江苏地区太阳能集热器最佳倾角和方位角优化分析_张玉雪.pdf
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1、2023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1太阳能集热器最佳倾角和方位角的优化计算模型收稿日期:2023-01-09作者简介:张玉雪(1996),女,研究生,硕士,助理工程师,从事绿色建筑咨询及研发工作。江苏地区太阳能集热器最佳倾角和方位角优化分析张玉雪郭珑珑程志军陈利王政(龙信建设集团有限公司江苏南通226100)摘要选取江苏地区6个典型城市,以运行期累计获得最大辐照量为目标,求解集热器年/季度最佳倾角方位角,并计算不同倾角方位角下的集热量和CO2减排量。结果表明:安装倾角对集热量影响较大,而方位角对其影响较小,年最佳倾角方位角下的集热量与工程经验角度下的集热量
2、相比,仅提高了0.35%0.75%;每季度按照最佳倾角方位角调整集热器安装角度,则年集热量可提高3.30%3.92%;且使用太阳能集热器可以有效减少CO2排放量,具有较好的环保效益。研究成果旨在为江苏地区太阳能集热器安装倾角和方位角提供参考依据。关键词太阳能集热器最佳倾角最佳方位角集热量CO2减排量中图分类号:TK51文献标识码:A文章编号:1672-9064(2023)03057030引言太阳能集热器表面所获得的辐照量不仅与当地太阳能资源条件有关,还与安装倾角和方位角有关。因此,寻找集热器最佳倾角和方位角,对提升太阳能利用率和减少碳排放量意义重大。根据工程经验,在我国集热器安装倾角一般为当地
3、纬度、方位角一般为正南向1。目前,国内也有许多学者对集热器最佳倾角进行了研究分析,但对最佳方位角的研究较少。巫朝敏等2通过模拟分析得出在集热器倾角为3040时,西昌地区南向集热量最大;赵静等3通过计算得到了兰州地区集热器的月最佳倾角、季最佳倾角和年最佳倾角;武晓伟等4模拟分析了石河子地区太阳能供暖系统集热器的最佳倾角,结果表明最佳安装倾角(47.6)比选用工程经验倾角(54.27)集热量多20 290.1 Wh/m2;曹兴等5通过分析,得出青岛最佳倾角为34、方位角为2或3;杨亚帅等6通过模拟得出天津集热器最佳倾角为45,最佳方位角为0。本文将基于TRNSYS软件平台搭建模型,寻找江苏地区各典
4、型城市太阳能集热器年最佳倾角方位角和季度最佳倾角方位角,并探索不同倾角和方位角下太阳能集热器的集热量和CO2减排量。1模拟计算原理1.1建立TRNSYS模型太阳能集热器最佳倾角和方位角的优化计算模型如图1所示。本模型基于TRNSYS软件平台,以运行期累计获得最大辐照量为目标,通过TRNOPT调用Genopt和Java进行优化计算,求解太阳能集热器最佳倾角和方位角。本模拟采用的是Hooke-Jeeves优化算法,该算法收敛速度快,适用于优化变量较少的情况7。此外,为方便与TRNSYS连接,本模拟采用的是Meteonorm软件提供的气象数据文件。1.2太阳能集热量太阳能集热量是指满足同等需要或达到
5、相同目的条件下,太阳能的代替使用使能源消费减少的数量。单位面积太阳能集热器集热量计算见式(1)8。Qsave=JT(1-c)cd(1)式中:Qsave为太阳能集热器集热量;JT为太阳能集热器采光面积上的太阳辐照量;c为管路和水箱的热损失,本文取值0.15;cd为太阳能集热器年均集热效率,本文取值0.40。1.3二氧化碳减排量太阳能系统具有一定的环保效益,主要体现在减少CO2的排放量。CO2减排量可按公式(2)进行计算9。QCO2=Qsave29.308sFCO24412(2)式中:QCO2为CO2减排量;s为辅助热源系统的工作效率,取0.80;FCO2为碳排放因子,取0.866。其中,1 kW
6、h=3.6 MJ,标准煤热值为7 000 kcal/kg,换算得29.308 MJ/Kg。2结果分析2.1年最佳倾角及方位角分析江苏地区各典型城市年最佳倾角及方位角如表1所示。结果表明,江苏地区6个典型城市的年最佳倾角均比当地纬度小,整体小6.168.96;而最佳方位角与正南向相差不大,仅相差-0.314.19。清洁能源572023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK(下转第80页)2.2年太阳能集热器集热量分析江苏地区各典型城市年太阳能集热器集热量如图2所示。从图中可知,江苏地区各典型城市采用当地纬度作为集热器安装倾角,正南向作为方位角时,年集热量为1 551.101
7、 782.50 MJ/m2;当采用模型优化计算出来的最佳方位角作为安装倾角,正南向作为安装方位角时,年集热量提高了6.8911.63 MJ/m2,提高比例仅为0.35%0.75%;当采用最佳倾角和方位角安装集热器时,太阳能年集热量与最佳倾角、正南方位角安装条件下的集热量几乎一样。综上所述,说明集热器的安装倾角对集热量具有一定影响,选用年最佳倾角在一定程度上有利于提高太阳能利用率;而方位角对集热量几乎没有影响,所以集热器可以直接按照正南向进行安装。2.3季度最佳倾角及方位角分析表2为江苏地区各典型城市季度最佳倾角及方位角。可以得出,一、四季度最佳倾角均比当地纬度大,分别增大了7.3111.90和
8、12.4116.03;而二、三季度最佳倾角均比当地纬度小,分别降低了25.2926.90和19.9621.38。2.4季度太阳能集热器集热量分析江苏地区各典型城市季度太阳能集热器集热量如图3所示。从图3中可知,在一、四季度,集热器按照最佳倾角和方位角安装比按照当地纬度和正南向安装所得到的集热量大,但其提高比例较小,分别提高了0.53%1.54%和1.78%2.91%;而在二、三季度,集热器选用最佳倾角和方位角安装比选用当地纬度和正南向安装得到的集热量大很多,分别提高了5.95%6.54%和3.69%4.24%。如果每季度都根据其最佳倾角和方位角调整集热器 安 装 角 度,则 全年 得 到的 集
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