全纬度太阳热水器

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-9 17:22:54 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:全纬度太阳热水器

摘要  太阳集热器倾角在太阳热水器中起着至关重要的作用,本文介绍了集热器倾角可调的全纬度太阳热水器。
关键词    太阳热水器  集热器  倾角  全纬度
 

Solar Water Heater with Adjustable Angle of Solar Collector  
by He Quanxi,  Zhang Jinping  and   Zhou Fanghua
Changcheng Luyang Solar Co.,Ltd.Gansu


Abstract     Solar collector tilt angle in solar water heater is very important.This paper describes solar water heater with adjustable angle of solar collector.
Keywords    solar water heater     collector   tilt angle   all latitude  
0 引言  
  目前,我国的太阳热水器产业随着市场需求的迅速扩张和公众环保意识的不断增强呈现出蓬勃发展的态势。太阳能作为可再生资源,既减少环境污染,改善生态系统,又缓解了对常规能源需求的压力,因而将在利用环境资源为人类持久造福方面发挥十分巨大的作用。如今,太阳热水器已成为我国可再生能源领域发展快、规模大、市场前景广阔的朝阳行业。
  太阳能资源丰富,可谓取之不尽,用之不竭。既节约能源,无需运输,又不会对环境造成任何污染,十分理想。但它自身存在着两大缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这在很大程度上限制了太阳能更广泛、更充分的利用。我们现在的太阳热水器也存在这个缺点,它的支架都是一次固定的,集热器倾角无法改变,不能在非平面屋顶及一些特殊区域使用。再者,太阳能又是一种不稳定的辐射能源,这样,太阳热水器的输出能量除了与自身的能量转换特性有关外,还与地理分布的差异、阳光资源的优劣以及气候环境条件等有着不可分割的关系。因此如何最大潭鹊夭杉裟埽翘羧人餍幸地酱饩龅奈侍狻?
1 理论分析  
   众所周知,地轴与地球绕太阳运行的轨道平面的法线呈固定倾角,其值为23°27′。地球绕着太阳公转,太阳直射点在地球表面上的位置就在北纬23°27′和南纬23°27′之间来回移动,产生四季交替的现象。夏至日,阳光垂直照射在北纬23°27′地面上;冬至日,阳光垂直照射在南纬23°27′地面上。因此,地面上所接收到的太阳辐射能量的多少与地球相对于太阳的位置有关,下面采用一系列的太阳角做进一步的阐述。
1.1 太阳赤纬角 δ
      地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为赤纬角,在春分和秋分日  δ= 0°,冬至日 δ=-23.5°,夏至日,δ=23.5°。
1.2 太阳时角 ω
      地球自转一周,太阳时角24h,大约变化360°,相应的时间为24h,每1h地球自转的角度约为15°。正午,太阳时角为零,其他时辰太阳时角的数值等于离正午的时间(h)乘以15。上午时角为负值,下午为正值。真太阳时是以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。由于太阳与地球之间的距离和相对位置随时间在变化,以及地球赤道与其绕太阳运行的轨道所处平面的不一致,因而真太阳时与钟表指示的时间(平均太阳时)之间总会有所差异。它们的差值即为时差。
1.3 太阳高度角 h
   对于地球表面上某点来说,太阳的空间位置可用太阳高度角和太阳方位角来确定,太阳高度角h是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的交角。太阳高度角可用下式计算:

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   已知一年中春分、夏至、秋分及冬至的赤纬角d分别为0°、23.5°、0°及-23.5°。假设集热器平面方位角γ=0°(一般安装太阳热水器时都取集热器采光面面向正南),这样可以根据不同地域的纬度和不同季节的赤纬角,改变集热器倾角θc,使集热器采光面得到最大的太阳辐照量。

