd+（Gb+Gd）？籽R？籽 （6）

其中，θ为倾斜面上太阳射线入射角，表示为

cos？兹=（sin？渍cos？茁-cos？渍sin？茁cos？酌n）sin？啄+（cos？渍cos？茁-sin？渍sin？茁cos？酌n）cos？啄cos？棕+sin？茁sin？酌ncos？啄sin？棕 （8）

式中，β为倾斜面的倾角，γn为倾斜面的方位角。

1 h内倾斜面上的总辐照量为

Ic=3 600GT （9）

将全天每个小时的辐照量加和，即为倾斜面上的总辐照量Hc。

2 模拟程序

利用太阳辐照模型，采用VB语言编写程序，计算流程如图1所示。

3 结果与分析

3.1 每月的平均日

每月的平均日指按某日计算出的大气层外的太阳辐照量和该月的日平均值最为接近，则该日为该月的平均日，推荐的每月平均日如表1所示[4]。表1的数据表明，由于日地运动的周期性，一年中的太阳赤纬角呈现周期性的变化规律，这里以1～6月的月平均日进行分析计算，确定集热器的最佳安装倾角，其他月份采用与赤纬角相近月份的集热器安装倾角。

3.2 不同月份的集热器安装倾角

根据集热器倾斜面上的辐照模型，以宁夏银川地区（东经116°、北纬38°，海拔1 112 m）为例，仿真模拟了1～6月不同月平均日下不同集热器安装倾角时集热器表面上接收到的全天太阳总辐照量，结果见图2。

从图2可以看出，不同集热器的安装倾角，集热器表面接收到的太阳辐照量不同；以宁夏银川地区为例，从1月到6月，由于太阳正射逐渐移向北回归线，北半球的太阳高度角逐渐增加，太阳入射角逐渐减小，为使集热器面上接收到的太阳辐照度较高，集热器的安装倾角逐渐减小；不同月份，存在使集热器表面太阳辐照量最大的集热器最佳安装倾角（图2）各月最佳集热器安装倾角推荐值见表2。

4 小结

太阳能作为可再生清洁能源，使用中对环境不产生污染，在替代常规能源及建筑节能应用方面具有其他能源不可比拟的优势，已成为世界各国研究的重点。通过分析集热器表面上太阳辐照量的数学模型，利用MATLAB计算仿真软件对集热器倾斜面上的太阳辐照量进行模拟仿真，以宁夏银川地区为例，分析了同一地区不同月平均日下集热器安装倾角对集热器倾斜面上太阳辐照量的影响，确定了各月份的最佳集热器安装倾角，以为太阳能的开发利用提供理论指导。

参考文献：

[1] NEISES M， TESCARI S， OLIVEIRA DE L， et al. Solar-heated rotary kiln for thermochemical energy storage[J]. Solar Energy， 2012，8（6）：3040-3048.

[2] 樊国梁，张晓燕.定时跟踪太阳时角提高光伏发电效率[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2010，41（1）：116-119.

[3] 何梓年.太阳能热利用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[4] 张鹤飞，俞金娣，赵承龙，等.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2007.

[5] 张素宁，田胜元.太阳辐射逐时模型的建立[J].太阳能学报，1997，18（3）：273-277.

[6] 陈 程.工业用太阳能热水系统动态仿真及（火用）分析[D].天津：天津大学，2011.