集热器阵列的优化布置(附件)【字数：16130】
摘 要摘 要目前，太阳能低温热利用正由家用型向工业化、生活热水向建筑采暖方向迅速扩展。平板集热器因其安全可靠、维护费用少、投资少、寿命长且与建筑结合美观等优势，在生活中的使用越来越广泛。太阳能热能利用系统需求的集热器面积越来越大，集热器阵列与单个集热器相比，存在前后排的遮挡问题和土地利用问题。针对上述问题，本文综合考虑了遮挡、排布方式对集热阵列性能的影响，建立了太阳能平板集热器热性能模型与集热阵列获益计算模型。在此模型基础上，结合太阳能电辅助热水系统，建立了系统的电能辅助量计算模型。采用以上模型，详细地分析了集热器阵列倾角、方位角、阵列排数对集热阵列接收太阳辐射量的影响。以南京市为例，结果表明在南京地区（当地纬度34.3°）集热器阵列的最优化布置方案为集热器件倾角32°、共8排，运行15年得到最大收益65万元；结合电能辅助加热的太阳能电热水系统的最优化布置方案为集热器倾角40°、方位角5°、共8排，此时系统全年电能辅助量为127643MJ，每年用户所需缴纳电能费用为2.43420万元。关键词太阳能；集热器阵列；热水系统；优化布置
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题意义及背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 国内外研究现状的总结和问题的提出 3
第二章 太阳能平板型集热器阵列 5
2.1 引言 5
2.2 太阳辐射特性计算模型 5
2.3 集热阵列获得太阳辐射量的计算模型 6
2.3.1 集热器间的遮挡模型 6
2.3.2 集热阵列的太阳辐射模型 8
2.4 集热器系统获益计算模型 9
第三章 太阳能电热水系统 11
3.1 引言 11
3.2 热负荷计算 11
3.3 太阳能电热水系统经济成本计算模型 13
3.3.1 计算方法及流程图 13
第四章 集热器阵列的优化布置 15
4.1 举例计算 15
4.2 集热器阵列的优化布置 15
4.2.1 影响因素分析 15
4.2.2 优化布置方案 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.3 太阳能电热水系统的优化布置 20
4.3.1 影响因素分析 20
4.3.2 优化布置方案 25
4.4 本章小结 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
课题意义及背景
自从1880年开始第二次工业革命，以煤炭原料为主的化石资源成为工业使用的主要原料，因此化石原料的消耗量不断增长。随着石油的开采，渐渐地代替了煤炭原料，成为了工业主要使用能源。但在1970年经历了两次石油危机后，人们便开始开发新型能源，风能、水能、核能、地热能等新能源便逐渐被开发起来。不过，化石能源仍然是世界的主导能源。当然，化石燃料也存在着相应的缺点，其的有限性和使用安全性，仍为世界难以解决的一大难题。
根据英国公司2014年的世界能源统计评估，目前煤、石油、天然气的储存量分为是891531百万吨、1.6879万亿桶、185.7万亿每立方米，以2013年的开采量计算，分别可以持续113年、53.3年、55.1年[1]。随着世界经济的快速增长与人口的增加，预测2002年至2025年世界上煤、石油、天然气的消费年增长率分别为2.0％、1.9％、2.3％[2]。从以上数据可以看出，化式原料将供不应求，人们将开始面临新一轮资源短缺。在2013年一次能源的消费结构中，煤、石油、天然气三者合计占全球一次消费能源的86.7％[1]。世界在经济快速发展的同时，却威胁和破坏了人类赖以生存的环境。表现在：一方面，化石资源的肆意挖掘开采，对地表生态环境造成了极大的破坏，将会对大自然造成难以修复的伤害；另一方面，在消耗化石原料时，产生的二氧化碳会增加空气中的二氧化碳含量，从而加剧‘温室效应’，煤炭燃烧时形成的二氧化硫等物质会使雨水的酸度升高，形成‘酸雨’,而且产生的大量废渣、废水、废气也将会对土壤、水、空气等各方面都造成极其严重的污染。据预测，全球CO?的排放量会从2002年到2025年由244亿公吨上升到388亿公吨[2]。目前，人类生存环境的进一步恶化，温室效应、臭氧层破坏、雾霾、赤潮、水污染等环境问题已经严重危害到人类的生存环境。
