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拉萨地区真空管集热器最佳安装倾角研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-07-12

刘 鑫1,周 静1,龙恩深1* ,刘正彬2
1 四川大学建筑与环境学院
2 成都永吉太阳能设备有限责任公司

      【摘  要】准确设计太阳能集热器的安装倾角是最大程度地提高资源利用率的一个重要条件。本文选取太阳能资源丰富的拉萨地区作为典型城市,建立真空管集热器能量采集数学模型,动态分析了正南朝向、安装倾角0°~90°的集热面上全年8760小时的太阳辐射。结果表明:真空管集热器采集反射、散射及直射辐射量最大的最佳安装倾角差别较大,安装倾角为90°时,真空管集热器全年采集的反射辐射值最大;安装倾角为0°时,全年采集的散射辐射值最大;安装倾角为当地纬度时,全年采集的直射辐射最大;由于拉萨太阳直射占主导,全年及供暖季采集太阳能最大的安装倾角接近当地纬度。

      【关键词】真空管集热器;能量采集数学模型;最佳安装倾角

      【基金项目】国家重点研发计划(2016YFC0700400),国家自然科学基金项目(51778382)

Abstract: It is important to accurately design the installation inclination of solar collector for improving the utilization rate. This paper selected Lhasa area as a typical city which was rich in solar energy, setting a mathematical model for energy collection of vacuum tube collector to dynamically analyze the south towards, 0 ° ~ 90 ° Angle of solar radiation on the surface of the collection on 8760 hours. As the results showed: The ability of the vacuum tube collector to collect solar reflection, scattering and direct radiation varied with the installation inclination a lot. When the inclination Angle was 90, the maximum annual reflection radiation value was collected by the vacuum tube collector; When the inclination Angle was 0, the maximum annual scattering radiation value was collected; When the inclination Angle was local latitude, the maximum annual direct radiation value was collected; Direct radiation in Lhasa was the main factor,so the maximum installation inclination of solar energy collected during the whole year and heating season was close to the local latitude.
Key Words: Vacuum tube collector; Energy collection mathematical model; Optimum installation inclination

0 引言

     当今世界,化石能源日益紧缺,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源受到了人们的广泛关注。太阳能热水器是目前太阳能利用中技术最成熟、使用最广泛、经济效益最好的一种,其核心是太阳能集热器[1] 。太阳能集热器是将太阳辐射能转换成热能,并将产生的热能传递到传热介质的装置。目前应用最为广泛的太阳能集热器有平板集热器和真空管集热器[2] ,这两种集热器结构有着明显的差异。平板集热器是一个连续平面,当太阳光照射时,整个表面积都可以采集太阳辐射能[3] 。真空管集热器是由若干真空管组成的,管间存在间隙[1] 。目前我国太阳能热水器以真空管型为主,其占比达到86%[4] ,在同样的气象条件下,真空管集热器的系统效率和集热性能也比平板型集热器高[5]

     太阳能集热系统的集热性能好坏表现在集热器采集的太阳辐射能不同[6]。在太阳辐射一定的条件下不同安装倾角斜面上采集的太阳辐射能存在较大差异[7]。为了使采集的太阳辐射能达到最大,通常将集热器与水平面放置呈某一特定的安装倾角,即最佳安装倾角。由于平板集热器的接收表面为平面阳光入射角会逐渐偏大,其入射能量也会明显减小,而真空管集热器的接收表面为圆柱面阳光入射角变化较少,其入射能量并无明显减小[8]。所以,两者在最佳安装倾角分析上存在着不同。为了更好地采集太阳能,提高太阳能集热系统的效率,我国已有很多学者对真空管集热器的最佳安装倾角进行了研究分析[9]。但按照以往常用的平板集热器能量采集模型分析真空管集热器最佳安装倾角较少考虑其本身结构特点与管间遮挡[10],不完全符合实际情况。因此,本文提出更加合理的能量采集数学模型以准确量化真空管集热器最佳安装倾角,以期为实际工程提供借鉴。

1 数学模型及分析对象

     1.1数学模型

     真空管集热器都是以一定的倾角放置,因此到达真空管集热器表面的太阳辐射除了太阳直射辐射和太阳散射辐射之外,还需要考虑反射辐射[11] 。真空管集热器能量采集数学模型表达式如下:

     I=IB+ID+IR     (1)  

