太陽能熱水器的傾角最優(yōu)設(shè)計(jì)

班級(jí)：測繪工程姓名：楊旭學(xué)號(hào)：121611010015太陽能熱水器的傾角最優(yōu)設(shè)計(jì)太陽能作為一種清潔、免費(fèi)的能源而廣受人們的青睞，發(fā)展前景令人樂觀，太陽能熱水器更是進(jìn)入了千家萬戶。然而由于消費(fèi)者所在地方緯度和四季氣候特點(diǎn)的不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)夏天熱水用不完，冬天熱水又不夠用的實(shí)際問題，為了解決這個(gè)問題，本文引入最優(yōu)設(shè)計(jì)理論,討論南京地區(qū)太陽能熱水器的傾角a、方向角0與熱效率之間的關(guān)系，找出一年中春分、秋分、夏至、冬至這四天中傾角a、方向角0的最優(yōu)值，并計(jì)算得出最佳角度設(shè)計(jì)。（1）傾角、方向角與熱效率的關(guān)系熱水器的受熱面與太陽光線入射的方向垂直時(shí)，熱水器與水平面的夾角是此時(shí)熱水器的最優(yōu)受熱傾角。由于太陽東升西落，各地區(qū)地理緯度的差異和四季的交替都會(huì)改變太陽光的入射角度，使得熱水器的最優(yōu)受熱傾角處在不斷的變化過程中，這就決定了地球上的不同經(jīng)緯度的地方在同一時(shí)刻的熱水器的最優(yōu)受熱傾角是不同的。由于人們現(xiàn)在還不可能做到時(shí)刻調(diào)整熱水器的受熱傾角，所以只取中午太陽直射大地時(shí)刻的熱水器的最優(yōu)傾角作為該地該天的熱水器的最優(yōu)傾角，即忽略了不同經(jīng)度對(duì)熱水器的最優(yōu)傾角的影響。如下圖1,設(shè)某地的緯度8，i天太陽的直射點(diǎn)的緯度為6，該地方i天的正午太陽高度角（即太陽與用戶所在地的連線和水平面的夾角）為H：H=90°-|8-6|則該地i天的熱水器受熱面與水平角夾角a=90°-H=l8-6I；其中當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽直射點(diǎn)的緯度在同一半球時(shí)6取正值，在異半球時(shí)6取負(fù)值。圖1：熱水器傾角設(shè)計(jì)圖查資料的南京的緯度位于北緯32°04，有此可知南京地區(qū)在春分、秋分、夏至、冬至這四天中a的最優(yōu)值分別是:春分：a=32°04’-0° =32°04’夏至：a=32°04’-23°26’=8°38’秋分：a=32°04’-0° =32°04’冬至：a=32°04’+23°26’=55°30’（2）傾角最優(yōu)設(shè)計(jì)消費(fèi)者經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的問題：夏天熱水用不完，冬天熱水不夠用。這說明夏天熱水器的熱功效過大，而冬天的則較小。通過調(diào)整太陽能熱水器的傾角來改變其熱效率，使冬夏都有充足的熱水。設(shè)將水加熱Q所需的熱量與太陽強(qiáng)度q,熱水器的受熱面積s,熱水器利用太陽能的效率n，太陽高度角H,熱水器受熱面的傾角a時(shí)間t之間的關(guān)系式符合正弦函數(shù),即Q=qsntsin（H+a）考慮用戶在夏天熱水夠用的情況下調(diào)節(jié)熱水器角度也能使得冬天熱水夠用,不妨設(shè)該用戶的熱水器在夏天的最大吸熱量為Q:maxQ=qsntsin（H+a）max00其中H表示夏季的太陽高度角,a表示夏季某用戶的熱水器的最優(yōu)傾角,00那么用這些熱量加熱的水量,就是該用戶在夏季所能使用的最大熱水量,是用不完的。因此假設(shè)，該用戶實(shí)際使用的熱水量所吸收的熱量為Q,顯然QVQ。00max若該用戶冬天的用水量和夏天的用水量是相等的,則有Q=qsntsin（H+a）max11其中H表示冬季的太陽高度角,a表示能滿足冬季用水量的熱水器與水平11面的夾角，只要代入相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)就不難解出a的值。1對(duì)于南京地區(qū)來說，夏天太陽輻射能量相對(duì)多，熱水器的傾角可變化的范圍廣一些，由此可以做如下調(diào)節(jié)：在保證夏天水夠用的情況下，盡量照顧冬天，具體如圖2所示：其中a角是夏季太陽光線與熱水器受熱面的夾角，b角是冬季太陽光線與熱水器受熱面的夾角，a是熱水器受熱面的傾角。只要a角不小b（能滿足冬季用0水量的太陽光線與熱水器受熱面的夾角），便可以適當(dāng)?shù)脑龃骲角，以增加冬季熱水器的吸熱量，設(shè)b角增大了△b，由此得到a的變化范圍為（a，d+△11b）。以南京地區(qū)一家一天的用水量155L為例計(jì)算。經(jīng)過查詢，南京的太陽輻射強(qiáng)度為170w/m2，某用戶的熱水器的積熱面積為1.8m2，工作效率為0.52，按每天日照7h,經(jīng)過計(jì)算得出夏季該用戶能使用的最大熱水量為190.94L,所吸收的熱量為3.20786X10J，而該用戶夠?qū)嶋H使用的熱水量為155L，其所吸收的熱量為2.6X10J，則冬季該用戶的熱水器的傾角為：32°18',夏季該用戶的熱水器的傾角為38°45'。由以上分析可得，該用戶在這個(gè)用水量下，他的熱