龙星;张孝怡;杨柳;雷浩;郑土逢
【摘 要】基于Perez辐射模型,借助瞬态系统模拟程序(TRNSYS)软件,根据Meteonorm提供的典型气象年数据,采用逐时累积方法计算不同倾角及方位角的集热器单位面积采光量.在昆明地区,正南向集热器年采光量最大的倾角为20 °,在该角度±20°范围内,其年辐射量变化不超过5％;随着倾角的增大或减小,其年辐射量的变化将会增大,当集热器倾角从70°增大到90°时,年辐射量减少20.8％.方位角对集热器采光量影响不大,方位角在±20 °以内的集热器年采光量变化不超过1％;随着方位角的增大,采光量随倾角的变化而增大,当方位角从70 °增大到90°时,集热器采光量减少3.3％. 【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2014(032)001
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】太阳能集热器;采光量;昆明地区
【作 者】龙星;张孝怡;杨柳;雷浩;郑土逢
【作者单位】云南省建筑科学研究院,云南昆明650223;云南省建筑科学研究院,云南昆明650223;云南省建筑科学研究院,云南昆明650223;云南省建筑科学研究院,云南昆明650223;云南省建筑科学研究院,云南昆明650223
【正文语种】中 文
【中图分类】TK511
0 引言
太阳能集热器的能量收益除了与结构设计、制造工艺和所处的气候条件有关外，还与安装方式密切相关，不少学者已对集热器的最佳倾角做了大量研究[1]～[3]。为尽可能多地接收太阳辐射又兼顾冬天多用热水，太阳能集热器普遍采用比当地地理纬度φ大10°的倾角；若系统侧重夏半年使用，则推荐采用比当地地理纬度φ小10°的倾角；若系统各季度热负荷均匀，则推荐安装倾角β等于地理纬度φ[4]。建筑一体化的太阳能集热器受到建筑朝向、采光、安全等限制，集热器往往无法按照最优方式安装，导致集热器所接收的太阳辐射量减
小，进而影响水箱容积与集热面积匹配。因此，计算不同方位角和倾角的集热器单位面积采光量是太阳能热水系统工程设计的关键之一。
1 太阳辐射模型
倾斜面上接收的太阳辐射由以下3部分组成：直射辐射、天空散射辐射和地面反射辐射。依据对散射辐射处理方式的不同，倾斜面上太阳辐射模型分为各向同性模型和各向异性模型，其中各向同性模型包括Hottel-Woertz模型和Liu-Jordan模型[4]，各向异性模型分为Hay-Davies模型、HDKR模型和Perez模型。
根据Perez模型，倾斜面上的散射辐射可由下式计算[5]：
其中：a=max[0，cosθ]，b=max[cos85 °，cosθz]。
晴空指数ε可由下式计算：
式中：Id为散射辐射；In为倾斜面的法向直辐射。
其中：Δ为亮度，；F1、F2为太阳周围亮度系数和水平亮度系数；m为大气质量；Ion为大
气层外的法向辐射；f为经验系数，f的参考值见表1[6]。
表1 f的参考值Table 1 Recommended value of f晴空指数ε的范围0～1.065 1.065～1.230 1.230～1.500-0.196 0.236 0.454 f11 f12 f13 f21 f22 f23 1.084 0.519 0.321-0.006-0.180-0.255-0.114-0.011 0.072 0.180 0.020-0.098-0.019-0.038-0.046
续表1晴空指数ε的范围1.500～1.950 1.950～2.800 2.800～4.500 4.500～6.200＞6.200 0.866 1.026 0.978 0.748 0.318 f11 f12 f13 f21 f22 f23-0.381-0.711-0.986-0.913-0.757-0.375-0.426-0.350-0.236 0.103 0.203 0.273 0.280 0.173 0.062-0.403-0.602-0.915-1.045-1.698-0.049-0.061-0.024 0.065 0.236
倾斜面上的太阳总辐射量：
本文着重讨论基于非正南方位集热器的能量收益，故以Perez模型为理论基础，利用瞬态系统模拟程序（TRNSYS）软件计算集热器平面采集的总辐射量。
2 模型建立
瞬态系统模拟程序的特在于其模块化分析方式，即认为所有热传输系统均由若干个细小的系统（即模块）组成，一个模块实现一种特定的功能，如热水器模块，温度场分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等[7]。因此，无须再单独编制程序来实现这些功能，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。对于TRNSYS没有用户所需求的模块，用户还可以根据需要用FORTRAN、C、C++等开发所需部件，再与其它模块组成新的系统。
鉴于本文的主要研究工作，在TRNSYS模型中，选取Perez辐射模型。该模型主要由天气数据、积分器和输出部件等组成（图1）。气象数据采用Meteorological数据库提供的中国各地区的典型气象年数据，模拟的时间步长取1 h。模型参数设置见表2。
图1 瞬态系统模拟模型图Fig.1 TRNSYS model