     式中:I—总辐射强度,W/m2; IB—直射辐射强度,W/m2; ID—散射辐射强度,W/m2;IR—反射辐射强度,W/m2

     1)直射辐射强度IB

     在日出后及日落前的一段时间内,当太阳方位角较大,高度角较小时,相邻的真空管将会产生相互遮挡,即管间遮挡(如图1)。真空管集热器考虑管间遮挡的太阳直射辐射强度IB的表达式[12]如下:

     IB=INDcosθtψ(ξ)     (2)

     式中:IND—法向逐时直射辐射值,W/m2;θt—直射太阳光线对集热管的入射角,即阳光射线在集热管横断面上的投影与阳光射线之间的夹角;ξ—光线在管截面上的投影入射角,即阳光射线在集热管横截面上的投影与集热器法线的夹角;ψ(ξ)—遮挡系数。

图1 管间遮挡示意图 (a) 日出后;(b)临界情况;(c)日落前

     图1(b)中ξ0为管间遮挡临界投影入射角,

     式中:D—真空管内管外径,mm;D1—真空管外管外径,mm;B—相邻真空管中心距,mm。

     图1(a) 及图1 (c)中ξ为管间遮挡时光线在管截面上的投影入射角:

      

     式中:θ—太阳入射角。

     太阳直射光线对集热管的入射角θt取决于所在地的纬度、时角、赤纬及安装倾角:

     

     式中:φ—纬度;δ—赤纬;h—时角。

     赤纬δ为:δ=23.45·sin(360(284+n)/365)   (6)

     式中:n—一年中日期序列号。

     时角h为:H=(H0±(Lm-L0)/15+e/60-12) ·15  (7)

     式中:H0—24小时制的北京时间;Lm—经度;L0—东8区的经度;e—每日时差。

     每日时差e为:E=9.87·sin2B-7.53·cosB-1.5·sinB     (8)

     式中:B=360(n-81)/364。

     太阳直射光线与集热器表面法线之间的夹角θ:θ=cos-1{sinδsin(φ-β)+cosδcoshcos(φ-β)}    (9)

     当|ξ|≤|ξ0|时,管间无遮挡,ψ(ξ)=1。

     当|ξ|>|ξ0|时,管间发生遮挡:

     

     式中:B/D—管间径比。

     2)散射辐射强度ID

     Liu等人认为天空散射是分布均匀的,即各向同性,与水平面呈倾角β的真空管集热器采集散射辐射强度计算的表达式如下[13]:

      

     式中:IDH—水平面逐时散射值,W/m2

     3)反射辐射强度IR

     在地面及建筑物各向同性反射的假设下, 与水平面呈倾角β的集热管采集反射辐射强度计算的表达式如下:

     

     式中:ISH—水平面逐时总辐射值,W/m2; ρ—地物表面的反射率,本文统一取0.2[14]

     1.2 分析对象

     拉萨市位于青藏高原中部,拉萨河谷两岸,其坐标为北纬29°36’,东经91°08’,平均海拔高度3650m,气候属于高原温带半干旱季风气候区,太阳能资源丰富,属于我国一类太阳能资源分布类型[15] 。拉萨地区年日照时数达3000小时,比成都市多1800小时,比上海市多1100小时,在全国各城市中名列前茅,素有“日光城”的美称。且降雨多集中在夏秋季节,冬春季节寒冷干燥且多风,年无霜期达100~120天,拥有太阳能供暖的先天条件[16] 。近年来,真空管集热器在拉萨地区的运用较为迅速,真空管集热器的最佳安装倾角计算分析通常套用平板集热器能量采集数学模型,存在一定的误差。若能更精准确定该地区的最佳安装倾角,则可在其他地区的真空管集热器实践中起到良好的示范作用。

     本文利用上述能量采集数学模型,研究安装倾角对拉萨地区真空管集热器采集太阳辐射量影响规律,以确定真空管集热器最佳安装倾角。真空管集热器为正南放置,外管外径D1=58mm,内管外径D=47mm, 管长L=1800mm,相邻两管中心距为B=76 mm。

2 安装倾角对太阳辐射的影响

     安装倾角对真空管集热器采集太阳辐射强度的能力有很大影响,为了更大程度地提高太阳能集热器集热效率,需要对集热器的安装倾角进行优化分析。目前常用的集热器最佳倾角的研究方法主要有两种:一种是基于集热器太阳辐射接收量最大确定最佳倾角;另一种以集热器年需辅助热量最小确定最佳倾角[17] 。本文选择前者作为研究方法确定最佳倾角,因此首先研究了不同太阳辐射的强度随安装倾角的变化情况,并作出分析比较。

