２０１５年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｒｅｅｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 绦色科技 第４期 平板集热器安装倾角与太阳辐射量吸收的关系 廖祯群 ，刘新月。 （１．云南省德宏傣族景颇族自治州潞西市芒市农村能源工作站，云南芒市６７８４００； ２．云南建筑技术发展中心，云南昆明６５００３４） 摘要：根据经验理论计算公式，结合昆明和丽江两个地区的实际地理气候情况，计算出了平板太阳能集热 器朝南放置时在不同安装角度下太阳能辐射量所能接受的值。结果表明：昆明和丽江，夏半年使用集热器 的时候，朝南放置，其最佳倾角接近于ｏ。时，能得到最大辐射量；冬半年使用的集热器，其最佳倾角近似等 于０＋２Ｏ。左右，能得到最大辐射量。集热器每个月的最佳倾角相差很大，它与地理纬度和每个月的气候特 征有关。 关键词：平板太阳集热器；安装倾角；太阳辐射量 中图分类号：ＴＫ５１１．２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—９９４４（２０１５）０４—０２５８ ０３ １ 引言 能源是人类Ｆｔ常生活和社会生产都离不开的物质。 进入２１世纪以来，国际传统的化石类能源价格跌宕起 伏，燃烧化石燃料后所造成的排放污染问题日益凸显， 单规律，一般来说，朝南放置为其最佳朝向。本文将针 对昆明和丽江两个地区朝南放置的平板太阳能集热器 的安装倾角与集热器吸收的太阳总辐射量的关系进行 如下的理论计算。 在太阳辐射相关计算中，广泛使用的是多年累计月 平均总辐射。假定给定某个月水平面总辐射Ｈ ，除以 对于中国这个人口大国来说，经济社会的快速发展与资 源需求之间的突出矛盾已不是一个崭新的话题。如何 寻找一种可再生的清洁能源作为补充品或局部替代品， 该月的天数，得出月平均日水平辐射量Ｈ ，月平均日散 射Ｈｄ由Ｃｏｌｌａｔｅｓ－－Ｐｅｒｅｉｒａ—Ｒａｂｌ经验关系式求出 ］： Ｈｄ／Ｈ ：０．７５５＋０．３４７（ 。一 ／２）一［０．５０５＋ ０．２６１］（∞ｏ一 ／２）ｃｏｓＥ２（Ｋ 一０．９）］ （１） 式中：Ｋ 为月平均大气晴空指数，Ｋ 为： 是摆在每一个国家决策者和新能源制造商面前的重要 课题。因此，从宏观上讲，发展太阳能产业的首要价值 即是对传统发展模式的纠正，是对可持续发展道路的践 行，更是对中国自然环境利用、保护机制的深刻变革。 从具体产业发展上讲，太阳能产业是具有巨大发展潜力 的阳光产业，开发运用的核心技术还有很大的可成熟空 Ｋ ＝簪 Ｈ。为大气层外月平均水平日太阳辐射量，可由下 面的表达式求出： Ｈ０一ｒ Ｉ。ｃｏｓ￣ｃｏｓＳ（ｓｉｍｕｏ一 。ＣＯＳ￣ｏ０）／７ｃ 一８６４００ 间，鼓励企业对技术进行研发创新是我们抢占新时代核 心技术制高点的重要机遇。 （３） 太阳能利用中包括太阳能的光一热、光一电转化， 而太阳能热利用被公认为最有效、最经济的太阳能利用 方法。对于光热转化效率一定的太阳能热水器，投射到 Ｉ 一１３７３（１＋０．０３３ｃｏｓ（３６０ｎ／３６５．２５）） （４） Ｊ。为一年中第，ｚ天在法向平面上测得的大气层外 的辐照度，ｎ从１月１日算起。 表１各月代表日的日序 ］ 集热器采光面较多的太阳辐射就意味着该设备输出的 可用能量最多。 （该日的辐射量接近于月平均曰辐射量） 月份 ２理论计算方法 太阳辐射能量中，直射辐射所占比例较大，投射到 采光面的太阳直射辐射能的多少取决于太阳入射角，太 阳入射角越接近０。，投射到采光面的太阳直射辐射能 量就越多，而太阳的入射角依赖于集热器安装的倾角与 ｓｉｎ３＝ｓｉｎ２３．４５ｃｏｓ（３６０（ ＋１０）／３６５．２５） （５） 式中： 为赤纬角。 ＣＯＳｃｏ ＝ｔａｎ／ｔａｎｓ （６） 朝向。此外，散射辐射（包括来自太阳的散射和太阳照 到地面反射回来的散射两个部分）同样也占据着相当的 比例，投射到集热器采光面的散射辐射同样与采光面的 安装倾角有关。