为解决生存环境日益恶化和化石能源濒临枯竭的问题，各个国家纷纷颁布了尽快调整能源结构、鼓励开发新能源（如太阳能、风能、地热能、核能等）的命令，希望能够快速开发新型能源行业。目前，可再生能源的发展速度较快，据国际能源署的高级分析师预测，到2060年太阳的光能和热能技术利用所产生能源可基本满足世界对电力的需求以及所有能源需求的一半，剩下的另一半可由风能、生物能、和水能供给。
建筑的能源消耗是终端能耗的重要构成部分，主要以制冷、采暖、生活热水供应为主，发达国家如美国、法国、德国等，建筑能耗大概占总能耗的40％；中国的建筑能耗占总能耗的20％[3]。中国建筑部科技司预测，随着中国GDP的快速增长、人民的生活水平的不断提高和城镇化的快速发展，中国的建筑能耗的比例最终将会达到35％。如果能够在建筑能耗领域内，利用新开发的太阳能以及其它新能源替代化石能源，一次能源的消耗就能够大大地减少，解决环境污染问题与原料短缺问题。
太阳能能够源源不断地采集，而且使用后完全不会对环境造成污染伤害。对于太阳能的开发利用，太阳能热水技术是目前最成功的一种对可再生能源应用的技术。太阳能可以直接转化为热能，是一种高效、科学的能量转换方式，可将其应用于建筑的制冷、采暖和生活热水提供。随着科技的发展，太阳能技术与建筑设计融合将是可再生能源事业和建筑工业发展的必趋之路[45]。
在太阳能工程化的系统中，如大型热水系统以及空调系统，必定需要多个集热器，通过相应的排布方式形成阵列[67]。评布集热器阵列的最优化布置，是该集热器的最大的热量与系统的效益最大化。基于平板集热器的种种优点，以后其必定会成为太阳能热水系统的重要设备。对于安装在水平面上有限面积内的集热器阵列，到达其表面的太阳辐射能主要与集热器方位角、倾角、间距以及季节等综合因素有关。因此，研究太阳能集热器的热量传导过程，分析太阳能集热器阵列的排布，可以准确计算太阳能集热器阵列的得热量，优化布置太阳能热水系统提供一定的理论依据。掌握了太阳能集热器阵列的传热过程及接受热能过程，有利于提高太阳能电辅助加热热水系统的效率，减少初投资，进一步优化布置太阳能电辅助加热热水系统。为太阳能产业发展做出贡献。
国内外研究现状
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题意义及背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 国内外研究现状的总结和问题的提出 3
第二章 太阳能平板型集热器阵列 5
2.1 引言 5
2.2 太阳辐射特性计算模型 5
2.3 集热阵列获得太阳辐射量的计算模型 6
2.3.1 集热器间的遮挡模型 6
2.3.2 集热阵列的太阳辐射模型 8
2.4 集热器系统获益计算模型 9
第三章 太阳能电热水系统 11
3.1 引言 11
3.2 热负荷计算 11
3.3 太阳能电热水系统经济成本计算模型 13
3.3.1 计算方法及流程图 13
第四章 集热器阵列的优化布置 15
4.1 举例计算 15
4.2 集热器阵列的优化布置 15
4.2.1 影响因素分析 15
4.2.2 优化布置方案 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.3 太阳能电热水系统的优化布置 20
4.3.1 影响因素分析 20
4.3.2 优化布置方案 25
4.4 本章小结 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
课题意义及背景
