太阳能平板集热器最佳倾角的确定及动态调节

2019-01-11孙媛媛赵斌冯婧恒李文袁喜鹏

西藏科技 2018年12期

孙媛媛赵斌, 冯婧恒李文袁喜鹏

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063210；2.西藏自治区能源研究示范中心，西藏拉萨 850001）

西藏属于高海拔地区、空气透明度好、所处纬度低，属于太阳能应用的一类地区。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》提出太阳能作为清洁高效能源已成为可持续能源发展的必由之路[1-2]，而西藏地区拥有得天独厚的太阳能资源，充分利用可达到节能减排的良好效果。

从成本和应用性方面出发，平板集热器成本相对较低，具有产水量高、不爆管、可承压等特点[3]，依据西藏地区建筑物层高普遍较低的实际情况，优选太阳能平板型集热器作为太阳能供热系统的集热设备。集热器采光面吸收太阳辐射能的多少与集热器安装倾角有关，如能动态调节集热器安装倾角，可实现太阳能利用的最大化[4]。

国内外学者对关于平板集热器的最佳倾角开展了研究。厚彩琴等[5]通过模拟安装角度、方位对集热器性能的影响，得出在夏季，集热器面朝东固定，倾角为45°时，吸收太阳辐射能效果最佳；左德功等[6]认为日平均集热量与集热器方位角无必然联系，但积尘则使集热效率下降；Jafarkazemi[7]对平板集热器安装角在-90°＜β＜90°、安装方位角-90°＜γ＜90°的情况进行研究，得出最优倾角为22°，较当地纬度24.4°相差不多，且全年最优倾角由南至北呈下降趋势。

1 太阳能辐射强度

太阳辐射强度（也称太阳辐射量）与太阳高度角有关。当太阳光线垂直于平面照射时，面积最小，在单位面积上接收的太阳辐射量越多；而当光线斜射时，面积增加，在单位面积上接收的太阳辐射量减少。太阳高度角因时、因地而异，通常正午太阳高度角最大、夏季大于冬季、低纬地区大于高纬度地区[8-9]。

1.1 太阳能辐射量

拉萨市日照充足，地形复杂，造就了得天独厚的气候条件，和国内大部分地区相比，拉萨空气比较稀薄，阳光充足，温度较低，降水较少。

为能深入研究太阳辐射量的特性，采集拉萨市2017年12月30日的辐射量数据进行分析。

测试的太阳辐射量随时间变化曲线如图1所示。从图1可以看出，整体趋势是先增加后下降，在当地正午时间13∶00左右达到峰值，此时集热效率最高。其中9∶00至11∶00太阳辐射量由209 W/m2快速增加到863 W/m2，太阳辐射量变化较大，曲线斜率显著增大，且连续6h太阳辐射量都在800 W/m2以上。由此可知，拉萨太阳能资源丰富，太阳辐射量较高，为太阳能的热利用提供了最佳的资源条件。

1.2 阳光入射角

不同时刻下太阳光线照射到平板集热器采光平面，会形成不同的入射角，入射角不同，平板集热器接收到的太阳辐射量相对有所不同。而入射角的确定，需要依据测试所在地的地理位置对太阳时角、赤纬角及高度角等进行计算。阳光入射角示意如图2所示。

1.2.1 太阳入射角。

式中：h为太阳高度角，°；α为太阳方位角，°；γ为斜面方位角，°。

面向南向倾角为θ的斜面：

图2 阳光入射角示意

1.2.2 入射角修正系数。一般表示为入射角为i时，（τα）e,θ与i=0°时的（τα）e,o比值。

式中：Kθ为入射角修正系数。

其中，B在一定条件下为定值。

1.2.3 太阳辐射强度与入射角。法向太阳辐射强度与入射角IDN为太阳光线法线方向的太阳直接辐射强度ID。

斜面上太阳直接辐射强度ID：

斜面上太阳散射辐射强度Id：

倾斜上获得的地面反射辐射强度IR：

倾斜面上的总辐射强度I：

式中：IdH为水平面散射辐射强度，W/m2；IH为水平面总辐射强度，W/m2。

2 半自动追光集热器

对于光热转化效率一定的太阳能平板集热器，其太阳辐射量吸收越多，输出的可用能量也越多。而不同季节，太阳光入射角不同，将影响太阳能平板集热器的采光率，降低其换热效率。因此寻求最佳倾角安装及应用，以获得最大的太阳辐射总量。

集热器的安装倾角是工程运行中可控的参数，直接影响到集热效率和集热器出口工质的温度。基于拉萨的纬度及太阳辐射强度参数，通过调节集热器倾角，探讨太阳辐射强度变化规律，提高集热器换热效率。

2.1 追光平板集热器支架

常规平板集热器支架均是固定连接构成，安装倾角是固定的。而不同的季节，太阳光入射角不同，如果采用以上结构，将影响太阳能平板集热器的采光率，降低其换热效率。

可调节式太阳能平板集热器支架示意如图3所示，包括放置框架、支撑底架、支撑杆及手摇式螺旋千斤顶装置。放置框架与支撑底架为四边形，两个手摇式螺旋千斤顶的两端分别与两根支撑杆和支撑底架的一根短杆连接。

该支架结构通过手摇式螺旋千斤顶实现了太阳能平板集热器倾角的动态调节。具体是通过扳动手柄，使螺杆旋转，从而使支撑杆上升或下降，得到实际应用中支撑杆最佳长度，从而整体改变平板集热器位于支架上的倾斜角度，体现了安装及应用过程中的灵活调节特点。支架倾角处两端使用两块角钢进行固定连接，平板集热器顶端及底端的传热介质循环管路均采用软管连接，以保证集热器在集热过程中，可使倾斜角度自由调节，调节范围为36-46°，符合工程实际需要。

图3 可调节式平板集热器支架示意

2.2 安装倾角对太阳辐射强度的影响

集热器的朝向和安装倾角是影响其换热性能的两个重要因素。安装倾角随地区纬度不同而不同。中国相关标准则指明，若装置在夏季运行，最佳倾角在地区纬度基础上降低；若装置在冬季运行，最佳倾角在地区纬度的基础上提高10°。文章讨论的平板集热器采用GB4271-2007试验方法，测试地点在拉萨市，选取拉萨市的实验平台作为研究对象。为得到最大太阳辐射能，平板集热器朝正南安装，拉萨市的纬度为29°36′。测试时，通过自行设计的可调式支架，以西藏自治区能源研究示范中心办公楼顶布置的平板集热器为测试对象，以集热器倾角为自变量，分别对36-46°进行实验测试，得到随倾角的变化，集热器单位面积收集的太阳辐射量变化趋势如图4所示。

图4 不同倾角下日太阳辐射总量变化曲线

2018年5月23-27日10∶00至15∶00不同倾角下日太阳辐射量变化曲线如图4所示。由图4分析可知，日太阳辐射量随倾角的增加而下降，原因是拉萨市此时正值夏季，太阳高度角偏大，通过减小安装倾角，达到与太阳高度角互余的目的。倾角越小，集热器收集的热量越多，直至最佳倾角时收集的太阳辐射量达到最大值，而后继续下降。且拉萨市夏季正值雨季多云，依天气情况太阳辐射量不稳定，四条曲线虽整体均呈下降趋势，但测试范围内辐射强度有一定差异，且波动程度不同。以集热器表面太阳辐射量最大为目标，提出了拉萨市确定平板太阳能集热器最佳倾角的方法。