太陽能單軸跟蹤方式的對比分析

太陽能單軸跟蹤方式的對比分析

0多軸跟蹤方式入射輻射模型在太陽能使用系統(tǒng)中，跟蹤裝置的應(yīng)用可以顯著提高太陽能的利用率，單軸跟蹤方法可以應(yīng)用相對簡單的設(shè)備實現(xiàn)最佳跟蹤效果。據(jù)RayTracker公司研究,單軸跟蹤方式較固定放置方式提升了太陽能利用效率(相對于傾斜面可提升約23%;相對于水平面可提升約38%)。相對于雙軸跟蹤方式,它具有低成本、低風(fēng)險、低維護費用、低安裝高度等優(yōu)勢。單軸跟蹤方式根據(jù)主軸是否水平可分為傾斜角軸向和水平軸向,水平軸向一般為南北水平軸向和東西水平軸向,而傾斜角軸向一般為南北地軸式(傾斜角為當?shù)鼐暥?。文獻曾對上述3種單軸跟蹤方式的入射角進行建模,文獻結(jié)合雙軸跟蹤方式建立了相關(guān)光學(xué)性能模型并分析了不同緯度對該模型的影響。在實際布置中由于各種主客觀因素會出現(xiàn)帶有偏離角(非正南北向和正東西向)的水平軸向和非地軸式的傾斜角軸向等情況,但這方面的研究文獻較少。國外相關(guān)軟件(如solaradvisormodel)分析時考慮了傾斜角、偏離角等參數(shù),但分析結(jié)果為各月的可接收輻照量,無法看出跟蹤方式所造成的太陽能利用率的變化。此外以上研究均未考慮單軸跟蹤方式對聚光器端部損失的影響。本文提出了新參數(shù):太陽光的入射余角和端面損失面積,用于直觀地推導(dǎo)各種太陽位置下不同單軸跟蹤方式所能采集到的太陽輻照量;提出了無因次化的參數(shù)模型(瞬時利用系數(shù)和日利用系數(shù)),用以對比分析采用4種單軸跟蹤方式(如圖1)下的太陽能相對利用率及其隨時間的變化趨勢。1太陽能的單軸跟蹤通常定義太陽光的入射角為太陽直射光與采光口平面法向的夾角。為便于本文分析,首先定義太陽光的入射余角θ,即太陽直射光與主軸的夾角(銳角)。對于采用單軸跟蹤的太陽能利用系統(tǒng),以圖2所示的拋物線槽式集熱器為例,無論其主軸的傾斜角、偏離角為多少,只要使主軸平面(包含主軸軸線且與采光口平面垂直的平面)經(jīng)過太陽,就可以將入射到采光口平面的太陽輻射反射到焦線上。接收的輻照量由太陽輻射強度、入射余角、采光裝置的尺寸和結(jié)構(gòu)決定。不同的跟蹤方式會產(chǎn)生不同的入射余角變化曲線,為進一步分析各種單軸跟蹤方式,首先需對入射余角進行建模。1.1軸向跟蹤方式的確定分析前需確定太陽相對地球的位置關(guān)系,首先利用赤道坐標系得到赤緯角δ的計算式(本文三角函數(shù)中的參數(shù)均采用角度作為單位):δ=23.45?sin[360?(284+n)365](1)δ=23.45?sin[360?(284+n)365](1)式中,n——一年中的日期序號。再利用地平坐標系得到太陽高度角αs和方位角γs的計算式:αs=arcsin(sin?sinδ+cos?cosδcosω)(2)式中,?——當?shù)氐乩砭暥?ω——太陽時角,若設(shè)上午為正,則南偏東時方位角為正。γs={arcsin(cosδsinωcosαs)(cosω＞tanδtan?)180-arcsin(cosδsinωcosαs)(cosω＜tanδtan?)(3)γs=???arcsin(cosδsinωcosαs)180?arcsin(cosδsinωcosαs)(cosω＞tanδtan?)(cosω＜tanδtan?)(3)將太陽高度角沿南北向垂面進行投影,與正南方向的夾角為南北向高度角θs;將太陽高度角沿東西向垂面進行投影,與正東方向的夾角為東西向高度角θe(如圖3a)。由圖中的幾何關(guān)系可以推出:θe={arccot(|cotαssinγs|)(γs＞0)180-arccot(|cotαssinγs|)(γs＜0)(4)θe={arccot(|cotαssinγs|)180?arccot(|cotαssinγs|)(γs＞0)(γs＜0)(4)θs={arccot(|cotαscosγs|)(|γs|＜90)180-arccot(|cotαscosγs|)(|γs|＞90)(5)對于單軸跟蹤中的東西軸向或南北軸向跟蹤方式,根據(jù)圖3a中的幾何結(jié)構(gòu),分析出太陽光與東西方向的夾角θ1(銳角),太陽光與南北方向的夾角θ2(銳角)。