□王進福

（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行確定，文中介紹了太陽幾何學中的幾個非常重要的坐標系，并在這些坐標系下確定了前后排之間無遮擋的最小安裝距離的計算公式。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)保意識的提高，許多學校、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)濟效益和社會效益。太陽能熱水器安裝時最重要的一個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，達不到應有的采光面積，也影響其利用效率的提高，造成資源浪費。

太陽能集熱器的間距設計時應該取什么值才能達到預期的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益，都是要經(jīng)過合理計算，綜合分析才能確定。

1 坐標系的確立

1.1 赤道平面坐標系建立

在赤道平面內(nèi)建立坐標系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為從坐標原點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 赤道平面坐標系

1.2 水平面坐標系

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

式（4）中ns'為從坐標原點指向太陽的單位矢量，其分量的計算見式（3）

圖2 水平面坐標系

1.3 非正南水平面坐標

在實際工程當中，集熱板并不完全是朝正南方向安裝，因此，設計時集熱板前后兩排安放間距應進行坐標旋轉(zhuǎn)，將水平面坐標系繞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。坐標旋轉(zhuǎn)后太陽位置矢分量可由（4）式進行計算：

2 集熱板的安放間距理論計算

安裝太陽能熱水器時，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算

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

又根據(jù)幾何關系得出式（6）

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

其中茁——為安放的最佳傾角；啄——赤緯角（-23°45'～23°45'）；棕——時角，正午時為零，下午為正、上午為負；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，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；年平均日照時數(shù)約為2522h；根據(jù)這些參數(shù)分析當?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，計算時間選擇10:00～14:00，根據(jù)公式（8）計算出昆明地區(qū)春分，夏至，秋分，冬至時候的投影距離見表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)設計時，需要計算了不遮擋的最小距離，并根據(jù)實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。建議在設計時考慮以下幾個方面：

（1）安裝熱水器時不應該固定某一間距，過大或者過小都會影響總體效果。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，但這兩個數(shù)據(jù)都不是安裝熱利用系統(tǒng)時的最佳選擇。

（2）根據(jù)太陽能熱水器的使用季節(jié)設計間距，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，間距應控制約為1.3m，而全年使用則應小于1.3m。

（3）實際的安裝操作中，設計者應綜合考慮，因地制宜，對安裝場地進行具體分析，設計出合理的安裝間距，昆明地區(qū)推薦選用間距為1.0m～1.2m之間。

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1004-7026（2017）1-0114-02

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