重庆地区夏季太阳能热水应用关键问题研究

【摘要】：随着建筑节能工作的深入开展以及绿色建筑的推进，太阳能热水系统的应用也越来越广泛。而在太阳能热水系统中，集热器的倾角是影响应用效果较为关键的因素。在目前国家或地方关于太阳能热水系统应用的标准中，一般建议集热器倾角设置为与地理纬度相同或地理纬度±10°。我国幅员辽阔，全国太阳能资源分布迥异，且各地区太阳能资源特征也相差较大，“一概而论”显然不能很好的适应太阳能热水系统的应用。 本文首先综合了几何学、光学的基础理论，集成现有的理论研究成果，对不同时刻、不同朝向、不同倾角下的集热器表面接收的太阳直射辐射、散射辐射、反射辐射进行了理论分析及计算，得到不同时刻、不同朝向、不同倾角的集热器表面的太阳总辐射。在理论分析的基础上，为进一步量化不同条件的集热器表面接收的太阳辐射量，利用Visual Basic6.0中文版编制了太阳辐射计算程序，基于重庆地区典型气象年数据，对该地区正南向的0°~90°倾角集热器表面的太阳辐射开展了全年8760小时的动态分析计算，并对计算结果进行统计分析。统计结果显示，全年集热器表面接收的太阳辐射量最大的倾角为0°，若仅着眼于6、7、8月份，依然是0°倾角下接收的太阳辐射量最大。针对得出的结果与目前标准中相迥异的现象，本文对从重庆地区的太阳能资源中直射辐射所占比重较小等进行了简要探讨。 在重庆地区太阳能热水应用逐步广泛的趋势上，调研了重庆地区太阳能热水系统应用的现状，并针对两类系统（家用太阳能热水系统和太阳能集中供热水系统）在重庆地区现有的太阳能资源条件下，开展了太阳能资源的需求与匹配性分析。发现在该地区太阳能资源条件下，在5、6、7、8、9月份两类太阳能系统提供的热水均可以满足热水需求。 为对理论分析和实际计算得到的太阳能最佳倾角进行验证，在重庆地区搭建了集热器为全玻璃真空管，集热器倾角为0°、19.5°、29.5°、39.5°的太阳能热水应用试验研究平台，在6、7、8月份的晴天、多云天、阴天、雨天、变化天气共计5种天气条件下分别开展了实验测试研究。并对5种天气条件下的4种倾角太阳能集热系统接收的太阳辐射量，产热水状况（温升、水量），及效率进行了研究。研究发现，6、7、8月份中，0°倾角下，集热器表面接收的太阳辐射量最大，较39.5°倾角下要大约20.4%，6、7、8月份的集热系统的平均效率为59.9%，较19.5°倾角下效率63.1%略低，但0°倾角下水箱中的水温升较其他倾角下高且转化成的热量也较19.5°倾角下大。 最后，文章从6、7、8月份重庆地区应用太阳能热水系统的角度看，建议该地区太阳能热水系统的集热器倾角宜为0°。 【关键词】：重庆地区 太阳能 最佳倾角 资源 集热效率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 研究背景10-13
• 1.2 国内外研究现状13-23
• 1.2.1 国外研究现状14-18
• 1.2.2 国内研究现状18-22
• 1.2.3 存在的问题22-23
• 1.3 本文研究的主要内容23-26
• 2 太阳能热利用的理论26-38
• 2.1 地球运动及表面太阳辐射26-30
• 2.1.1 地球的运动26
• 2.1.2 地球表面太阳辐射变化26-28
• 2.1.3 三种坐标系28-30
• 2.2 进入大气层后的太阳辐射变化30-32
• 2.3 集热器表面接收的太阳辐射量理论分析32-35
• 2.3.1 太阳直射辐射I D·θ32-34
• 2.3.2 散射辐射I d·θ34-35
• 2.3.3 地面反射辐射I R·θ35
• 2.3.4 集热器表面接收的太阳总辐射35
• 2.4 全玻璃真空管太阳能集热器35-38
• 3 不同倾角集热器表面接收的太阳辐射量化计算38-50
• 3.1 问题的由来38
• 3.2 不同倾角集热器表面接收的太阳辐射38-41
• 3.3 集热器表面接收太阳辐射量计算程序的编制41-44
• 3.3.1 不同倾角集热器表面的太阳辐射计算模型41-42
• 3.3.2 计算程序编制思路及流程42-43
• 3.3.3 计算程序简介43-44
• 3.4 程序计算下的集热器表面太阳辐射分析44-48
• 3.4.1 正南向不同倾角集热器表面太阳辐射分析44-45
