西昌地區(qū)太陽(yáng)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(xué)研究院，四川成都 610036)

太陽(yáng)能集熱器的安裝傾角對(duì)集熱量有著至關(guān)重要的影響，傾角影響到太陽(yáng)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(yáng)輻照量。我國(guó)有許多學(xué)者已對(duì)太陽(yáng)能集熱器最佳傾斜角進(jìn)行研究分析，馬江燕[1]對(duì)我國(guó)典型氣象年下的10個(gè)城市正南方位斜面上的太陽(yáng)日照輻射總量進(jìn)行分析；楊慶[2]在考慮熱水負(fù)荷情況下用計(jì)算機(jī)以蘭州地區(qū)為例進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出最近傾角；唐潤(rùn)生[3]等對(duì)全國(guó)集熱器的最佳按照角度進(jìn)行計(jì)算歸納。西昌地區(qū)太陽(yáng)能資源較為豐富，年太陽(yáng)輻照量為5 400 MJ/m2以上[4]，開發(fā)利用該地區(qū)的太陽(yáng)能不但可以實(shí)現(xiàn)能源利用多樣化，也可充分保護(hù)該地區(qū)環(huán)境。當(dāng)?shù)貙?duì)太陽(yáng)能利用工程中，出于簡(jiǎn)化目的，通常是施工單位按照可安裝場(chǎng)地條件進(jìn)行安裝，未考慮當(dāng)?shù)鼐暥鹊纫蛩亍１疚囊晕鞑貐^(qū)太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度和地理氣候特征為研究條件，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器在不同傾角下冬半年的集熱量動(dòng)態(tài)計(jì)算分析，旨在分析得出該地區(qū)太陽(yáng)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(yáng)能總輻照度確定

太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，集熱器可獲得有效太陽(yáng)能能量涉及到一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[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(dāng)?shù)靥?yáng)能資源條件有關(guān)，更是與集熱器安裝的傾斜面及方位角有很大的關(guān)系。我國(guó)地處北半球，絕大多數(shù)地區(qū)的最佳方位角一般為0 °即方位角一般取正南向，西昌地區(qū)亦是如此。選取西昌地區(qū)太陽(yáng)能集熱器方位角為正南向，其傾斜表面上的太陽(yáng)能輻照度可根據(jù)GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D中計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，傾斜表面上的太陽(yáng)總輻照度應(yīng)按下列公式計(jì)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(yáng)總輻照度(W/m2)；ID·θ為傾斜表面上的直射太陽(yáng)輻照度(W/m2)；Id·θ為傾斜表面上的散射太陽(yáng)輻照度(W/m2)；IR·θ為地面反射的太陽(yáng)輻照度(W/m2)；In為垂直于太陽(yáng)能光線表面上的太陽(yáng)直射輻照度(W/m2)；θ為太陽(yáng)能直射輻射的入射角，太陽(yáng)入射光線與接收表面法線之間的夾角(°)；δ為赤緯角(°)；φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?°)；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(shí)角(°)，每小時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)角為15 °，從正午算起，上午為負(fù)，下午為正，數(shù)值等于離正午的時(shí)間(h)乘以15，日出、日落時(shí)角最大，正午為0；n為一年中的日期序號(hào)(無(wú)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(jì)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(yáng)輻照度與水平面上的直射太陽(yáng)能輻照度的比值。

1.2 傾斜集熱器表面上集熱量確定

實(shí)際太陽(yáng)能系統(tǒng)工程中，特別是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的集熱量可以根據(jù)GB/T 50801-2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中下列公式計(jì)算：

Qj=A×H×η×100

(10)

(11)

式中：Qj為集熱系統(tǒng)累計(jì)得熱量(MJ)；A為集熱系統(tǒng)的集熱器總面積(m2)；H為傾斜表面上太陽(yáng)總輻照量(MJ/m2)；η為太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的平均集熱效率(%)；HT為傾斜表面上太陽(yáng)總輻照度(W/m2)；T、T1、T2為傾斜表面上太陽(yáng)能集熱器集熱時(shí)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(shí)，累計(jì)得熱量與傾斜表面上太陽(yáng)總輻照度成正相關(guān)性，可以得到最佳傾角下傾斜表面上太陽(yáng)總輻照度最大化；另在滿足一定得熱量下，系統(tǒng)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(yáng)總輻照度成反比。

2 西昌地區(qū)太陽(yáng)輻射量

根據(jù)西昌地區(qū)典型氣象參數(shù)及氣象站給予的當(dāng)?shù)靥?yáng)能輻照量參數(shù)可得到西昌地區(qū)全年太陽(yáng)日總輻照量和月均總輻照量(圖1、圖2)。

圖1 太陽(yáng)日總輻射量

圖2 太陽(yáng)月總輻射量

圖1、圖2可以分析得出，西昌地區(qū)全年月總輻射量中3月至8月較大，其他月份總輻射量較?。蝗耆掌骄傒椛淞恐?1月至3月的波動(dòng)較小，其他月份特別是夏季則波動(dòng)較大，說(shuō)明冬季的太陽(yáng)日平均總輻射量較為穩(wěn)定，可利用價(jià)值較高。

3 計(jì)算模擬

3.1 建立TRNSYS模型

根據(jù)上述的公式，并采用TRNSYS建立太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)模型(圖3)。該系統(tǒng)的控制邏輯與西昌地區(qū)建設(shè)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)實(shí)際工程相同，集熱循環(huán)啟動(dòng)，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(shí)補(bǔ)充自來(lái)水。

圖3 TRNSYS集熱系統(tǒng)模型示意

3.2 集熱模型檢驗(yàn)

因西昌地區(qū)實(shí)際工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)日期是8月份，因此在進(jìn)行集熱模型檢驗(yàn)時(shí)，亦采用該項(xiàng)目實(shí)測(cè)日期進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果可見表1。可知TRNSYS模型模擬計(jì)算的出口溫度與實(shí)測(cè)出口溫差偏離在6 %以內(nèi)，基本可以認(rèn)為該模型符合工程模擬計(jì)算要求。

表1 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.3 最佳傾角計(jì)算分析

西昌當(dāng)?shù)匾呀ǔ商?yáng)能熱利用系統(tǒng)工程的太陽(yáng)能集熱器主要朝南向?yàn)橹?、部分采用東偏南或西偏南。因此進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，集熱器的朝向均取正南朝向，分析時(shí)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(yùn)行計(jì)算結(jié)果見表2。

通過(guò)模擬結(jié)果可知，西昌地區(qū)的太陽(yáng)能熱水利用系統(tǒng)在年平均集熱效率一定時(shí)，集熱量最大值出現(xiàn)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(qū)的生活熱水系統(tǒng)主要用于生活洗浴，特別對(duì)冬天的熱水需求較高，因此該地區(qū)的太陽(yáng)能熱水利用系統(tǒng)的集熱器傾角應(yīng)盡量處于30～40 °的范圍內(nèi)(圖4)。

4 結(jié)論

對(duì)于西昌地區(qū)住宅的太陽(yáng)能熱水利用系統(tǒng)最重要的是冬季盡量利用太陽(yáng)能進(jìn)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(guò)上述模擬分析可知在集熱器傾角為30～40°時(shí)西昌地區(qū)南向集熱量存在最大值，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中集熱器的傾斜角保證處于該范圍內(nèi)能更好的利用太陽(yáng)能進(jìn)行熱水供應(yīng)。

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(jì)算結(jié)果分布