城鄉(xiāng)安裝太陽能平板集熱器的最小間距分析
——以昆明地區(qū)為例

□王進(jìn)福

（云南能投新能源投資開發(fā)有限公司 云南 昆明 650228)

城鄉(xiāng)安裝太陽能平板集熱器的最小間距分析
——以昆明地區(qū)為例

□王進(jìn)福

（云南能投新能源投資開發(fā)有限公司 云南 昆明 650228)

在使用平板集熱器時(shí)一般需要安裝多排才能滿足需求，為保證后排不受前排遮擋，兩排之間需有一定的間隔距離。兩排集熱器之間的間隔距離需要通過合理的方式進(jìn)行確定，文中介紹了太陽幾何學(xué)中的幾個(gè)非常重要的坐標(biāo)系，并在這些坐標(biāo)系下確定了前后排之間無遮擋的最小安裝距離的計(jì)算公式。另外，利用公式確定了云南昆明地區(qū)春分、夏至、秋分和夏至的最小安裝距離，建議昆明地區(qū)集熱器安裝的間隔距離在1.0～1.2m之間。

集熱器;采光面;最佳間隔距離;坐標(biāo)系

隨著太陽能熱水器技術(shù)的日臻成熟和人們環(huán)保意識(shí)的提高，許多學(xué)校、醫(yī)院、招待所、工廠和家庭已安裝了太陽能熱水器，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。太陽能熱水器安裝時(shí)最重要的一個(gè)因素就是最佳傾角安，該因素在多年前就已經(jīng)有了確定的計(jì)算方式[1-5]。但也還有少量影響因素未得到重視，如集熱器的不遮擋距離[6-8]，有的系統(tǒng)前后排集熱器的間距只有0.4m～0.5m，有的甚至只有0.2m～0.3m，達(dá)不到應(yīng)有的采光面積，也影響其利用效率的提高，造成資源浪費(fèi)。

太陽能集熱器的間距設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該取什么值才能達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，都是要經(jīng)過合理計(jì)算，綜合分析才能確定。

1 坐標(biāo)系的確立

1.1 赤道平面坐標(biāo)系建立

在赤道平面內(nèi)建立坐標(biāo)系o-xyz如圖1所示，其中x軸指向太陽正午，z軸指向地軸，y軸指向正東。ns為從坐標(biāo)原點(diǎn)指向太陽的單位矢量，以確定太陽的位置和太陽光入射的方向，具體表述見式（1）。

圖1 赤道平面坐標(biāo)系

1.2 水平面坐標(biāo)系

水平坐標(biāo)的建立如圖2所示，在地球表面建立坐標(biāo)系o'-x'y'z'，其中x'軸指向天頂，y'軸指向正東，z'軸指向正北。地平坐標(biāo)系o'-x'y'z'可由赤道平面坐標(biāo)系o-xyz繞y軸旋轉(zhuǎn)漬（漬為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋┒榷玫?。坐?biāo)軸之間的變化關(guān)系如式（2）。

式（4）中ns'為從坐標(biāo)原點(diǎn)指向太陽的單位矢量，其分量的計(jì)算見式（3）

圖2 水平面坐標(biāo)系

1.3 非正南水平面坐標(biāo)

在實(shí)際工程當(dāng)中，集熱板并不完全是朝正南方向安裝，因此，設(shè)計(jì)時(shí)集熱板前后兩排安放間距應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，將水平面坐標(biāo)系繞x'軸旋轉(zhuǎn)酌角，酌角為南向集熱板的方位角，即南向集熱板的法線在水平面的投影與正南向的夾角。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后太陽位置矢分量可由（4）式進(jìn)行計(jì)算：

2 集熱板的安放間距理論計(jì)算

安裝太陽能熱水器時(shí)，為了最大限度地收集太陽輻射，須考慮周圍建筑物和前排集熱器對(duì)后排集熱器的遮陽，將集熱器安放在無遮擋或少遮擋的位置上，具體安裝如圖3所示。

圖3 集熱器安裝間距示意圖

2.1 非正南方向安放間距計(jì)算

根據(jù)圖3中的標(biāo)識(shí)，設(shè)集熱板采光面長為L，安放的最佳傾角為茁，則a為前后兩排集熱板不遮陽時(shí)的最小安裝間距，根據(jù)矢量關(guān)系得出式（5）[6]：

又根據(jù)幾何關(guān)系得出式（6）

根據(jù)式（7）和（8）得出前后兩排集熱板不遮陽時(shí)的最小安放間距a的表達(dá)式為：

其中茁——為安放的最佳傾角；啄——赤緯角（-23°45'～23°45'）；棕——時(shí)角，正午時(shí)為零，下午為正、上午為負(fù)；漬——地理緯度；酌——方位角[6]。

2.2 正南方向安裝的集熱器間距

集熱器正南方向安裝時(shí)，方位角酌=0，則（7）式簡化為：

3 昆明地區(qū)集熱板間距分析

昆明地處北緯25.01毅,東經(jīng)102.7毅，海拔1891m；年平均日照時(shí)數(shù)約為2522h；根據(jù)這些參數(shù)分析當(dāng)?shù)貎膳偶療崞髦g的安裝距離。為滿足熱利用系統(tǒng)光照不少于4h的要求，計(jì)算時(shí)間選擇10:00～14:00，根據(jù)公式（8）計(jì)算出昆明地區(qū)春分，夏至，秋分，冬至?xí)r候的投影距離見表2所示，為供工作人員安裝太陽能熱水器提供參考。

表2 昆明春、秋分和夏、冬至不同方位角下的安裝距離

結(jié)束語

太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算了不遮擋的最小距離，并根據(jù)實(shí)際安裝場地條件和用戶要求、使用季節(jié)因地制宜地選取集熱器之間的間距。建議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）安裝熱水器時(shí)不應(yīng)該固定某一間距，過大或者過小都會(huì)影響總體效果。在昆明地區(qū)冬至上午最小間距大約為1.7m，而夏至則約為0.027m，但這兩個(gè)數(shù)據(jù)都不是安裝熱利用系統(tǒng)時(shí)的最佳選擇。

（2）根據(jù)太陽能熱水器的使用季節(jié)設(shè)計(jì)間距，如夏季使用，太陽高度大，可選得較小間距；冬季使用，一般要求冬至日10:00～14:00前后不遮擋，即保證有4h的太陽輻射，間距應(yīng)控制約為1.3m，而全年使用則應(yīng)小于1.3m。

（3）實(shí)際的安裝操作中，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮，因地制宜，對(duì)安裝場地進(jìn)行具體分析，設(shè)計(jì)出合理的安裝間距，昆明地區(qū)推薦選用間距為1.0m～1.2m之間。

[1]朱超群.估計(jì)南向坡面總輻射最傾角的表示式[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào),1997,33(4):626-630.

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1004-7026（2017）1-0114-02

F014.9

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10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.01.78