对于安装朝向的确定，近来年已有大量 学者对其进行了研究，得出了一些适应于特定地区的简 收稿日期：２０１５ ０２—２７ 式中： 。为太阳时角，为纬度角。 计算中，取每月中间日作为代表日来计算月平均晴 空指数Ｋ 和月平均日散射Ｈ 。知道月日平均水平辐 射Ｈ 和月平均日散射Ｈ ，天空散射和水平面辐射的 作者简介：廖祯群（１９８６－－），女，贵州金沙人，助理工程师，主要从事农村能源研究。 通讯作者：刘新月（１９８６－－），女，云南保山人，助理工程师，硕士，主要从事太阳能光热应用研究。 ２５８ 廖祯群，等：平板集热器安装倾角与太阳辐射量吸收的关系 能源及节能 Ｏ Ｏ ∞ Ｏ 如 ０ 们 ０ 如 ０ Ｏｍ逐时变化由下列关系式求出： ， —ＶｄＨｄ （７） Ｉ 一ｒ＾Ｈ （８） Ｉ６一（Ｉ＾一Ｉｄ）／ｎ （９） 一（ａ＋ｂｃｏｓｗ） （１Ｏ） ７ｖ（ｃｏ ｓｏｏ －ｃ ｏｓｃｏ０） （１１） 一 ｖ 面ｓｌｎ 一 ｃＯｓ 常数ａ，ｂ由下面的表达式确定： 口一０．４０９＋０．５Ｏ１６ｓｉｎ（ 一７ｃ／３） （１２） ６—０．６６０９－－０．４７６７ｓｉｎ（ｗ。一 ／３） （１３） 倾斜面上的太阳辐射Ｈ ： —Ｊ６ｃｏｓ０＋Ｈ４Ｒ ｄ十ｐＨ＾（１一ｃｏｓ０）／２ （１４） Ｒ 一（２４－ｃｏｓ０）／３ （１５） 式中：Ｒ 为倾斜面与水平面散射辐射之比。 Ｈ 一Ｉ Ｉ￣ｃｏｓＳｄｔ＋Ｈ （２＋ｃ０ ）／３＋１０ （１－ｃｏｓ０）／２（１６） Ｈ ：Ｒ６Ｈ６＋Ｈｄ（２＋ｃｏｓ０）／３＋ｆＤＨ＾（１一ｃｏｓ０）／２（１７） 式中：Ｈ 为集热器倾斜表面上能接收到的总太阳 辐射量。 枷 瑚 渤㈨ ３计算结果及分析 昆明的地理纬度为２５．Ｏ２。，丽江的纬度为２６．８６。， 根据上述公式及相关数据，把公式（１７）对每个月求和， 利用计算机编程进行循环运算，得出昆明地区和丽江地 区每个月不同安装倾角与所吸收辐射量的值。图１、图 ２为昆明地区上半年和下半年太阳能集热器朝南安装 时不同角度下单位面积所吸收的太阳总辐射量的关系 曲线，图３、图４为丽江地区上半年和下半年太阳能集 热器朝南安装时不同角度下单位面积所吸收的太阳总 辐射量的关系曲线。 ｇ ｂ， 臻 瑚 ８０ 倾角／０ 图１ 昆明上半年平板集热器安装 倾角与吸收太阳总辐射量的关系 昆明、丽江两个地区在春季太阳总辐照量最大，夏 季由于天气原因，所接受的太阳总辐射量较小。由图ｌ、 图２、图３、图４可看出昆明地区和丽江地区在相同朝向， 各个月的最佳安装倾角与吸收太阳总辐射量关系的趋 势走向略有相同。昆明地区和丽江地区在１月、２月当 倾角安装范围为３０。～６Ｏ。时，能接收到较大的太阳辐射； ３月在２Ｏ。～３Ｏ。，４月、８月在１０。以前，吸收较好；５月、６ 月、７月当安装倾角趋近于Ｏ。时，吸收辐射达到最大值；９ 月安装倾角接近于２Ｏ。时，１Ｏ月安装倾角在３５。～４Ｏ。范围 一 ４岂 删 一 群 倾角／ｅ 图２ 昆明下半年平板集热器安装 倾角与吸收太阳总辐射量的关系 ，、 皇 杂 臻 Ｏ 加 ∞＂如 蛳 如 加 ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ 倾角，ｅ 图３ 丽江上半年平板集热器安装 倾角与吸收太阳总辐射量的关系 一 ４矗 ： 芷 船 杂 蹲 ０ ２０ ４０ ６０ ８０ ｌＵＵ 倾角／Ｏ 图４ 丽江下半年平板集热器安装 倾角与吸收太阳总辐射量的关系 时，有较好的吸收；当到了１１月、１２月时，安装倾角在 ４５。～６Ｏ。范围之间吸收太阳辐射效果最为理想。 表２昆明、丽江各月最佳安装 倾角与所接受的太阳总辐射量 月份 丽 １月 ２月 ３月 ４月 ５月 ６月 ７月 ８月 ９月 ｌＯ月 １１月 １２月 （下转第２６２页） ２５９ ２０１５年４月 绿 色科技 第４期 持。