太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備采熱裝置支架結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能利用效率的影響

呂菲

摘要：文章介紹了太陽(yáng)光入射太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備采熱裝置采光面的角度對(duì)太陽(yáng)能利用效率的影響，分析了幾種太陽(yáng)能集熱裝置的支架結(jié)構(gòu)對(duì)采光面的角度的調(diào)節(jié)能力，并著重分析介紹了采用太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱裝置支架結(jié)構(gòu)是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光照角度；支架結(jié)構(gòu)；利用效率；自動(dòng)跟蹤

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0110-02

能源一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題的日趨嚴(yán)重，人們對(duì)生存環(huán)境的重視程度日益提高，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的新能源和可再生能源成為人類急切需要解決的問題。太陽(yáng)能作為一種能量巨大的可再生清潔能源，因此被專家所關(guān)注。據(jù)估算，太陽(yáng)能傳送到地球上的能源，每40 s鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天所消耗的能源。而依靠現(xiàn)有的技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)條件，供開發(fā)利用的太陽(yáng)能只占理論資源量的很小一部分，因此如何將這很小的一部分太陽(yáng)能高效率的利用，應(yīng)該是太陽(yáng)能利用領(lǐng)域重要的研究方向。

1太陽(yáng)能常見利用方式

目前太陽(yáng)能利用的方式有：太陽(yáng)能光伏發(fā)電，太陽(yáng)能熱利用，太陽(yáng)能動(dòng)力利用，太陽(yáng)能光化學(xué)利用，太陽(yáng)能生物利用等。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱利用是太陽(yáng)能利用中最為常見的兩種方式，采用這兩種利用方式的應(yīng)用裝置在本文中將其稱為太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備。

2太陽(yáng)光入射采熱裝置采光面的角度對(duì)利用效率

的影響

太陽(yáng)能發(fā)電供熱設(shè)備都需要一個(gè)采光面，這個(gè)采光面也就是吸收采集熱量的裝置—采熱裝置，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電的采光板、太陽(yáng)能電池的受光面、太陽(yáng)能熱利用的平板型集熱器、太陽(yáng)能熱水器平面布置的真空管，他們的共同點(diǎn)就是都可以將其看成是一個(gè)平面，采光平面對(duì)太陽(yáng)光的有效截留將直接影響整個(gè)設(shè)備的太陽(yáng)能利用效率。有關(guān)太陽(yáng)能的概念告訴我們，地球上具體一個(gè)平面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取決于這個(gè)面即時(shí)的太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)高度角愈大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度愈大。因?yàn)橐皇饩€直射時(shí)照射面積小，單位面積所獲得的太陽(yáng)輻射就大；反之，斜射時(shí)照射面積增大，單位面積上獲得的太陽(yáng)輻射則減?。ㄒ蝗罩?，太陽(yáng)高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低緯地區(qū)大于高緯度地區(qū)）。而同理，對(duì)于具體的一個(gè)采光面來說，為了得到更大的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，不僅要顧及太陽(yáng)高度角還要考慮到太陽(yáng)方位角，否則也會(huì)因?yàn)榉轿唤堑淖兓固?yáng)光線斜射入采光面，增大照射面積而獲得較少的太陽(yáng)輻射。圖1為太陽(yáng)高度角和方位角的簡(jiǎn)單圖示。

因此，由太陽(yáng)高度角和方位角的變化而得出，太陽(yáng)光只有垂直照射采光平面時(shí)采熱裝置才能獲得最大的太陽(yáng)輻射，而且不會(huì)有反射造成的熱損失，熱損失是最小，所以集熱裝置在支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上要盡可能的保證太陽(yáng)光照角度，才能減少熱損失，在吸收輻射光線方面提高太陽(yáng)能利用效率，這將是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。

3集熱裝置支架結(jié)構(gòu)對(duì)采光面角度的調(diào)節(jié)

因?yàn)樘?yáng)光入射采熱裝置采光面的角度對(duì)太陽(yáng)能利用效率有影響，所以支架結(jié)構(gòu)對(duì)集熱裝置的采光面的角度可調(diào)節(jié)性就尤其重要。常見的支架形式大致可為兩類：采光面固定式和采光面角度可調(diào)節(jié)式；采光面角度可調(diào)節(jié)式又分為單軸自動(dòng)跟蹤式調(diào)節(jié)和雙軸自動(dòng)跟蹤式調(diào)節(jié)。

3.1采光面固定式

采光面的傾斜角度在安裝時(shí)已經(jīng)調(diào)節(jié)好，采光面牢固的安裝在固定支架上，支架與地面的連接穩(wěn)固。但在太陽(yáng)高度角方向和方位角方向都不可調(diào)節(jié)，大多時(shí)候都是太陽(yáng)光線傾斜的照射在采光平面上，雖然結(jié)構(gòu)形式是最穩(wěn)定可靠的，但太陽(yáng)能的利用效率相對(duì)很低，常用在家用熱水器的安裝上，當(dāng)然也有立柱式的固定結(jié)構(gòu)。 見圖2、3。

3.2采光面角度可調(diào)節(jié)式

采光面角度可調(diào)節(jié)式的太陽(yáng)能支架，大多采用立柱式支架設(shè)計(jì)，一般都是采光面或跟隨太陽(yáng)的高度角方向或跟隨太陽(yáng)的方位角方向或跟隨二者自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體說來就是采用水平單軸跟蹤或傾斜緯度角單軸跟蹤或雙軸跟蹤系統(tǒng)的太陽(yáng)能支架（參見圖4），其中水平單軸跟蹤和傾斜單軸跟蹤只有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，雙軸跟蹤具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。三種跟蹤系統(tǒng)可以同時(shí)采用兩種跟蹤控制策略，一種為被動(dòng)式，即通過傳感裝置檢測(cè)太陽(yáng)的位置調(diào)整采光面的朝向；一種為主動(dòng)式，通過當(dāng)?shù)氐木暥阮A(yù)先計(jì)算好太陽(yáng)在天空中的運(yùn)行軌跡，控制采光板的朝向。根據(jù)天氣情況可以靈活運(yùn)用這兩種策控制略，在光線充足的情況下采用被動(dòng)式在光線不足或多霜雪、多沙塵的環(huán)境下采用主動(dòng)式，這樣就可以使采光面時(shí)刻與太陽(yáng)光線保持垂直，使太陽(yáng)光能垂直入射采光面，獲得更多的太陽(yáng)輻射能，提高太陽(yáng)能的利用效率。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用帶有太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能采熱裝置支架，通過跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整采光面角度，使太陽(yáng)光垂直入射采光面是提高太陽(yáng)能利用效率的有效途徑之一。但是在提高利用效率的同時(shí)應(yīng)該考慮到任何類型的太陽(yáng)能支架結(jié)構(gòu)重要的特征之一應(yīng)該是耐候性，結(jié)構(gòu)必須牢固可靠，能承受大氣侵蝕，風(fēng)荷載等外部效應(yīng)，如此綜合考慮才能將太陽(yáng)能的高效利用獲得事半功倍的效果。

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