表2 主要参数设置Table 2 Key parameters setting参数 取值 单位数据读取方式逻辑单元辐射模型跟踪方式地面反射率集热器倾角集热器方位角2 36 41 0.2 0～90-90～90-----(°)(°)
3 结果与讨论
3.1 方位角对太阳总辐射量的影响
为了分析不同地区方位角对集热面采集太阳总辐射的影响，本文选取海口、广州、昆明、上海、北京、齐齐哈尔等6个地区为代表，各地区的集热器倾角β均固定为当地地理纬度φ，而方位角在-90～90°变化；以Meteorological数据库提供的各地区典型气象年气象数据为依据，从0～8 760 h逐时进行太阳能总辐射累积计算，其结果如图2。
图2 方位角对年太阳总辐射量的影响Fig.2 Anniversary absorbed solar radiation influenced by azimuth angle
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由图2可知，当β=φ，方位角对年总辐射量的影响随着纬度的变化有明显区别。在低纬度地区的海口（20.03°N，110.35°E），方位角从-90°逐步增大到90°，太阳总辐射量的变化不超过8%；在高纬度地区的齐齐哈尔（47.23°N，123.92°E），方位角从-90°逐步增大到90°，方位角对其影响却高达28.2%。可见，方位角对年太阳辐射量的影响随着纬度的增加而增大。
3.2 倾角对太阳总辐射量的影响
图1所示的模型主要参数设置不变，当方位角固定为正南方向，集热器倾角从0°变化到90°，各地区的年总辐射量如图3所示。
粉煤灰水泥图3 倾角对年均太阳辐照量的影响Fig.3 Anniversary absorbed solar radiation influenced by tilt angle
由图3可知，当方位角γ=0°时，各地区最大辐射量对应的倾角略小于当地纬度。当最佳倾角在±20°以内，倾斜面上的太阳总辐射量变化不超过5%，与文献[8]报道一致。当倾角继续增大，这种影响将增大。当倾角从20°增大到40°时，年辐射量变化不超过5%；当倾角从70°增大到90°，其年辐射量变化却超过20%。昆明地区倾角为90°表面的采光量为3 370 MJ/m2，仅为最大采光量的52.4%。应当指出，本文所选择的地区偏少，未考虑到全年水平面上散射辐射与总辐射之比对集热器最佳倾角的影响。
3.3 昆明地区接收表面方位和倾角对采光的影响
以上计算分别考虑集热器方位角和倾角单独对集热表面采光量的影响，未讨论方位角和倾角同时变化时，集热表面采光量变化的问题。现以昆明地区为例，同时考虑方位角γ和倾角β对集热器采光量的影响（图4）。
图4 昆明地区不同倾角、方位角的年太阳总辐射量Fig.4 The annual absorbed solar radiation at different tilt angles and azimuth angles in Kunming
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由图4中的数据可知，当倾角γ为60～90°时，单位面积接收的最大能量不是正南方向，而是偏西或偏东，而且倾角越大，偏离得越多。例如，对于阳台壁挂式太阳能热水器，当集热器的安装倾角为70°时，最佳方位角为±30°；当集热器安装倾角为80°时，最佳方位角为±45°。当建筑朝向固定时，集热器安装方位也相对固定，为尽可能多地接收太阳光，集热器安装倾角应尽可能接近最佳值。由图中数据可知，若方位角γ为30°时，最佳倾角β为 20°。
图5为昆明夏半年（4～9月）集热器方位角、倾角对太阳辐射采集量的影响。由图5可知，对于某一倾角，方位角对表面夏半年接收的太阳辐射量影响较大。由于北半球夏半年的太阳高度角大，正南方向接收的辐射量不是最大，而是正东或正西接收的辐射量最大。例如，正南方、倾角70°的表面接收辐射量只是正东方向的80%，随着倾角的增大，其影响更为明显。对方位角固定的集热器表面，倾角越小，接收的太阳辐射量越大。例如，正南方向、倾角60°的表面接收的辐射量为倾角30°表面的71.5%。
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图5 昆明地区夏半年太阳辐射与方位角的关系Fig.5 The relationship between absorbed solar radiation and azimuth angle in summer half year
图6为昆明地区冬半年集热器方位角、倾角对太阳辐射接收量的影响。由图6可知，对同一倾角，正南方向接收的太阳辐射量最大。同一方位角的表面，接收辐射量最大的倾角为(β+15°)。例如，在昆明地区正南方向的集热器，冬半年最大辐射量对应倾角为40°。
图6 昆明地区冬半年太阳辐射与方位角的关系Fig.6 The relationship between absorbed solar radiation and azimuth angle in winter half year
4 结论
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（1）昆明地区年接收太阳辐射量最大的倾角是20°，在这个最优倾角的基础上增加或减少20°，其年辐射量变化不超过5%。当倾角较大时，增加或减少倾角，其表面年接收的太阳辐射变化量增大，当倾角从70°增大到90°时，其年接收的太阳辐射量减少20.8%。
