太陽(yáng)能平板集熱器最佳傾角的確定及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

孫媛媛 趙斌, 馮婧恒 李文 袁喜鵬

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850001）

西藏屬于高海拔地區(qū)、空氣透明度好、所處緯度低，屬于太陽(yáng)能應(yīng)用的一類地區(qū)?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出太陽(yáng)能作為清潔高效能源已成為可持續(xù)能源發(fā)展的必由之路[1-2]，而西藏地區(qū)擁有得天獨(dú)厚的太陽(yáng)能資源，充分利用可達(dá)到節(jié)能減排的良好效果。

從成本和應(yīng)用性方面出發(fā)，平板集熱器成本相對(duì)較低，具有產(chǎn)水量高、不爆管、可承壓等特點(diǎn)[3]，依據(jù)西藏地區(qū)建筑物層高普遍較低的實(shí)際情況，優(yōu)選太陽(yáng)能平板型集熱器作為太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的集熱設(shè)備。集熱器采光面吸收太陽(yáng)輻射能的多少與集熱器安裝傾角有關(guān)，如能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)集熱器安裝傾角，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用的最大化[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)關(guān)于平板集熱器的最佳傾角開(kāi)展了研究。厚彩琴等[5]通過(guò)模擬安裝角度、方位對(duì)集熱器性能的影響，得出在夏季，集熱器面朝東固定，傾角為45°時(shí)，吸收太陽(yáng)輻射能效果最佳；左德功等[6]認(rèn)為日平均集熱量與集熱器方位角無(wú)必然聯(lián)系，但積塵則使集熱效率下降；Jafarkazemi[7]對(duì)平板集熱器安裝角在-90°＜β＜90°、安裝方位角-90°＜γ＜90°的情況進(jìn)行研究，得出最優(yōu)傾角為22°，較當(dāng)?shù)鼐暥?4.4°相差不多，且全年最優(yōu)傾角由南至北呈下降趨勢(shì)。

1 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（也稱太陽(yáng)輻射量）與太陽(yáng)高度角有關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)光線垂直于平面照射時(shí)，面積最小，在單位面積上接收的太陽(yáng)輻射量越多；而當(dāng)光線斜射時(shí)，面積增加，在單位面積上接收的太陽(yáng)輻射量減少。太陽(yáng)高度角因時(shí)、因地而異，通常正午太陽(yáng)高度角最大、夏季大于冬季、低緯地區(qū)大于高緯度地區(qū)[8-9]。

1.1 太陽(yáng)能輻射量

拉薩市日照充足，地形復(fù)雜，造就了得天獨(dú)厚的氣候條件，和國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)相比，拉薩空氣比較稀薄，陽(yáng)光充足，溫度較低，降水較少。

為能深入研究太陽(yáng)輻射量的特性，采集拉薩市2017年12月30日的輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

測(cè)試的太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，整體趨勢(shì)是先增加后下降，在當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)間13∶00左右達(dá)到峰值，此時(shí)集熱效率最高。其中9∶00至11∶00太陽(yáng)輻射量由209 W/m2快速增加到863 W/m2，太陽(yáng)輻射量變化較大，曲線斜率顯著增大，且連續(xù)6h太陽(yáng)輻射量都在800 W/m2以上。由此可知，拉薩太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)輻射量較高，為太陽(yáng)能的熱利用提供了最佳的資源條件。

1.2 陽(yáng)光入射角

不同時(shí)刻下太陽(yáng)光線照射到平板集熱器采光平面，會(huì)形成不同的入射角，入射角不同，平板集熱器接收到的太陽(yáng)輻射量相對(duì)有所不同。而入射角的確定，需要依據(jù)測(cè)試所在地的地理位置對(duì)太陽(yáng)時(shí)角、赤緯角及高度角等進(jìn)行計(jì)算。陽(yáng)光入射角示意如圖2所示。

1.2.1 太陽(yáng)入射角。

式中：h為太陽(yáng)高度角，°；α為太陽(yáng)方位角，°；γ為斜面方位角，°。

面向南向傾角為θ的斜面：

圖2 陽(yáng)光入射角示意

1.2.2 入射角修正系數(shù)。一般表示為入射角為i時(shí)，（τα）e,θ與i=0°時(shí)的（τα）e,o比值。

式中：Kθ為入射角修正系數(shù)。

其中，B在一定條件下為定值。

1.2.3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與入射角。法向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與入射角IDN為太陽(yáng)光線法線方向的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度ID。

斜面上太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度ID：

斜面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度Id：

傾斜上獲得的地面反射輻射強(qiáng)度IR：

傾斜面上的總輻射強(qiáng)度I：

式中：IdH為水平面散射輻射強(qiáng)度，W/m2；IH為水平面總輻射強(qiáng)度，W/m2。

2 半自動(dòng)追光集熱器

對(duì)于光熱轉(zhuǎn)化效率一定的太陽(yáng)能平板集熱器，其太陽(yáng)輻射量吸收越多，輸出的可用能量也越多。而不同季節(jié)，太陽(yáng)光入射角不同，將影響太陽(yáng)能平板集熱器的采光率，降低其換熱效率。因此尋求最佳傾角安裝及應(yīng)用，以獲得最大的太陽(yáng)輻射總量。

