平板集热器安装倾角与太阳辐射量吸收的关系

廖祯群，刘新月

(1.云南省德宏傣族景颇族自治州潞西市芒市农村能源工作站，云南 芒市 678400；

2.云南建筑技术发展中心，云南 昆明 650034)

平板集热器安装倾角与太阳辐射量吸收的关系

廖祯群1，刘新月2

(1.云南省德宏傣族景颇族自治州潞西市芒市农村能源工作站，云南 芒市 678400；

2.云南建筑技术发展中心，云南 昆明 650034)

摘要：根据经验理论计算公式，结合昆明和丽江两个地区的实际地理气候情况，计算出了平板太阳能集热器朝南放置时在不同安装角度下太阳能辐射量所能接受的值。结果表明：昆明和丽江，夏半年使用集热器的时候，朝南放置，其最佳倾角接近于0°时，能得到最大辐射量；冬半年使用的集热器，其最佳倾角近似等于θ+20°左右，能得到最大辐射量。集热器每个月的最佳倾角相差很大，它与地理纬度和每个月的气候特征有关。

关键词：平板太阳集热器；安装倾角；太阳辐射量

1引言

能源是人类日常生活和社会生产都离不开的物质。进入21世纪以来，国际传统的化石类能源价格跌宕起伏，燃烧化石燃料后所造成的排放污染问题日益凸显，对于中国这个人口大国来说，经济社会的快速发展与资源需求之间的突出矛盾已不是一个崭新的话题。如何寻找一种可再生的清洁能源作为补充品或局部替代品，是摆在每一个国家决策者和新能源制造商面前的重要课题。因此，从宏观上讲，发展太阳能产业的首要价值即是对传统发展模式的纠正，是对可持续发展道路的践行，更是对中国自然环境利用、保护机制的深刻变革。从具体产业发展上讲，太阳能产业是具有巨大发展潜力的阳光产业，开发运用的核心技术还有很大的可成熟空间，鼓励企业对技术进行研发创新是我们抢占新时代核心技术制高点的重要机遇。

太阳能利用中包括太阳能的光—热、光—电转化，而太阳能热利用被公认为最有效、最经济的太阳能利用方法。对于光热转化效率一定的太阳能热水器，投射到集热器采光面较多的太阳辐射就意味着该设备输出的可用能量最多。

2理论计算方法

太阳辐射能量中，直射辐射所占比例较大，投射到采光面的太阳直射辐射能的多少取决于太阳入射角，太阳入射角越接近0°，投射到采光面的太阳直射辐射能量就越多，而太阳的入射角依赖于集热器安装的倾角与朝向。此外，散射辐射(包括来自太阳的散射和太阳照到地面反射回来的散射两个部分)同样也占据着相当的比例，投射到集热器采光面的散射辐射同样与采光面的安装倾角有关。对于安装朝向的确定，近来年已有大量学者对其进行了研究，得出了一些适应于特定地区的简单规律，一般来说，朝南放置为其最佳朝向。本文将针对昆明和丽江两个地区朝南放置的平板太阳能集热器的安装倾角与集热器吸收的太阳总辐射量的关系进行如下的理论计算。

在太阳辐射相关计算中，广泛使用的是多年累计月平均总辐射。假定给定某个月水平面总辐射Hhm，除以该月的天数，得出月平均日水平辐射量Hh，月平均日散射Hd由Collares-Pereira-Rabl经验关系式求出[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为月平均大气晴空指数，KT为：

(2)

H0为大气层外月平均水平日太阳辐射量，可由下面的表达式求出：

H0=τdayI0cosλcosδ(sinω0-ω0cosω0)/π

(3)

τday=86400

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

(4)

I0为一年中第n天在法向平面上测得的大气层外的辐照度，n从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为赤纬角。

cosω0=tanλtanδ

(6)

式中：ω0为太阳时角，为纬度角。

计算中，取每月中间日作为代表日来计算月平均晴空指数KT和月平均日散射Hd。知道月日平均水平辐射Hh和月平均日散射Hd，天空散射和水平面辐射的逐时变化由下列关系式求出：

