利用MATLAB優化太陽能平板集熱器安裝傾角

張翼 李宏燕

摘要：太陽能平板集熱器是太陽能熱利用領域用得最普遍的部件之一，集熱器表面上所能接收到的太陽能不僅與地理位置、季節等有關，還與集熱器的安裝傾角直接有關。在建立太陽輻照模型的基礎上，以寧夏銀川地區為例，利用MATLAB仿真軟件模擬計算了一年中每月的平均日下，集熱器表面上接受到的全天總輻照量；以全天總輻照量為考察指標，對集熱器的安裝傾角進行了優化分析，為太陽能的開發利用提供理論借鑒。

關鍵詞：平板集熱器；輻照模型；安裝傾角；優化

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）15-3769-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.049

Abstract： Plate solar collector is one of the most common components in solar energy heat utilization field. The solar energy received by the solar collector surface is not only related to geographical location， season， etc， but also related to the installation angle of the collector. In this paper the solar irradiation model was presented and the daily total irradiance received by the surface of the collector was calculated at the monthly average day in one year with the example of Yinchuan in Ningxia area. With the examining index of round-the-clock total irradiance， the installation angle of the collector was optimized which provides theoretical reference for the development and utilization of solar energy.

Key words： plate solar collector； irradiation model； installation angle； optimize

隨著世界能源消耗的日益增長和能源儲量的不斷下降，能源與環境之間的矛盾日益嚴峻。研究開發清潔能源和可再生能源成為21世紀世界各國研究人員普遍關注的問題之一[1]。太陽能具有取之不盡、用之不竭的特點，已成為工農業及建筑等領域節能降耗最具開發前景的清潔可再生能源[2]。

太陽能平板集熱器既能利用太陽直射輻射，又能利用散射輻射，且不需要跟蹤裝置，具有結構簡單、維護及故障少等特點，是太陽能熱利用領域用得最普遍的部件之一[3，4]。不同地區、不同季節、不同時間，以及不同的集熱器安裝傾角，集熱器表面上所能接收到的太陽能不同[5，6]。該研究在建立太陽輻照模型的基礎上，以寧夏銀川地區為例，利用MATLAB仿真軟件模擬計算了一年中每月的平均日下，集熱器表面上接收到的全天總輻照量，以全天總輻照量為考察指標，對集熱器的安裝傾角進行了優化分析，以期為太陽能的開發利用提供理論借鑒。

1 太陽輻照數學模型

1.1 水平面上的太陽輻照度

根據太陽輻射學原理，大氣層外水平面上的太陽輻照度可表示為[4]：

Gon=1 353×（1+0.033×cos（2π×n/365）×cos？茲z（1）

式中，n為一年中天數的順序數，無因次；？茲z為水平面上太陽入射角，采用式（2）計算

？茲z=arccos（sin？漬sin？啄+cos？漬cos？啄cos？棕） （2）

式中，φ為地方緯度；ω為時角。δ為太陽赤緯，采用式（3）計算

大氣層內水平面上的直射和散射輻照度為：

Gcb=Gon×？子B

Gcd=Gon×？子d （4）

大氣層內水平面上的總輻照度為：

Gc=Gcb+Gcd （5）

式中，τB為直射大氣透明度，無因次；τd為散射大氣透明度，無因次。

1.2 傾斜面上的太陽輻照度

將水平面上的太陽輻照度向集熱器傾斜面上分解，可得集熱器傾斜面上的太陽總輻照度為[4，5]：

GT=GbRb+GdRd+（Gb+Gd）？籽R？籽 （6）

其中，θ為傾斜面上太陽射線入射角，表示為

cos？茲=（sin？漬cos？茁-cos？漬sin？茁cos？酌n）sin？啄+（cos？漬cos？茁-sin？漬sin？茁cos？酌n）cos？啄cos？棕+sin？茁sin？酌ncos？啄sin？棕 （8）

式中，β為傾斜面的傾角，γn為傾斜面的方位角。

1 h內傾斜面上的總輻照量為

Ic=3 600GT （9）

將全天每個小時的輻照量加和，即為傾斜面上的總輻照量Hc。

2 模擬程序

利用太陽輻照模型，采用VB語言編寫程序，計算流程如圖1所示。

3 結果與分析

3.1 每月的平均日

每月的平均日指按某日計算出的大氣層外的太陽輻照量和該月的日平均值最為接近，則該日為該月的平均日，推薦的每月平均日如表1所示[4]。表1的數據表明，由于日地運動的周期性，一年中的太陽赤緯角呈現周期性的變化規律，這里以1～6月的月平均日進行分析計算，確定集熱器的最佳安裝傾角，其他月份采用與赤緯角相近月份的集熱器安裝傾角。

3.2 不同月份的集熱器安裝傾角

根據集熱器傾斜面上的輻照模型，以寧夏銀川地區（東經116°、北緯38°，海拔1 112 m）為例，仿真模擬了1～6月不同月平均日下不同集熱器安裝傾角時集熱器表面上接收到的全天太陽總輻照量，結果見圖2。

從圖2可以看出，不同集熱器的安裝傾角，集熱器表面接收到的太陽輻照量不同；以寧夏銀川地區為例，從1月到6月，由于太陽正射逐漸移向北回歸線，北半球的太陽高度角逐漸增加，太陽入射角逐漸減小，為使集熱器面上接收到的太陽輻照度較高，集熱器的安裝傾角逐漸減小；不同月份，存在使集熱器表面太陽輻照量最大的集熱器最佳安裝傾角（圖2）各月最佳集熱器安裝傾角推薦值見表2。

4 小結

太陽能作為可再生清潔能源，使用中對環境不產生污染，在替代常規能源及建筑節能應用方面具有其他能源不可比擬的優勢，已成為世界各國研究的重點。通過分析集熱器表面上太陽輻照量的數學模型，利用MATLAB計算仿真軟件對集熱器傾斜面上的太陽輻照量進行模擬仿真，以寧夏銀川地區為例，分析了同一地區不同月平均日下集熱器安裝傾角對集熱器傾斜面上太陽輻照量的影響，確定了各月份的最佳集熱器安裝傾角，以為太陽能的開發利用提供理論指導。

參考文獻：

[1] NEISES M， TESCARI S， OLIVEIRA DE L， et al. Solar-heated rotary kiln for thermochemical energy storage[J]. Solar Energy， 2012，8（6）：3040-3048.

[2] 樊國梁，張曉燕.定時跟蹤太陽時角提高光伏發電效率[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2010，41（1）：116-119.

[3] 何梓年.太陽能熱利用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009.

[4] 張鶴飛，俞金娣，趙承龍，等.太陽能熱利用原理與計算機模擬[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

[5] 張素寧，田勝元.太陽輻射逐時模型的建立[J].太陽能學報，1997，18（3）：273-277.

[6] 陳 程.工業用太陽能熱水系統動態仿真及（火用）分析[D].天津：天津大學，2011.