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

        2011-12-28 09:03:38呂菲

        呂菲

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

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

        中圖分類號:TM615文獻標識碼:A文章編號: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)破壞問題的日趨嚴重,人們對生存環(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,太陽能傳送到地球上的能源,每40 s鐘就有相當于210億桶石油的能量傳送到地球,相當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)濟條件,供開發(fā)利用的太陽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能高效率的利用,應(yīng)該是太陽能利用領(lǐng)域重要的研究方向。

        1太陽能常見利用方式

        目前太陽能利用的方式有:太陽能光伏發(fā)電,太陽能熱利用,太陽能動力利用,太陽能光化學(xué)利用,太陽能生物利用等。其中太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱利用是太陽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能發(fā)電供熱設(shè)備。

        2太陽光入射采熱裝置采光面的角度對利用效率

        的影響

        太陽能發(fā)電供熱設(shè)備都需要一個采光面,這個采光面也就是吸收采集熱量的裝置—采熱裝置,如太陽能光伏發(fā)電的采光板、太陽能電池的受光面、太陽能熱利用的平板型集熱器、太陽能熱水器平面布置的真空管,他們的共同點就是都可以將其看成是一個平面,采光平面對太陽光的有效截留將直接影響整個設(shè)備的太陽能利用效率。有關(guān)太陽能的概念告訴我們,地球上具體一個平面的太陽輻射強度取決于這個面即時的太陽高度角。太陽高度角愈大,太陽輻射強度愈大。因為一束光線直射時照射面積小,單位面積所獲得的太陽輻射就大;反之,斜射時照射面積增大,單位面積上獲得的太陽輻射則減?。ㄒ蝗罩?,太陽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,對于具體的一個采光面來說,為了得到更大的太陽輻射強度,不僅要顧及太陽高度角還要考慮到太陽方位角,否則也會因為方位角的變化而使太陽光線斜射入采光面,增大照射面積而獲得較少的太陽輻射。圖1為太陽高度角和方位角的簡單圖示。

        因此,由太陽高度角和方位角的變化而得出,太陽光只有垂直照射采光平面時采熱裝置才能獲得最大的太陽輻射,而且不會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)計上要盡可能的保證太陽光照角度,才能減少熱損失,在吸收輻射光線方面提高太陽能利用效率,這將是提高太陽能利用效率的有效途徑之一。

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

        因為太陽光入射采熱裝置采光面的角度對太陽能利用效率有影響,所以支架結(jié)構(gòu)對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)式又分為單軸自動跟蹤式調(diào)節(jié)和雙軸自動跟蹤式調(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。但在太陽高度角方向和方位角方向都不可調(diào)節(jié),大多時候都是太陽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,但太陽能的利用效率相對很低,常用在家用熱水器的安裝上,當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)式的太陽能支架,大多采用立柱式支架設(shè)計,一般都是采光面或跟隨太陽的高度角方向或跟隨太陽的方位角方向或跟隨二者自動進行調(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個旋轉(zhuǎn)自由度,雙軸跟蹤具有2個旋轉(zhuǎn)自由度。三種跟蹤系統(tǒng)可以同時采用兩種跟蹤控制策略,一種為被動式,即通過傳感裝置檢測太陽的位置調(diào)整采光面的朝向;一種為主動式,通過當?shù)氐木暥阮A(yù)先計算好太陽在天空中的運行軌跡,控制采光板的朝向。根據(jù)天氣情況可以靈活運用這兩種策控制略,在光線充足的情況下采用被動式在光線不足或多霜雪、多沙塵的環(huán)境下采用主動式,這樣就可以使采光面時刻與太陽光線保持垂直,使太陽光能垂直入射采光面,獲得更多的太陽輻射能,提高太陽能的利用效率。

        4結(jié)語

        綜上所述,采用帶有太陽自動跟蹤裝置的太陽能采熱裝置支架,通過跟蹤系統(tǒng)自動調(diào)整采光面角度,使太陽光垂直入射采光面是提高太陽能利用效率的有效途徑之一。但是在提高利用效率的同時應(yīng)該考慮到任何類型的太陽能支架結(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能的高效利用獲得事半功倍的效果。

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