   根据上述理论,依据GB/T 18708—2002   《家用太阳热水器系统热性能试验方法》,设计出了全纬度太阳热水器。
2 技术特点  
   全纬度太阳热水器,顾名思义,是一年四季中可根据地球与太阳相对位置的变化,和同一时间不同地区的纬度变化来调节集热器倾角(其中倾角可在7°~45°范围内调节)的直插式全玻璃真空管太阳热水器,它既用于平面屋顶,又可用于斜面屋顶(7°时),既适用于中原地带,又可用于高寒地区。
   我国地域辽阔,纬度跨域大,不同纬度,使用的太阳照射角(集热器倾角)也应不同,通常是采用平均优化值来选择集热器安装倾角。东北、西北地区纬度较高,可根据需要将集热器倾角调整在38°~45°; 南方地区纬度较低,可确定安装倾角为25°~32°。
全纬度太阳热水器由于集热器的倾角θc可调,用户可以根据地区、季节,自行简单灵活地调整集热器倾角,尽可能地使太阳光线垂直照射集热器采光面,使之得到最大的太阳辐照量。
3 结构介绍
下面结合图3(倾角为45°时的情况)、图4(倾角为35°时的情况)对全纬度太阳热水器做进一步说明:
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全纬度太阳热水器包括:1—活动铰链 2—真空管托架   3—真空管   4—斜面框架    5—水箱    6—水箱托架   7—活动铰链   8—活动铰链    9—立撑   10—辅助支撑   11—活动铰链    12—活动铰链    13—水平框架.
   集热器部分包括斜面框架4、真空管3、真空管托架2、水箱5、水箱托架6。它在整个角度调整过程中固定不动,所有角度的改变都通过活动铰链来实现。
   支架部分包括水平框架13与斜面框架4通过活铰链1连接,立撑9与水平框架13通过活铰链12连接,水箱托架6与立撑9之间通过活铰链7连接,辅助立撑10与立撑9之间通过活铰链8连接,辅助立撑10与水平框架13之间通过活铰链11连接。立撑9以活铰链7为支点,在水平框架13的孔间移动,用以升降铰链7的位置,使它以活铰链1为原点向下作圆弧移动,从而改变斜面框架4组成的集热组件与水平框架13之间的夹角θc。辅助立撑随立撑位置的调节以活动铰链11为支点在立撑上的孔间移动,起到固定立撑的作用。
   图4中需要进一步说明的是在改变θc角度后,活动铰链7与活动铰链8重合为一个。
4 数据对比分析    
根据GB/T 18708《家用太阳热水器系统热性能试验方法》中的资料说明,同一型号的全玻璃真空管太阳热水器,在同一地区,如果选择的倾斜面倾角不同,所产生的年(或月)太阳辐照量就不同,太阳热水器获得的热量也不同。                                
选择地区:北京                 表1

型号:QBJ-1-150/2.0/0.05          水箱开始温度:20℃
表1中参数说明,在北京地区如果不考虑季节变化,选择35°的倾斜角是比较合理的。
在同一地区的冬季(1月)选择的倾斜面倾角不同, 所产生的月太阳辐照量不同,太阳热水器获得的热量也不同。
选择地区:北京                   表2

型号:QBJ-1-150/2.0/0.05        水箱开始温度:20℃
上述数据说明,北京地区的冬季,太阳热水器选择45°的倾斜角是比较合理的。
在不同地域的纬度下,采用不同的集热器倾角所得到的年平均热量见表3  
                             表3

型号:QBJ-1-150/2.0/0.05  
   表3中数据表明不同倾角的热水器年得热量指标还是很高的,而且基本相近,对哈尔滨、兰州等北方地区倾斜面倾角选择45°,北京等中部地区选择35°,而上海等南方地区选择30°,广州选择25°为佳。
   以上叙述说明不同地区应选择不同的集热器倾角,南方地区集热器倾角θc值小一些,北方地区大一些,冬季选择的θc值要大一些,而夏季选择的θc值要小一些,用户可根据需要自行调整集热器倾角,以提高热水器效率。
以上实验数据是选用 “绿阳”太阳热水器测出来的,一般来说,在同一时间段,利用全纬度太阳热水器制出的热水,温度要比普通产品的高5~8℃。
5 结语  
   全纬度太阳热水器克服了普通太阳热水器的一个弱点,在同样情况下,能够接收更多的太阳辐射能,而且结构简单,安装方便,实现了热水器整机倾角的分档可调,达到了国内领先水平,相信会给此行业做出一定贡献。


 



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