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瞬时太阳辐射的模型研究 0 抛物柱面聚焦集热器 太阳能是一种低密度、间歇性和空间分布不断变化的能源，与传统能源相比具有很大不同，对太阳能的收集和使用提出了更高的要求。目前得到广泛应用的太阳热水器,一般只能满足人们的洗浴要求,属于太能的低温热利用,无法提供工业应用上的高温热水及蒸汽等。为了满足人们对太阳能利用更高的要求,使太阳能集热器更有效地吸收太阳辐射能和获得高温热能,集热器须采用聚焦、跟踪等技术。 目前抛物柱面聚焦集热器以其加工简单,制造成本较低而得到广泛的应用。美国和以色列联合组成的LUZ国际公司在美国南加州自1985至1991年建造了9个柱形抛物槽镜分散聚光系统的太阳能热发电电站,总的装机容量为354MW。抛物柱面聚焦集热器现在主要应用在太阳能热发电上,但是它的应用前景是很广泛的,早在上世纪70年代,美国就在亚利桑那州建成了一台37千瓦的抛物柱面聚焦的太阳能热动力水泵。抛物柱面聚焦集热器可以应用于制冷空调、采暖、纺织、造纸、印染、海水淡化等生产和生活领域。 抛物柱面聚焦集热器通常由聚光镜、接收器,以及跟踪系统(没有在图1中表示)组成,如图1所示。我们通过跟踪系统驱动集热器,跟踪太阳光线。聚光镜把投射来的太阳光聚焦到接收器上以提高能量密度,接收器则吸收这一汇聚起来的太阳光并传递给介质。为了控制热损,接收器还必需采取抑制对流的技术措施以及采用选择性吸收涂层减少辐射热损,但是本文仅从光学的角度讨论问题。抛物柱面聚焦集热器只能收集太阳的直射光线,而对散射部分无能为力,因此下面我们主要讨论直射太阳辐射能。抛物柱面聚焦集热器的聚光系统必须使光轴指向太阳,即跟踪太阳。按照入射光线和主光轴位置关系我们可以把他们划分为两轴跟踪型和单轴跟踪型,两轴跟踪要求入射光和主光轴方向一至;单轴跟踪只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面就行了。单轴跟踪按焦线的布置不同,我们可以再进 B——聚光器反射镜开口口径; f——聚光器反射镜焦距; d——接收器直径; YY′线——聚光器主光轴。 行划分。所以我们可以把常见的抛物柱面聚焦集热器归纳为下面几类: (1)南北地轴式,跟踪系统的转轴(即焦线)南北方向倾斜布置,东西跟踪。跟踪系统的转轴指向地球的北极并与地平面倾斜一角度β,β角一般等于当地的地理纬度角?。 (2)南北水平式,跟踪系统的转轴(即焦线)南北方向水平布置,东西转动跟踪。 (3)东西水平式,跟踪系统的转轴(即焦线)东西方向布置,南北转动跟踪。 (4)两轴跟踪式,跟踪系统存在着方位轴和俯仰轴两条转轴。方位轴垂直于地平面,俯仰轴同方位轴垂直。反射镜同时绕两轴转动以使反射镜的光轴和太阳光线方向一致。 我们知道单轴跟踪时入射光线与主光轴间一般存在着一个夹角,这时入射光线是倾斜入射的,而当入射光线倾斜入射时,单位面积的入射量减少,也就是说即使是面积相同的两表面,但当相对于太阳光线位置不同,它们所截获的太阳辐射也不同。因为不同的跟踪方式的入射角存在着差别,也就是其相对于太阳的光线的位置的不同,所以它们截获的太阳光能量也不一样。现在我们对上面4种跟踪方式在广州地区(纬度23°)春分、夏至、秋分、冬至等不同时间的一天各个时刻热流变化以及广州和北京地区(纬度40°)一年中日辐射总量变化进行了研究,分析了几种跟踪方式的光学性能,以及纬度对其的影响。 1 计算程序模型的方法 1.1 太阳高度角的影响 对太阳能利用来说,了解到达不同地区的太阳辐射能数值是十分必要的。这里我们要对几种线聚焦集热器光学性能进行分析,首先要求得瞬时太阳直射辐射强度Ib,n。然而现在由于我国太阳辐射观测站点还是很稀疏,现有的实测资料远不能满足我们进行性能分析的要求,使我们只有通过理论计算的方法来求Ib,n。我们使用的是晴天模型,晴天时,太阳直射和散射辐照量取决于大气的透明度(由大气的成分决定)和太阳光线穿过地球大气层的距离(它是太阳高度角的函数)。只考虑晴天状况,不考虑有云、阴雨天气的影响,虽然这跟我们实际的天气有出入,但是不会影响我们对聚光器大致的光学性能进行分析。 Ιb,n=rΙscpm2(1)Ib,n=rIscpm2(1) 式中:r——日地距离引起的修正值,r=1+0.034cos(2πn365)r=1+0.034cos(2πn365)其中:n——距离1月1日的天数。 Isc——平均日地距离时的太阳辐射强度,Isc=1367W/m2 m——大气质量,m(α)=[1229+(614sinα)2]1/2-614sinα 其中:α——太阳高度角 p2——m=2时的大气透明度(根据各地区的日射观测资料确定) 为了应用方便,将m换成太阳高度角,在日地平均距离时各种大气透明度下直射辐射的平均辐照度随太阳高度角的变化如表1所示。利用这个表我们在已经知道太阳高度角的时候能够查出某一透明度下的辐射强度值,经