西昌地区太阳能集热器安装最佳倾角探讨

时间：2024-07-28

巫朝敏，乔振勇，黄渝兰，王潇逸

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610036)

太阳能集热器的安装倾角对集热量有着至关重要的影响，倾角影响到太阳光入射角与集热器表面角度从而影响到集热器上可利用太阳辐照量。我国有许多学者已对太阳能集热器最佳倾斜角进行研究分析，马江燕[1]对我国典型气象年下的10个城市正南方位斜面上的太阳日照辐射总量进行分析；杨庆[2]在考虑热水负荷情况下用计算机以兰州地区为例进行了模拟计算，得出最近倾角；唐润生[3]等对全国集热器的最佳按照角度进行计算归纳。西昌地区太阳能资源较为丰富，年太阳辐照量为5 400 MJ/m2以上[4]，开发利用该地区的太阳能不但可以实现能源利用多样化，也可充分保护该地区环境。当地对太阳能利用工程中，出于简化目的，通常是施工单位按照可安装场地条件进行安装，未考虑当地纬度等因素。本文以西昌地区太阳能辐照强度和地理气候特征为研究条件，通过太阳能集热器在不同倾角下冬半年的集热量动态计算分析，旨在分析得出该地区太阳能集热器的最佳安装倾角。

1 理论分析

1.1 倾斜表面上太阳能总辐照度确定

太阳能系统设计时，集热器可获得有效太阳能能量涉及到一个关键参数[5]，即集热器表面所获得年平均辐照量，而该辐照量不仅与当地太阳能资源条件有关，更是与集热器安装的倾斜面及方位角有很大的关系。我国地处北半球，绝大多数地区的最佳方位角一般为0 °即方位角一般取正南向，西昌地区亦是如此。选取西昌地区太阳能集热器方位角为正南向，其倾斜表面上的太阳能辐照度可根据GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》附录D中计算公式进行计算，倾斜表面上的太阳总辐照度应按下列公式计算：

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为倾斜表面上的太阳总辐照度(W/m2)；ID·θ为倾斜表面上的直射太阳辐照度(W/m2)；Id·θ为倾斜表面上的散射太阳辐照度(W/m2)；IR·θ为地面反射的太阳辐照度(W/m2)；In为垂直于太阳能光线表面上的太阳直射辐照度(W/m2)；θ为太阳能直射辐射的入射角，太阳入射光线与接收表面法线之间的夹角(°)；δ为赤纬角(°)；φ为当地地理纬度(°)；S为表面倾角，指表面与水平面之间的夹角(°)；γ为表面方位角(°)，朝向正南的倾斜表面，其值为0；ω为时角(°)，每小时对应的时角为15 °，从正午算起，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间(h)乘以15，日出、日落时角最大，正午为0；n为一年中的日期序号(无量纲)；IdH为水平面上的散射辐照度(W/m2)；ρG为地面反射率，工程计算中，取平均值0.2，有雪覆盖地面取0.7；IDH为水平面上的直射辐照度(W/m2)；as为高度角(°)；Rb为倾斜表面上的直射太阳辐照度与水平面上的直射太阳能辐照度的比值。

1.2 倾斜集热器表面上集热量确定

实际太阳能系统工程中，特别是太阳能热利用系统的集热量可以根据GB/T 50801-2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中下列公式计算：

Qj=A×H×η×100

(10)

(11)

式中：Qj为集热系统累计得热量(MJ)；A为集热系统的集热器总面积(m2)；H为倾斜表面上太阳总辐照量(MJ/m2)；η为太阳能热利用系统的平均集热效率(%)；HT为倾斜表面上太阳总辐照度(W/m2)；T、T1、T2为倾斜表面上太阳能集热器集热时间段(h)。

从式(10)、式(11)中，可知在集热器总面积一定且该类型集热器的平均集热效率一定时，累计得热量与倾斜表面上太阳总辐照度成正相关性，可以得到最佳倾角下倾斜表面上太阳总辐照度最大化；另在满足一定得热量下，系统的平均集热效率已确定，则集热器总面积与倾斜表面上太阳总辐照度成反比。

2 西昌地区太阳辐射量

根据西昌地区典型气象参数及气象站给予的当地太阳能辐照量参数可得到西昌地区全年太阳日总辐照量和月均总辐照量(图1、图2)。

图1 太阳日总辐射量

图2 太阳月总辐射量

图1、图2可以分析得出，西昌地区全年月总辐射量中3月至8月较大，其他月份总辐射量较小；全年日平均总辐射量中11月至3月的波动较小，其他月份特别是夏季则波动较大，说明冬季的太阳日平均总辐射量较为稳定，可利用价值较高。

3 计算模拟

3.1 建立TRNSYS模型

根据上述的公式，并采用TRNSYS建立太阳能集热系统模型(图3)。该系统的控制逻辑与西昌地区建设的太阳能集热系统实际工程相同，集热循环启动，低于5 ℃停止，另假定全年每日热水于19∶00至24∶00全部被用户用完，需及时补充自来水。

图3 TRNSYS集热系统模型示意

3.2 集热模型检验

因西昌地区实际工程项目现场检测日期是8月份，因此在进行集热模型检验时，亦采用该项目实测日期进行模拟计算。结果可见表1。可知TRNSYS模型模拟计算的出口温度与实测出口温差偏离在6 %以内，基本可以认为该模型符合工程模拟计算要求。

表1 模拟计算结果与实测值对比

3.3 最佳倾角计算分析

西昌当地已建成太阳能热利用系统工程的太阳能集热器主要朝南向为主、部分采用东偏南或西偏南。因此进行模拟计算时，集热器的朝向均取正南朝向，分析时间段为1～12月，集热器的平均效率η为30 %。集热器倾角从0 °开始，以10 °为增量，从0～60 °，西昌的地理纬度取27.65 °，海拔取2 000 m。TRNSYS程序运行计算结果见表2。

通过模拟结果可知，西昌地区的太阳能热水利用系统在年平均集热效率一定时，集热量最大值出现在倾斜角0～40 °之间，其中冬半年主要是30～40 °，夏半年主要是0～20 °。西昌地区的生活热水系统主要用于生活洗浴，特别对冬天的热水需求较高，因此该地区的太阳能热水利用系统的集热器倾角应尽量处于30～40 °的范围内(图4)。