     图2给出了拉萨地区单根真空管采集的太阳辐射强度随安装倾角变化曲线。从图中可以看出,单根真空管采集的年直射辐射随倾角变化呈单驼峰型。当安装倾角β从0°增加到90°时,年直射辐射强度先是显著增加到达峰值509.4MJ,随后迅速下降,在安装倾角β为90°时,直射辐射达到最小值187MJ;单根真空管采集的年散射辐射强度与倾角的变化呈反比。随着安装倾角β的增加,年散射辐射强度逐渐下降,安装倾角β为0°时,年散射辐射强度达最大值125.44MJ,安装倾角β为90°时,年散射辐射强度达最小值62.72 MJ;单根真空管采集的年反射辐射强度与倾角的变化一致。随着安装倾角β的增加,年反射辐射强度逐渐上升,安装倾角β为0°时,年反射辐射强度为0MJ,安装倾角β为90°时达到最大值61.91 MJ。除此之外,还可以看出采集的年太阳反射辐射强度远远小于太阳直射辐射强度和散射辐射强度,即使在安装倾角β为90°时,反射辐射强度达到最大,其值也远小于直射辐射强度和散射辐射强度之和,说明直射辐射和散射辐射对集热器收集太阳辐射强度的影响更大,其中直射辐射占主导。

图2 单根真空管采集各类太阳辐射随安装倾角变化曲线

3 最佳安装倾角

     太阳能集热系统主要用于提供生活热水和供暖两种目的。一般而言, 太阳能热水系统需要考虑全年运行,而太阳能供暖系统仅考虑冬季运行。为了更客观实际地反映安装倾角对真空管集热器采集能量的影响,本文计算了冬半年(10月至次年3月)、夏半年(4月至9月)、供暖季(11月至次年3月)以及全年的太阳辐射强度随安装倾角的变化情况,以选择拉萨地区真空管集热器的最佳安装倾角。

     图3给出了拉萨地区全年各月采集的太阳总辐射强度随安装倾角变化曲线,可以看出太阳总辐射强度随安装倾角的变化均呈单驼峰型的变化趋势,且变化趋势具有一致性,安装倾角β从0°增加到90°时,总辐射强度先增加到某一峰值,随后降低,当地纬度值附近达到最大值,90°时达到最小值。出现这种现象是因为真空管集热器表面为圆柱形,全年不同月份的太阳高度角虽然在不断变换,但与之集热截面的夹角变化不大,所以逐月的最佳安装倾角都在小范围内变化,均为当地纬度左右。进一步对比图3(a)、(b)两图可以发现,采集太阳能总辐射最不利月份出现在冬半年的12月;采集太阳能总辐射最有利的月份出现在夏半年的5月份。

图3 各月采集太阳总辐射强度随安装倾角变化曲线图 (a)冬半年;(b)夏半年

     从图4可以看出拉萨地区单根真空管采集全年及供暖季太阳总辐射强度随倾角变化呈单驼峰型,安装倾角β从0°增加到90°时,全年及供暖季太阳总辐射强度先是显著增加,达到最高值时对应的安装倾角β接近当地纬度,当安装倾角β继续增加时,其采集的全年及供暖季太阳总辐射强度显著降低,安装倾角β为90°时总辐射强度最小。经过计算分析可得拉萨地区全年及供暖季最佳安装倾角均为28°,考虑到拉萨整个地区的纬度和气象条件不同,该地区全年及供暖季中使用真空管集热器的最佳安装倾角应在20°~37°范围内。

图4 全年、供暖季单根真空管采集太阳总辐射随安装倾角变化关系

4 结论

     本文利用真空管集热器能量采集数学模型,研究了拉萨地区最佳安装倾角,得到的主要结论如下:

      1)当安装倾角β=90°时,真空管集热器采集最大年反射辐射值;当安装倾角β=0°时,真空管集热器采集最大年散射辐射值;当安装倾角β等于当地纬度时,真空管集热器采集最大年直射辐射值。

      2)拉萨地区夏半年真空管集热器最佳安装倾角略高于冬半年最佳安装倾角,但均接近当地纬度。

     3)由于拉萨地区太阳直射占主导,全年及供暖季采集太阳能最大的安装倾角接近当地纬度,最佳安装倾角均为28°,考虑整个地区纬度和气象条件略有不通,最佳倾角可在20°~37°范围内选取。

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      备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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