θ1=arccos(|cosαssinγs|)(6)θ2=arccos(|cosαscosγs|)(7)因而當東西軸向跟蹤時,θ=θ1;當南北軸向跟蹤時,θ=θ2。對于傾斜角軸向跟蹤方式,一般為沿南北軸向有一定的傾斜角。當傾斜角等于當?shù)鼐暥葧r,相關(guān)文獻稱其為“極軸跟蹤”。為便于分析,建立了由主軸和主軸的水平法線所構(gòu)成的坐標參考系如圖3b所示(地平面為圖中的傾斜面),根據(jù)圖中的幾何結(jié)構(gòu),分析得到太陽光與主軸的夾角θ3。θ3=arccos[|(sinαssinθs)?cos(θs+θt)|](8)因而對于傾斜角軸向跟蹤方式,θ=θ3,可由式(8)計算。θt為傾斜角,當南北地軸跟蹤時,θt=?。對于偏離角軸向,同樣建立了由主軸和主軸的水平法線所構(gòu)成的坐標參考系。θs為偏離角,南偏東時為正。根據(jù)圖3c中的幾何關(guān)系得到相關(guān)角度:θ4=arccos[|cosαscos(γs-θd)|](9)因而對于傾斜角軸向跟蹤方式,θ=θ4,可由式(9)計算。1.2建立線槽式集熱器對于單軸跟蹤聚光裝置,當太陽光以入射余角θ進入到采光口平面時,在端部會有部分鏡面無法被利用(如圖4所示),將該部分鏡面在采光口平面上的投影面積稱為端部損失面積Al,θ。對于拋物線槽式集熱器,建立如圖5所示的坐標系:x2=4f?z(-a2＜x＜a2)(10)根據(jù)幾何關(guān)系分析得到陰影部分1形成的損失面積為:Al,1=∫a/2-a/22f1+cosφ?cosφ?cotθdx(11)式中,φ——拋物線焦半徑r與中心軸的夾角,φ=2arctan(x/2)。陰影部分2形成的損失面積為:Al,2=∫a/2-a/2a2-4x216f?cotθdx(12)因而端部損失面積為:Al,θ=Al,1+Al,2雖然上述分析是在接收體長度與聚光鏡長度一致的前提下進行的,但當兩者的長度不同時同樣存在端部損失,亦可用該式進行估算。1.3太陽輻射強度模型對于單軸跟蹤裝置,其采光口平面所接收的輻射強度可認為是太陽光直射輻射、散射輻射、地面反射輻射之和:Iθ=ID,θ+Id,θ+IR,θ(13)對于強聚光裝置(聚光比大于10),散射輻射和環(huán)境輻射可忽略不計。則:Iθ=ID,n·sinθ(14)沿太陽光方向的太陽輻射強度,可由高度角的相關(guān)函數(shù)式近似求出。ID,n=I·P1/sinαs(15)式中,P——大氣透明度。為便于清晰對比各種單軸跟蹤方式所具有的特性,首先設(shè)定單軸跟蹤瞬時利用系數(shù)ηs:假設(shè)處于晴好天氣下,單軸跟蹤系統(tǒng)在某天某時刻收集的太陽能量與假設(shè)在雙軸跟蹤方式下所接收的太陽能量之比。同理設(shè)定單軸跟蹤日利用系數(shù)ηd:假設(shè)處于晴好天氣下,單軸跟蹤系統(tǒng)在一天中給定的運行時間段內(nèi)收集的太陽能量與假設(shè)在雙軸跟蹤方式下所接收的太陽能量之比。本文中涉及的時刻均為真太陽時,經(jīng)分析可以得到:ηs=Ιθ(A-Al,θ)A?ΙD,n(16)ηd=∫t2t1Ιθ-(A-Al,θ)dtA?∫t2t1ΙD,ndt(17)代入式(14)化簡可得:ηs=sinθ·(1-Al,θ/A)(18)ηd=∫t2t1sinθdt-1A∫t2t1Al,θ?sinθdt(19)2實例分析本文以南京地區(qū)一項關(guān)于太陽能槽式集熱系統(tǒng)的設(shè)計為例,按照上文建立的模型對各種單軸跟蹤方式進行對比分析。2.1太陽高度角、方位角首先根據(jù)南京地區(qū)的地理位置(北緯32°,東經(jīng)118.5°),計算出每天各時刻的太陽高度角、方位角等參數(shù),繪于圖6。根據(jù)計算出的太陽位置代入式(6)～式(9),得到該設(shè)計方案分別在東西軸向方式、南北軸向方式、向南傾斜32°軸向方式和南偏西45°軸向方式4種單軸跟蹤方式下的入射余角變化數(shù)據(jù)。2.2年度間跟蹤方式單軸使用時日利用系數(shù)該槽式拋物面鏡的剖面曲線為x2=3.2y(-0.947m<x<0.947m),槽式集熱器的主軸長58m。由式(11)、(12)可求得端部損失面積與集熱器采光面的面積之比Al,θ/A≈0.016·cotθ。