集熱器的安裝傾角是工程運(yùn)行中可控的參數(shù)，直接影響到集熱效率和集熱器出口工質(zhì)的溫度?；诶_的緯度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)集熱器傾角，探討太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化規(guī)律，提高集熱器換熱效率。

2.1 追光平板集熱器支架

常規(guī)平板集熱器支架均是固定連接構(gòu)成，安裝傾角是固定的。而不同的季節(jié)，太陽(yáng)光入射角不同，如果采用以上結(jié)構(gòu)，將影響太陽(yáng)能平板集熱器的采光率，降低其換熱效率。

可調(diào)節(jié)式太陽(yáng)能平板集熱器支架示意如圖3所示，包括放置框架、支撐底架、支撐桿及手搖式螺旋千斤頂裝置。放置框架與支撐底架為四邊形，兩個(gè)手搖式螺旋千斤頂?shù)膬啥朔謩e與兩根支撐桿和支撐底架的一根短桿連接。

該支架結(jié)構(gòu)通過(guò)手搖式螺旋千斤頂實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能平板集熱器傾角的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。具體是通過(guò)扳動(dòng)手柄，使螺桿旋轉(zhuǎn)，從而使支撐桿上升或下降，得到實(shí)際應(yīng)用中支撐桿最佳長(zhǎng)度，從而整體改變平板集熱器位于支架上的傾斜角度，體現(xiàn)了安裝及應(yīng)用過(guò)程中的靈活調(diào)節(jié)特點(diǎn)。支架傾角處兩端使用兩塊角鋼進(jìn)行固定連接，平板集熱器頂端及底端的傳熱介質(zhì)循環(huán)管路均采用軟管連接，以保證集熱器在集熱過(guò)程中，可使傾斜角度自由調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為36-46°，符合工程實(shí)際需要。

圖3 可調(diào)節(jié)式平板集熱器支架示意

2.2 安裝傾角對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響

集熱器的朝向和安裝傾角是影響其換熱性能的兩個(gè)重要因素。安裝傾角隨地區(qū)緯度不同而不同。中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則指明，若裝置在夏季運(yùn)行，最佳傾角在地區(qū)緯度基礎(chǔ)上降低；若裝置在冬季運(yùn)行，最佳傾角在地區(qū)緯度的基礎(chǔ)上提高10°。文章討論的平板集熱器采用GB4271-2007試驗(yàn)方法，測(cè)試地點(diǎn)在拉薩市，選取拉薩市的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為研究對(duì)象。為得到最大太陽(yáng)輻射能，平板集熱器朝正南安裝，拉薩市的緯度為29°36′。測(cè)試時(shí)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的可調(diào)式支架，以西藏自治區(qū)能源研究示范中心辦公樓頂布置的平板集熱器為測(cè)試對(duì)象，以集熱器傾角為自變量，分別對(duì)36-46°進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到隨傾角的變化，集熱器單位面積收集的太陽(yáng)輻射量變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同傾角下日太陽(yáng)輻射總量變化曲線

2018年5月23-27日10∶00至15∶00不同傾角下日太陽(yáng)輻射量變化曲線如圖4所示。由圖4分析可知，日太陽(yáng)輻射量隨傾角的增加而下降，原因是拉薩市此時(shí)正值夏季，太陽(yáng)高度角偏大，通過(guò)減小安裝傾角，達(dá)到與太陽(yáng)高度角互余的目的。傾角越小，集熱器收集的熱量越多，直至最佳傾角時(shí)收集的太陽(yáng)輻射量達(dá)到最大值，而后繼續(xù)下降。且拉薩市夏季正值雨季多云，依天氣情況太陽(yáng)輻射量不穩(wěn)定，四條曲線雖整體均呈下降趨勢(shì)，但測(cè)試范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度有一定差異，且波動(dòng)程度不同。以集熱器表面太陽(yáng)輻射量最大為目標(biāo)，提出了拉薩市確定平板太陽(yáng)能集熱器最佳傾角的方法。

3 結(jié)論

在安裝及應(yīng)用過(guò)程中均可隨時(shí)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能平板集熱器的傾斜角度，以提高集熱效率。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)靈活，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥燃皶r(shí)間的氣候特征，通過(guò)手搖式螺旋千斤頂調(diào)整至最佳傾角，以獲得最大的太陽(yáng)輻射總量，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。

通過(guò)可調(diào)式支架，得到不同安裝傾角下集熱器日太陽(yáng)輻射量變化趨勢(shì)，以集熱器表面最大太陽(yáng)輻射量為目標(biāo)，提出拉薩市確定平板集熱器最佳傾角的方法，為后續(xù)研究拉薩冬季最佳安裝傾角及平板集熱器強(qiáng)化換熱奠定了基礎(chǔ)。