• 3.4.2 太阳辐射最佳倾角的验证45-46
• 3.4.3 重庆地区 6、7、8 月份太阳能集热器最佳倾角的研究46-48
• 3.5 本章小结48-50
• 4 重庆地区太阳能热水系统应用50-60
• 4.1 重庆地区的太阳能热水应用现状50-51
• 4.2 重庆地区太阳能资源条件及应用潜力51-60
• 4.2.1 重庆地区太阳能资源条件52-54
• 4.2.2 重庆地区太阳能热水需求分析54-56
• 4.2.3 资源条件和需求匹配性分析56-60
• 5 重庆地区不同倾角下的太阳能热水应用的实验研究60-126
• 5.1 太阳能热水应用实验研究平台的构建60-71
• 5.1.1 实验平台的构建原理及方案60-65
• 5.1.2 实验平台的建设65-70
• 5.1.3 实验误差分析70-71
• 5.2 太阳能热水应用实验测试71-77
• 5.2.1 实验研究测试方案71-72
• 5.2.2 实验测试状况72-73
• 5.2.3 测试期间气象条件分析73-77
• 5.2.4 分析测试时段的选取77
• 5.3 夏季晴天不同倾角下太阳能热水应用效果研究77-87
• 5.3.1 集热器倾角为 39.5°下的太阳能热水应用效果研究79-80
• 5.3.2 集热器倾角为 29.5°下的太阳能热水应用效果研究80-81
• 5.3.3 集热器倾角为 19.5°下的太阳能热水应用效果研究81-82
• 5.3.4 集热器倾角为 0°下的太阳能热水应用效果研究82-84
• 5.3.5 晴天天气下各倾角集热器的效果分析84-87
• 5.4 夏季多云天不同倾角下太阳能热水应用效果研究87-96
• 5.4.1 集热器倾角为 39.5°下的太阳能热水应用研究88-89
• 5.4.2 集热器倾角为 29.5°下的太阳能热水应用研究89-90
• 5.4.3 集热器倾角为 19.5°下的太阳能热水应用研究90-92
• 5.4.4 集热器倾角为 0°下的太阳能热水应用研究92-93
• 5.4.5 多云天气下各倾角集热器的效果分析93-96
• 5.5 夏季阴天不同倾角下太阳能热水应用效果研究96-105
• 5.5.1 集热器倾角为 39.5°下的太阳能热水应用效果研究97-99
• 5.5.2 集热器倾角为 29.5°下的太阳能热水应用效果研究99-100
• 5.5.3 集热器倾角为 19.5°下的太阳能热水应用效果研究100-101
• 5.5.4 集热器倾角为 0°下的太阳能热水应用效果研究101-102
• 5.5.5 阴天天气下各倾角集热器的效果分析102-105
• 5.6 夏季雨天不同倾角下太阳能热水应用效果研究105-115
• 5.6.1 集热器倾角为 39.5°下的太阳能热水应用效果研究107-108
• 5.6.2 集热器倾角为 29.5°下的太阳能热水应用效果研究108-109
• 5.6.3 集热器倾角为 19.5°下的太阳能热水应用效果研究109-111
• 5.6.4 集热器倾角为 0°下的太阳能热水应用效果研究111-112
• 5.6.5 雨天天气下各倾角集热器的效果分析112-115
• 5.7 夏季变化天气不同倾角下太阳能热水应用效果研究115-123
• 5.7.1 集热器倾角为 39.5°下的太阳能热水应用效果研究116-117
• 5.7.2 集热器倾角为 29.5°下的太阳能热水应用效果研究117-118
• 5.7.3 集热器倾角为 19.5°下的太阳能热水应用效果研究118-119
• 5.7.4 集热器倾角为 0°下的太阳能热水应用效果研究119-120
• 5.7.5 变化天气下各倾角集热器的效果分析120-123
• 5.8 重庆地区夏季太阳能热水应用效果分析123-126
• 5.8.1 不同倾角集热器太阳能热水应用效果对比123-124
• 5.8.2 重庆地区夏季实际的太阳能热水应用分析124-126
• 6 结论与展望126-128
• 6.1 主要结论126-127
• 6.2 展望127-128
• 致谢128-130
• 参考文献130-138
• 附录138

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