自从1880年开始第二次工业革命，以煤炭原料为主的化石资源成为工业使用的主要原料，因此化石原料的消耗量不断增长。随着石油的开采，渐渐地代替了煤炭原料，成为了工业主要使用能源。但在1970年经历了两次石油危机后，人们便开始开发新型能源，风能、水能、核能、地热能等新能源便逐渐被开发起来。不过，化石能源仍然是世界的主导能源。当然，化石燃料也存在着相应的缺点，其的有限性和使用安全性，仍为世界难以解决的一大难题。
根据英国公司2014年的世界能源统计评估，目前煤、石油、天然气的储存量分为是891531百万吨、1.6879万亿桶、185.7万亿每立方米，以2013年的开采量计算，分别可以持续113年、53.3年、55.1年[1]。随着世界经济的快速增长与人口的增加，预测2002年至2025年世界上煤、石油、天然气的消费年增长率分别为2.0％、1.9％、2.3％[2]。从以上数据可以看出，化式原料将供不应求，人们将开始面临新一轮资源短缺。在2013年一次能源的消费结构中，煤、石油、天然气三者合计占全球一次消费能源的86.7％[1]。世界在经济快速发展的同时，却威胁和破坏了人类赖以生存的环境。表现在：一方面，化石资源的肆意挖掘开采，对地表生态环境造成了极大的破坏，将会对大自然造成难以修复的伤害；另一方面，在消耗化石原料时，产生的二氧化碳会增加空气中的二氧化碳含量，从而加剧‘温室效应’，煤炭燃烧时形成的二氧化硫等物质会使雨水的酸度升高，形成‘酸雨’,而且产生的大量废渣、废水、废气也将会对土壤、水、空气等各方面都造成极其严重的污染。据预测，全球CO?的排放量会从2002年到2025年由244亿公吨上升到388亿公吨[2]。目前，人类生存环境的进一步恶化，温室效应、臭氧层破坏、雾霾、赤潮、水污染等环境问题已经严重危害到人类的生存环境。
为解决生存环境日益恶化和化石能源濒临枯竭的问题，各个国家纷纷颁布了尽快调整能源结构、鼓励开发新能源（如太阳能、风能、地热能、核能等）的命令，希望能够快速开发新型能源行业。目前，可再生能源的发展速度较快，据国际能源署的高级分析师预测，到2060年太阳的光能和热能技术利用所产生能源可基本满足世界对电力的需求以及所有能源需求的一半，剩下的另一半可由风能、生物能、和水能供给。
建筑的能源消耗是终端能耗的重要构成部分，主要以制冷、采暖、生活热水供应为主，发达国家如美国、法国、德国等，建筑能耗大概占总能耗的40％；中国的建筑能耗占总能耗的20％[3]。中国建筑部科技司预测，随着中国GDP的快速增长、人民的生活水平的不断提高和城镇化的快速发展，中国的建筑能耗的比例最终将会达到35％。如果能够在建筑能耗领域内，利用新开发的太阳能以及其它新能源替代化石能源，一次能源的消耗就能够大大地减少，解决环境污染问题与原料短缺问题。
太阳能能够源源不断地采集，而且使用后完全不会对环境造成污染伤害。对于太阳能的开发利用，太阳能热水技术是目前最成功的一种对可再生能源应用的技术。太阳能可以直接转化为热能，是一种高效、科学的能量转换方式，可将其应用于建筑的制冷、采暖和生活热水提供。随着科技的发展，太阳能技术与建筑设计融合将是可再生能源事业和建筑工业发展的必趋之路[45]。
在太阳能工程化的系统中，如大型热水系统以及空调系统，必定需要多个集热器，通过相应的排布方式形成阵列[67]。评布集热器阵列的最优化布置，是该集热器的最大的热量与系统的效益最大化。基于平板集热器的种种优点，以后其必定会成为太阳能热水系统的重要设备。对于安装在水平面上有限面积内的集热器阵列，到达其表面的太阳辐射能主要与集热器方位角、倾角、间距以及季节等综合因素有关。因此，研究太阳能集热器的热量传导过程，分析太阳能集热器阵列的排布，可以准确计算太阳能集热器阵列的得热量，优化布置太阳能热水系统提供一定的理论依据。掌握了太阳能集热器阵列的传热过程及接受热能过程，有利于提高太阳能电辅助加热热水系统的效率，减少初投资，进一步优化布置太阳能电辅助加热热水系统。为太阳能产业发展做出贡献。
国内外研究现状
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