Id=rdHd

(7)

Ih=rhHh

(8)

Ib=(Ih-Id)/nx

(9)

rh=(a+bcosω)rd

(10)

(11)

常数a,b由下面的表达式确定：

a=0.409+0.5016sin(ω0-π/3)

(12)

b=0.6609-0.4767sin(ω0-π/3)

(13)

倾斜面上的太阳辐射Ht：

It=Ibcosθ+HdRd+ρHh(1-cosθ)/2

(14)

Rd=(2+cosθ)/3

(15)

式中：Rd为倾斜面与水平面散射辐射之比。

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为集热器倾斜表面上能接收到的总太阳辐射量。

3计算结果及分析

昆明的地理纬度为25.02°，丽江的纬度为26.86°，根据上述公式及相关数据，把公式(17)对每个月求和，利用计算机编程进行循环运算，得出昆明地区和丽江地区每个月不同安装倾角与所吸收辐射量的值。图1、图2为昆明地区上半年和下半年太阳能集热器朝南安装时不同角度下单位面积所吸收的太阳总辐射量的关系曲线，图3、图4为丽江地区上半年和下半年太阳能集热器朝南安装时不同角度下单位面积所吸收的太阳总辐射量的关系曲线。

图1　昆明上半年平板集热器安装倾角与吸收太阳总辐射量的关系

图2　昆明下半年平板集热器安装倾角与吸收太阳总辐射量的关系

图3　丽江上半年平板集热器安装倾角与吸收太阳总辐射量的关系

昆明、丽江两个地区在春季太阳总辐照量最大，夏季由于天气原因，所接受的太阳总辐射量较小。由图1、图2、图3、图4可看出昆明地区和丽江地区在相同朝向，各个月的最佳安装倾角与吸收太阳总辐射量关系的趋势走向略有相同。昆明地区和丽江地区在1月、2月当倾角安装范围为30°~60°时，能接收到较大的太阳辐射；3月在20°~30°，4月、8月在10°以前，吸收较好；5月、6月、7月当安装倾角趋近于0°时，吸收辐射达到最大值；9月安装倾角接近于20°时，10月安装倾角在35°~40°范围时，有较好的吸收；当到了11月、12月时，安装倾角在45°~60°范围之间吸收太阳辐射效果最为理想。

表2　昆明、丽江各月最佳安装

表2中，昆明和丽江夏半年使用集热器的时候，朝南放置，其最佳倾角接近于0°时，能得到最大辐射量；春分时(3月)，最佳倾角为当地地理纬度，得到的太阳辐射量最大；冬半年使用的集热器，其最佳倾角近似等于纬度角(θ)+20°左右，能得到最大辐射量。集热器每个月的最佳倾角相差很大，它与地理纬度和每个月的气候特征有关。

4结论

(1)对于给定朝向的平板太阳能集热器，存在着最佳倾角。

(2)集热器每个月的最佳倾角相差很大，它与地理纬度和每个月的气候特征有关。

(3)在昆明和丽江，夏半年使用集热器的时候，朝南放置，其最佳倾角接近于0°；冬半年使用的集热器，其最佳倾角近似等于θ+20°左右。

(4)应根据安装方位的不同，采用不同的安装倾角，以获得最大太阳辐射总量。

(5)本文计算结果及分析是根据平板太阳集热器在固定朝向(朝南)放置时推导而来的，对采用平板太阳集热器朝南安装放置时有一定的指导意义。

参考文献：

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

[2]张鹤飞.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，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.太阳能热利用[M].北京：中国科学技术大学出版社，2009.

中图分类号：TK511.22

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2015)04-0258-03

通讯作者：刘新月(1986—)，女，云南保山人，助理工程师，硕士，主要从事太阳能光热应用研究。

作者简介：廖祯群(1986—)，女，贵州金沙人，助理工程师，主要从事农村能源研究。

收稿日期：2015-02-27