基于vb的全国太阳辐射量计算

基于vb的全国太阳辐射量计算

0太阳能资源和能源资源的开发和利用电力的使用促进了社会经济的进步和人民生活水平的提高。人类文明的发展是基于能源消耗的基础。建筑能耗在总能耗中占据相当重要的地位。化石能源储量有限,人类迟早将面临化石燃料枯竭的局面。我们应该立即转向开发和利用新能源与可再生能源,摆脱对化石能源资源的依赖。太阳能具有能量的巨大性和使用寿命的长久性、广泛性,并且是清洁可再生能源,开发利用太阳能以降低目前的建筑能耗潜力是相当大的。太阳辐射数据是太阳能利用中最基本、重要的参数,获得太阳辐射数据的方法主要有实地测量和理论模拟计算。有关文献提供了多种计算太阳辐射的模型。多数属于半理论半经验公式.每种模型适用的地域和气候类型都不一样.所以对于同一地区不同辐射模型计算值和实测值误差不同,本文基于目前与实测值比较吻合的HottelModel模型编写程序计算。1太阳辐射的日变化、季节性差异以及与日照时间的关系地心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角为太阳赤纬角δ。其变化范围为±23°27':式中:n为从元旦算起的天数。在太阳辐射计算中。涉及的时间都是当地的太阳时。太阳时的午时(中午12点),太阳正好通过当地子午线,即在空中的最高点。当地太阳时与标准时间的转换公式为:太阳时=标准时间(钟表时间)+E±4min/度×(Lst-Lloc)式中:Lst—制定标准时间的地区的经度;Lloc—当地经度。西半球取正号,东半球取负号。我国是以北京时间为标准时间,所以Lst取北京地区的经度(东经);我国位于东半球,在上式中取负号。E—地球绕太阳公转时运动和转速变化而产生的时差,时差E的单位为min:式中:B=360(n-81)/364。太阳时角ω是用角度表示的太阳时。它以一昼夜为变化周期。上午取负值,下午取正值。式中的当地太阳时采用24h制。在平均日地距离处,大气层外垂直于辐射传播方向的太阳辐照度称为太阳常数Gsc,Gsc为1353W/m2。大气层外的太阳辐射:太阳天顶角αz按下式计算:式中:φ为当地纬度。大气层外切平面上的瞬时太阳辐射:晴天太阳辐射直射透过比:式中:a0,a1和k是具有23km能见度的标准晴空大气的物理常数。当海拔高度小于2.5km时可以先计算出相应的a0*,a1*和k*,然后通过考虑气候类型的修正求出a0,a1和k(表1)。式中:h为海拔高度,km。太阳散射辐射、直射辐射和总辐射的相关公式如下:散射辐射透过比:水平面瞬时太阳直射辐射:水平面瞬时太阳散射辐射:水平面瞬时太阳总辐射:利用辛普生法计算定积分可得全天水平地面总辐射能量:式中:tc,tl分别为日出时刻和日落时刻。通过程序主界面选取所要计算的城市以及日期,此时会在地图上显示该城市相应地理位置以及纬度、经度、海拔的地理位置参数。程序中所涉及的时刻均为标准时间(北京时间),而不是标准太阳时,由于各城市地理位置的差异,其日出、日落、峰值时间也会存在差异。由图4和图5对比可以发现同一地区冬夏两季的太阳辐射量相差很大。夏至日太阳辐射量比冬至日无论是日照时间还是太阳辐射强度都要多。北京地区夏至日的日照时间约为15h,冬至日只有9h,夏至日的太阳辐射峰值是冬至日的2.4倍。夏至日的全天太阳辐射量是冬至日太阳辐射量的将近4倍。由图5、图6、图7、图8对比可以发现,不同地区在同一天内太阳辐射强度的变化规律。