CN107784388A - 用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，包括：步骤S1：确定安装地的太阳能集热器的最佳倾角；步骤S2：根据日淡水需求产量确定太阳能集热器每天的最大有效面积；步骤S3：在最佳倾角下，根据太阳能集热器每天的最大有效面积和集热器的面积计算太阳能集热器寿命期内净收益；步骤S4：进行太阳能集热器面积寻优，确定使寿命期内净收益最大的太阳能集热器的最优面积。与现有技术相比，本发明提供了基于日淡水需求产量为约束条件，提高对于太阳能利用收益的准确度，进而提高了面积优化准确度。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化领域，尤其是涉及一种用于太阳能吸附式海水淡化*** 的集热器面积优化方法。
背景技术
淡水资源短缺是当今人类需要共同面对的一大难题，吸附式海水淡化作为一种新兴的海水淡化技术，利用某些固体物质(如硅胶、沸石等)对水蒸气的超强吸附 能力，大量吸收聚集常温海水蒸汽，然后通过低温热源加热吸附剂对其中的水蒸气 进行解吸附，同时收集冷凝淡水，实现海水淡化。其通常具有能量利用率高、对原 水水质要求不高、对驱动热源温度要求低等优势。
寻找到一个适宜、环保的低温热源，是充分发挥吸附式海水淡化***的节能潜 力的关键。太阳能因清洁、丰富的特点已被广泛地用作海水淡化的热源，但是在利 用太阳能时通常需补充其他能源以保证***运行的稳定性。目前已有太阳能海水淡 化***耦合了天然气或地源热泵构成复合热源，而地热能也得到了愈发广泛的应用。
目前针对吸附式海水淡化的研究非常有限，其能耗量虽然可从理论上进行计算，但在工程应用中过于繁琐，且难以准确估计***运行时管路、水罐中的能量损耗。 因此，目前有学者提出以整体性能比(淡水产量与水的汽化潜热的乘积与总一次能 源消耗之比)来表征吸附式海水淡化的能耗，在此发明中为确定太阳能热水***的 供热负荷提供了方便。
从节能环保、减少碳排放的角度，应尽可能多的利用太阳能，即太阳能集热器 面积应尽可能大。然而，目前集热器的造价仍较高，在***总造价中所占比例大， 增加其面积必然会使得***成本增加。因此在工程项目中，应合理确定太阳能集热 器面积，使得***有最优的经济性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于太阳能 吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，包括：
步骤S1：确定安装地的太阳能集热器的最佳倾角；
步骤S2：根据日淡水需求产量确定太阳能集热器每天的最大有效面积；
步骤S3：在最佳倾角下，根据太阳能集热器每天的最大有效面积和集热器的 面积计算太阳能集热器寿命期内净收益；
步骤S4：进行太阳能集热器面积寻优，确定使寿命期内净收益最大的太阳能 集热器的最优面积。
所述最佳倾角为一年中累计能够获得太阳能最大的倾角。
所述步骤S3包括：
步骤S31：确定最佳倾角下，计算太阳能集热器的毛收益：
Ai＝min(As,Amax,i)
其中：S为毛收益，n为太阳能集热器***寿命，p辅助常规能源价格，Hi为 第i天太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量，Ai为太阳能集热器第i天的有 效面积，ηc为集热器全日集热效率，而ηl为管道及蓄热水罐热损失，As为太阳能集 热器的面积，Amax,i为第i天太阳能集热器的最大有效面积；
步骤S32：结合太阳能供热***成本，计算太阳能集热器的寿命期内净收益：
J＝S-Z×(1+r)n
其中：J为太阳能集热器带来的净收益，Z为太阳能集热器***的造价，r为 银行利率。
所述辅助常规能源的种类包括化石燃料、电能、生物燃料。
所述太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量根据HDKR模型确定。
第i天太阳能集热器的最大有效面积具体为：
其中：t为日淡水产量，ε为吸附式海水淡化性能比，ql为水的汽化潜热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)提供了基于日淡水需求产量为约束条件，提高对于太阳能利用收益的准确 度，进而提高了面积优化准确度。
2)为新兴的太阳能复合热源驱动的吸附式海水淡化***的设计提供指导与借鉴，改变太阳能海水淡化***多依据经验粗糙设计的现状，提高了推广该技术的可 行性。
3)通过优化集热器面积，在保证海水淡化热量需求的前提下，既充分利用太 阳能这一清洁、环保的能源，又节约了初投资，在***寿命期内取得最佳经济效果、
4)明确了不同精度的太阳辐射数据、不同海水淡化性能比以及不同辅助能源 形式对于优化结果的影响，方便工程项目相互参照。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为本发明实施例中集热器面积优化方案实现流程图；
图3为本发明实施例中的太阳能吸附式海水淡化***示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。
一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其中吸附式海水淡化技术利用某些固体物质(如硅胶、沸石等)对水蒸气的超强吸附能力，大量吸 收聚集常温海水蒸汽，然后通过低温热源加热吸附剂对其中的水蒸气进行解吸附， 同时收集冷凝淡水，实现海水淡化。
如图1～图3所示，优化方法包括：
步骤S1：确定安装地的太阳能集热器的最佳倾角，最佳倾角为一年中累计能 够获得太阳能最大的倾角，在实际最佳倾角未知时，以当地纬度角最为最佳倾角。；
步骤S2：根据日淡水需求产量确定太阳能集热器每天的最大有效面积，第i天 太阳能集热器的最大有效面积具体为：
其中：t为日淡水产量，ε为吸附式海水淡化性能比，ql为水的汽化潜热；
步骤S3：在最佳倾角下，根据太阳能集热器每天的最大有效面积和集热器的 面积计算太阳能集热器寿命期内净收益，具体包括：
步骤S31：确定最佳倾角下，计算太阳能集热器的毛收益：
Ai＝min(As,Amax,i)
其中：S为毛收益，n为太阳能集热器***寿命，p辅助常规能源价格，Hi为 第i天太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量，Ai为太阳能集热器第i天的有 效面积，ηc为集热器全日集热效率，而ηl为管道及蓄热水罐热损失，As为太阳能集 热器的面积，Amax,i为第i天太阳能集热器的最大有效面积；
步骤S32：结合太阳能供热***成本，计算太阳能集热器的寿命期内净收益：
J＝S-Z×(1+r)n
其中：J为太阳能集热器带来的净收益，Z为太阳能集热器***的造价，r为 银行利率。