实施农村能源生态示范村，即从单一的每一户农户 的农村能源沼气建设或改灶建设，向多元化的农村能源 农村户用沼气池的安全利用、灶具管线常见故障的排除 和维修、沼气的综合利用技术等向沼气用户进行全面培 沼气一改灶一太阳能建设合为一体的模式发展，在农村 每一户农户建成集农村能源建设沼气、改灶、太阳能多 项能源互补的农村能源建设模式，实现农业增产、农民 增收和农村经济的可持续发展。 ５．２加强病旧沼气池改造。提高沼气池使用寿命 哈尼梯田周边村寨沼气建设长达１９年之久，部分 训，使沼气用户通过沼渣、沼液的综合利用技术的学习， 边少量实验边总结，然后主动应用于实际生产中，一方 面节省购买农药化肥资金，一方面改善农业生态环境， 让沼气产业在发展种养殖业中增加收入。 ６结语 综上所述，哈尼梯田核心区森林资源保护，需要政 府及核心区７２５０户家庭３７５２６人口共同参与，增加资 沼气由于年久失修，加之许多农户外出打工，缺少管理， 趋于废弃的池子逐年增加，目前病旧沼气池改造项目已 经纳入了财政补贴，应该依托财政补贴，以哈尼梯田核 金投入，加快核心区周边农村能源建设步伐，调整用能 结构，降低直接采伐森林攫取生活燃料用能方式。应及 心区周边为重点进行改造，提高沼气池使用寿命。 ５．３建立乡村服务网点，建立社会化服务体系 建立县、乡、村一体化的服务网络，以乡村服务网点 为重点，以县级服务站为支撑，为农户提供优质、规范、 早对该地区进行生态修复，改善居住条件，真正现实人 与自然和谐发展。 参考文献： ［１］农业部人事劳动司．农业职业技能培训教材编审委员会沼气生产 工（上册）ＥＭ］．北京：中国农业出版社，２００４． ［２］云南省林业厅．云南省农村能源建设管理办法［Ｒ］．昆明：云南省 林业厅，２０１１． 高效、安全的服务为宗旨，因地制宜地推广协会领办、个 体承包、企业运营、股份合作等多种服务模式，拓展服务 范围，提高服务质量。通过循序渐进的方式，逐步由政 府扶持向民营化转变，从而形成以民养民、自发、健康的 农村能源服务体系。 ５．４加强宣传和用户培训。提高沼气综合利用 结合当地环境条件和地里位置以及种养殖业发展 ［３］夏国俊．农村能源开发建设与标准规范实用手册［Ｊ］．北京：北大方 正电子出版社，２００２． 状况，从沼气的基础知识、农村户用沼气池的科学管理、 （上接第２５９页） 表２中，昆明和丽江夏半年使用集热器的时候，朝南放 置，其最佳倾角接近于Ｏ。时，能得到最大辐射量；春分时 （３月），最佳倾角为当地地理纬度，得到的太阳辐射量 （４）应根据安装方位的不同，采用不同的安装倾角， 以获得最大太阳辐射总量。 （５）本文计算结果及分析是根据平板太阳集热器在 固定朝向（朝南）放置时推导而来的，对采用平板太阳集 最大；冬半年使用的集热器，其最佳倾角近似等于纬度 角（ｅ）＋２０。左右，能得到最大辐射量。集热器每个月的 热器朝南安装放置时有一定的指导意义。 参考文献： ［１］Ｒａｂｌ Ａ．Ａｃｔｉｖｅ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄ： Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９８１． 最佳倾角相差很大，它与地理纬度和每个月的气候特征 有关。 ４结论 （１）对于给定朝向的平板太阳能集热器，存在着最 佳倾角。 ［２］张鹤飞．太阳能热利用原理与计算机模拟［Ｍ］．西安：西北工业大 学出版社，２００４． ［３］Ｒｕｎｓｈｅｎｇ Ｔａｎｇ，Ｔｏｎｇ Ｗｕ．Ｏｐｔｉｍａｌ ｔｉｌｔ—ａｎｇｌｅｓ ｆｏｒ ｓｏｌａｒ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ，２００４，７９（３）：２３９ ～（２）集热器每个月的最佳倾角相差很大，它与地理 纬度和每个月的气候特征有关。 （３）在昆明和丽江，夏半年使用集热器的时候，朝南 放置，其最佳倾角接近于０。；冬半年使用的集热器，其最 ２４８． ［４］何梓年．太阳能热利用［Ｍ］．北京：中国科学技术大学出版 社，２００９． 佳倾角近似等于０＋２Ｏ。左右。 ２６２