再根據(jù)入射余角變化數(shù)據(jù)及式(18)求得該系統(tǒng)在任一時刻下的單軸跟蹤瞬時利用系數(shù),結(jié)果如圖7。由圖7可以看出:1)采用東西軸向方式時,瞬時利用系數(shù)曲線呈中午高早晚低的趨勢,對于集中在中午時間段利用的系統(tǒng)較有優(yōu)勢;采用南北軸向方式時,瞬時利用系數(shù)曲線呈中午低早晚高的趨勢,波動比東西軸向時偏小;采用傾斜角軸向方式時,一天內(nèi)的瞬時利用系數(shù)保持穩(wěn)定,適用于全天長時間運行的系統(tǒng);采用偏離角軸向方式時,瞬時利用系數(shù)的峰值偏離中午,集中在上午利用的系統(tǒng),可采用南偏東的軸向方式,而集中在下午利用的系統(tǒng),可采用南偏西的軸向方式;2)隨著由冬至逐漸過渡到夏至,南北軸向方式、偏離角軸向方式的瞬時利用系數(shù)均有提升,其中南北軸向方式的提升較顯著,并且偏離角軸向方式的曲線峰值逐漸靠近中午,而傾斜角軸向方式的瞬時利用系數(shù)先升后降并在春分時到達頂峰,東西軸向的瞬時利用系數(shù)先降后升并在春分時到達低谷。為了直觀分析一年中各種跟蹤方式利用系數(shù)的變化特點,結(jié)合式(19)計算出全年單軸跟蹤日利用系數(shù)(如圖8)。圖8中橫坐標為日期序號,因前半年和后半年太陽變化規(guī)律互逆,故圖中只繪出了半年的曲線。由圖8可以看出:1)隨著季節(jié)由冬至向夏至過渡,東西軸向方式的日利用系數(shù)變化幅度最小;南北軸向方式的日利用系數(shù)變化幅度最大;偏離角軸向方式的日利用系數(shù)一直介于東西軸向方式和南北軸向方式之間。隨著采光時間的增加,東西軸向方式的波動增加,整體日利用系數(shù)曲線有所下降;南北軸向方式的波動減少,整體日利用系數(shù)曲線有所上升;偏離角軸向方式的整體日利用系數(shù)曲線略有下降,其幅度低于東西軸向;傾斜角軸向方式的日利用系數(shù)曲線保持不變;2)從全年總利用效率來看,采用傾斜角軸向方式最為可取且較為穩(wěn)定,但該方式難以長距離串接。隨著采光時間的減少,東西軸向方式的全年總利用效率優(yōu)勢愈加顯著;隨著采光時間的增加,南北軸向方式的全年總利用效率優(yōu)勢愈加顯著,而且存在冬低夏高的特點;偏離角軸向方式的特點是介于東西軸向方式和南北軸向方式之間;3)對于東西軸向方式和南北軸向方式的對比:東西軸向方式每天的瞬時利用系數(shù)變化較大,而一年中的日利用系數(shù)變化較小,在偏向于冬季利用,且一天中運行時間較短時有明顯優(yōu)勢。南北軸向方式的特點正與此相反,如果從全年可利用總能量來說(每天運行時間從日升到日落),由于夏季的輻照時間長、輻照總量大,采用南北軸向方式具有顯著優(yōu)勢。3單軸跟蹤系統(tǒng)的相關(guān)計算方法采用單軸跟蹤系統(tǒng)是目前太陽能利用大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的重要途徑,本文通過在傳統(tǒng)的南北軸向方式、東西軸向方式外引入了對傾斜角軸向方式和偏離角軸向方式的研究。運用直觀的幾何方法對各種跟蹤方式的入射余角進行建模并考慮了端部損失造成的影響、引入新無因次參數(shù)(瞬時利用系數(shù)和日利用系數(shù))以便觀察各種跟蹤方式下每天各時刻的太陽能相對利用率及變化趨勢。然后針對南京地區(qū)一項關(guān)于槽式集熱系統(tǒng)的設(shè)計,假設(shè)在各種單軸跟蹤系統(tǒng)下進行了相關(guān)計算,分析出該系統(tǒng)采用各種單軸跟蹤方式時所具有的特點。本文所建立的模型可用來指導(dǎo)實際設(shè)計中,在各種地區(qū)條件下按需求選擇最為合適的單軸跟蹤方式。符號表δ赤緯角,(°)n一年中的日期序號θ太陽光的入射余角,(°)αs太陽高度角,(°)γs太陽方位角,(°)?當?shù)氐乩砭暥?(°)ω時角,(°)θs南北向太陽高度角,(°)θe東西向太陽高度角,(°)θ1太陽光與東西方向的夾角,(°)θt轉(zhuǎn)軸朝南的傾角,(°)θd水平轉(zhuǎn)軸偏離正南的角度,(°)θ2太陽光與南北方向的夾角,(°)θ3傾斜角軸向時,太陽光與主軸的夾角,(°)θ4偏離角軸向時,太