[发明专利]基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法

摘要

本发明公开了一种基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法，包括以下步骤：a）、太阳能集热系统的有效集热量的确定；b）、太阳能供暖系统集热器安装优化模型建立；c）、优化数学模型。本发明通过基于有效集热量优化所得的太阳能集热器最佳安装方位与安装倾角可以消除集热面多接受的无效太阳辐照，使得所确定的太阳能集热器安装更为精确。

主权项

1.基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法，其特征在于：包括以下步骤：a)、太阳能集热系统的有效集热量的确定：η＝Qu/AIT(S,γf)＝FR(τα)n‑FRUL(Ti‑Ta)/IT(S,γf)式中，η为集热器的集热效率；Qu为集热器收有用热，W；A为集热器的面积；IT(S,γf)为集热器单位面积上接收的太阳辐射，W/m2；FR为集热器转移效率系数；τ为透明罩板的太阳能透射系数；α为集热器平板的太阳能吸收系数；n表示入射方向是集热器的法线方向，所以沿法线方向入射的透射系数和吸收系数的乘积写作(τα)n；UL为集热器总热损失系数，W/(℃·m2)；Ti为集热器流体进口温度，℃；Ta为周围环境空气温度，℃；令集热器的效率η＝0，则确定[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c为临界归一化温差，在临界归一化温差条件下，吸收的太阳能等于热损失；当t时刻的归一化温差[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]t≤[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c时，η≥0，吸收的太阳能大于热损失，集热器获得有效热量；当t时刻的归一化温差[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]t≥[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c时，η≤0，吸收的太阳能小于热损失，集热器反向散热；故太阳能集热系统的有效集热量确定为：某时刻，当归一化温差小于临界归一化温差时，太阳能集热器所吸收的太阳辐射能量与集热器散失到周围环境的能量之差为该时刻的有效集热量；b)、太阳能供暖系统集热器安装优化模型建立：(1)倾斜面太阳辐照量计算方法，在进行太阳能集热器安装优化时，需要将水平面上太阳辐照量转换成倾斜面上太阳辐照量，或者将水平面上太阳辐照度转换成倾斜面上太阳总辐照度；①基本参数，太阳赤纬角δ、时角ω、高度角αs日地中心连线与赤道的夹角成为赤纬角δ，赤道以北为正、以南为负，可由Cooper近似公式计算得到：式中：n为一年中的日期序号；时角ω为太阳在一天内的变化情况，每小时对应的时角为15°，从正午算起，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间(h)乘以15°，日出、日落时的时角最大，正午时为零；高度角αs为某地的太阳光线与当地地平面所交的最小线面角，它是太阳光线与当地地平面所交的最小线面角，计算方法如下：sinαs＝sinΦsinδ+cosΦcosδcosω式中：Φ为地理纬度；②计算模型直射辐射：设倾斜面与水平面之间的夹角，即倾角为S，太阳入射光线与接收表面法线之间的夹角θ的计算公式为：cosθ＝sinδsinΦcosS‑sinδcosΦsinScosγf+cosδcosΦcosScosω+cosδsinΦsinScosγf·cosω+cosδsinSsinγfsinω倾斜表面上的太阳直射辐射照度为ID·θ：式中：In为垂直与太阳光线表面上的太阳直射辐射照度W/m2；γf为集热器表面安装方位角，对于朝向正南的倾斜表面为0°；IDH为水平面上的直射辐射照度，W/m2；散射辐射：倾斜面上天空散射辐照量是由太阳的辐照量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐照量两部分组成，倾斜表面上的太阳散射辐射照度Id·θ，按下式计算：式中：IdH为水平面上的太阳散射辐射照度W/m2；地面反射辐射：地面的反射辐射运用Lambert定律，把地面的反射辐射看成是各向同性的，地面反射的太阳辐射照度IR·θ，按下式计算：式中：ρG为地面反射比，取平均值0.2，IDH为水平面上的直射辐射照度，W/m2；倾斜面上总辐射：集热器倾斜表面单位面积上的太阳辐射照度IT(S,γf)，按下式计算：IT(S,γf)＝ID·θ+Id·θ+IR·θ；c)、优化数学模型：根据计算不同倾角与不同安装方位角情况下的有效集热量，将供暖季节有效集热量累加量最大的安装倾角与方位角作为最佳的安装倾角与方位角；供暖季节有效集热量的数学描述为：式中：Qu(S,γf)为供暖季节的有效集热量，kJ；A为集热器采光面积，m2；IT(S,γf)为集热器单位面积上接收的太阳辐射，W/m2；S,γf分别为集热器倾角与集热器表面安装方位角，°；ηT+为集热器瞬时效率，％，上标+表示在累加中使用正值，所以优化目标函数应为使得集热器在供暖季节获得的有效集热量最大，即：