步骤S4：进行太阳能集热器面积寻优，确定使寿命期内净收益最大的太阳能 集热器的最优面积。
其中的，太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量根据HDKR模型确定， 太阳能集热器所能获取的能量随其安装倾角而变化，最优安装倾角根据应用场景不 同可定义为获取太阳能最大的倾角或者所需辅助能源量最小的倾角。本申请中太阳 能集热器是为了吸附式海水淡化***供热，逐日需求热量保持恒定，因而最优安装 倾角为能够累计获取最多能量的集热器倾角。另外，目前研究表面此倾角近似等于 项目所在地纬度角，因此当最佳倾角未知时可依据当地维度角进行设计。
计算最优倾斜角上的太阳辐照量，可先查阅当地气象资料，获取水平面上太阳 辐射数据，然后根据HDKR(Hay,Davies,Klucher,Reindl)模型进行计算，具体的：
其中，It为倾斜面上的总太阳辐照量，Idh为水平面上的太阳直射辐照量，Ish为水平面上的太阳散射辐照量，Ih为水平面上的太阳总辐照量，Fa为大气透明系数， ρ为表面辐射率，而Rb为直射辐射系数，可根据下式计算：
其中，δ为太阳偏向角，为太阳时角，而β为集热器安装倾斜角。
而大气透明系数Fa定义为
其中，Gb,i为大气内法向直射辐射强度，而Go,i为大气外法向辐射强度，可根 据下式计算，
其中Gsc为太阳常数。
对于某一太阳能吸附式海水淡化***，通常淡水产量、***性能比、***造价、 ***寿命、互补能源价格、当地太阳辐照量和银行利率等众多因素均为已知，则系 统净收益可看作集热器面积的单值函数，即
J＝f(A)
则集热器面积寻优可认为在可能的集热器面积范围内，在Hi×A＜＜Hi× Amax，i的限制条件下，寻找该函数的最大值。
由于辅助常规能源的种类包括化石燃料、电能、生物燃料，在***初步设计阶 段，无法确定海水淡化性能比或是无法确定使用何种辅助热源时，可通过改变*** 净收益计算式中p和ε两个参数，讨论不同情况下的优化结果，为决策提供依据。
Claims (6)
1.一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1：确定安装地的太阳能集热器的最佳倾角；
步骤S2：根据日淡水需求产量确定太阳能集热器每天的最大有效面积；
步骤S3：在最佳倾角下，根据太阳能集热器每天的最大有效面积和集热器的面积计算太阳能集热器寿命期内净收益；
步骤S4：进行太阳能集热器面积寻优，确定使寿命期内净收益最大的太阳能集热器的最优面积。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，所述最佳倾角为一年中累计能够获得太阳能最大的倾角。
3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：确定最佳倾角下，计算太阳能集热器的毛收益：
<mrow>
<mi>S</mi>
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<mi>n</mi>
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</msub>
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<msub>
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</msub>
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<mrow>
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<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Ai＝min(As,Amax,i)
其中：S为毛收益，n为太阳能集热器***寿命，p辅助常规能源价格，Hi为第i天太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量，Ai为太阳能集热器第i天的有效面积，ηc为集热器全日集热效率，而ηl为管道及蓄热水罐热损失，As为太阳能集热器的面积，Amax,i为第i天太阳能集热器的最大有效面积；
步骤S32：结合太阳能供热***成本，计算太阳能集热器的寿命期内净收益：
J＝S-Z×(1+r)n
其中：J为太阳能集热器带来的净收益，Z为太阳能集热器***的造价，r为银行利率。
4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，所述辅助常规能源的种类包括化石燃料、电能、生物燃料。
5.根据权利要求3所述的一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，所述太阳能集热器平面上单位面积的太阳总辐照量根据HDKR模型确定。
6.根据权利要求3所述的一种用于太阳能吸附式海水淡化***的集热器面积优化方法，其特征在于，第i天太阳能集热器的最大有效面积具体为：
<mrow>
<msub>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
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<mo>=</mo>
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<msub>
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</msub>
<mo>&times;</mo>
<msub>
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<mi>c</mi>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
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<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>l</mi>
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<mo>&rsqb;</mo>
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其中：t为日淡水产量，ε为吸附式海水淡化性能比，ql为水的汽化潜热。
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