在夏至日随着纬度的增加,日照时间也依次增加,由于夏至日太阳直射北回归线,而我国地处北半球,四座城市的全天太阳辐射量基本相等。将时间设定在12月21日冬至日则发现四座城市的太阳辐射变化规律恰好相反,由于太阳直射南回归线,远离北半球。随着纬度的增加日照时间则依次减少,同时太阳辐射量也随着纬度的增加而减少。2太阳能集热器最佳倾角由于一般太阳能集热器面朝正南(适用于北半球),故本文计算时取太阳能集热器的方位角γn=0°。如图所示,瞬时太阳直射辐射的倾斜因子Rb为式中:θT为入射角,故全天的太阳直射辐射的倾斜因子式中:ωs为相对于水平面的日出(落)时角对于面朝正南且倾角β等于当地纬度φ时,上式可简化为式中:对于面朝正南且竖直时(如朝南的窗户或墙面等),则上式可简化为式中:由此可得到某一天内倾斜面上太阳总辐射量Ht式中:ρg为地面反射率,普通地面取0.2,积雪时可取0.7。图10中给出了水平地面、30°倾斜面和60°倾斜面逐时太阳辐射强度的情况。可以发现在冬至日北京地区的逐时太阳辐射强度随着太阳能集热器倾角的增加而增强,但是需要指出的是并不是逐时太阳辐射强度随着太阳能集热器倾角的增加而不断增加,而是当增加到一个固定的角度时又开始降低,我们把这个角度称之为太阳能集热器最佳倾角。太阳能集热器最佳倾角不是一个固定不变的角度,而是对应一段时间而言。在冬至日北京地区水平地面全天接收的太阳辐射总量为7.36MJ/m2,30°倾斜面上为11.94MJ/m2,60°倾斜面上为14.31MJ/m2。可以看出选择合适的倾角可以保证太阳能集热器能够收集尽量多的太阳辐射能量。图11中给出了水平地面、30°倾斜面和60°倾斜面逐时太阳辐射强度的情况。可以发现在夏至日南京地区的逐时太阳辐射强度随着太阳能集热器倾角的增加先略有增加,而后急剧降低。在夏至日南京地区水平地面全天接收的太阳辐射总量为27.44MJ/m2,5°倾斜面上为27.66MJ/m2,30°倾斜面上为26.17MJ/m2,60°倾斜面上为19.19MJ/m2。即对于南京该天而言,太阳能集热器最佳倾角在5°左右。3最佳倾角和全年和主要采暖时的日辐射量太阳能集热器最佳倾斜角度的确定,应根据使用周期内收集的太阳能最多为原则,根据以上逐时太阳能辐射强度数据进行累加编写程序可以计算任意周期内太阳能集热器最佳倾角的大小。本文程序计算了两种周期下的最佳倾角,即太阳能集热器用于全年情况和仅用于冬季采暖的情况。下两图为北京地区与南京地区在上述两种情况下平均日辐射量与倾角大小的关系,其中倾角大小以0.5°为步长进行计算。由图12、图13可以看出,不同地区不同周期内太阳能集热器的最佳倾角是不同的,北京地区全年最佳倾角为52°,而冬季用于采暖的最佳倾角为69.5°。南京地区全年最佳倾角为45°,而冬季用于采暖的最佳倾角为64°。β在最佳值±20°范围内变化,对全年收集量的影响也不到5%。应当注意,集热器用于冬季采暖时的最佳倾角,一定不能与全年使用的最佳倾角相同。在冬季,最佳倾角较大;全年最佳倾角较小。夏季最佳倾角最小,在我国的某些地域某些时段有时甚至达到负值。需要时可以根据每月最佳倾角调整,以得到最大的太阳辐射量。4中国5年春夏季太阳能模型的应用本文基于目前与实测值比较吻合的HottelModel模型编写程序对全国各省、自治区、直辖市和特别行政区的主要城市逐时太阳辐射强度、倾斜面辐射强度以及最佳倾斜角度等问题进行了计算,通过与实测值相比较,发现该模型在春夏季能够与实测值较好地吻合,在秋冬季的误差也不超过5%,能满足一般太阳能工程和科