古麗旦·拜得爾汗 哈麗努·乃木江 蘇比·阿卜都米吉提 阿孜古麗·海力力 晉 強(qiáng)

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052）

氈房是游牧民族放牧?xí)r主要的居住建筑，有著特殊的民族性、文化性、地域性和宗教性，是一種獨(dú)特的民居建筑[1]。

牧區(qū)一般地處偏遠(yuǎn)，架設(shè)電力網(wǎng)線很難實(shí)現(xiàn)。目前牧區(qū)常用的取電方式有發(fā)電機(jī)（柴油或者汽油）發(fā)電或者太陽能發(fā)電等。發(fā)電機(jī)發(fā)電能耗高，噪音污染大；太陽能發(fā)電方式清潔經(jīng)濟(jì)，但太陽能光伏板與氈房的一體化問題尚未得到很好的解決，已制約太陽能電池板在牧區(qū)的推廣和應(yīng)用。

本文在前期對氈房太陽能一體化設(shè)備研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合太陽能板傾角與太陽能板輻射量的關(guān)系，以木壘哈薩克自治縣雞心梁村為研究對象，利用自編軟件計(jì)算出該地太陽能最佳傾角，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整氈房的搭建傾角，以達(dá)到在實(shí)現(xiàn)氈房太陽能一體化的基礎(chǔ)上使得太陽能板的發(fā)電效率最大化。

1 哈薩克傳統(tǒng)氈房簡介

哈薩克傳統(tǒng)氈房主要由承重體系和圍護(hù)體系組成。

承重結(jié)構(gòu)主要為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。放在氈房最上部，用圓木制成的封閉圓形木架上等距離鑿上一定數(shù)量的插孔，圓形木架上部相互穿插弧形細(xì)木桿組成的構(gòu)架叫天窗；支撐氈房骨架穹架（天窗架）而加工的下端彎曲，其余部分筆直的圓木桿叫斜支撐（撐椽），平行排列的，兩組長短不一、一頭扁平、其余部分呈圓形狀的木料橫豎交叉，交叉處打眼兒并穿線打結(jié)，能伸能收、活動(dòng)靈活的構(gòu)件叫“克日也格”（格柵），安裝在入口能開關(guān)的裝置稱作木門。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)也叫做苫氈體系，其中與地面垂直部分稱為圍氈，圍護(hù)斜撐的部分稱為披氈，覆蓋天窗的稱為頂氈，門入口處的稱為吊掛門，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要制作材料是毛氈，故而稱為氈房。

圖1 傳統(tǒng)氈房承重結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖2 傳統(tǒng)氈房圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 氈房太陽能一體化最佳角度確定

太陽能電池板是一種能夠吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為電流的半導(dǎo)體裝置。通常太陽能電池板設(shè)置時(shí)應(yīng)選擇能夠接受的輻射量最大的方位，可取的傾角接近于當(dāng)?shù)鼐暥?。但在氈房上設(shè)置電池板則需要考慮氈房傾角的變化。而牧區(qū)最常使用的太陽能發(fā)電板屬于應(yīng)用最廣的分布式光伏系統(tǒng)，有著其自身特殊的要求。

通常在氈房上設(shè)置太陽能電池板，可達(dá)到全天遮蓋的效果（注意樹木的影響）。太陽能電池板的傾角需根據(jù)氈房傾角確定。那么什么角度能夠獲得較多太陽總輻射能，什么方向能夠達(dá)到最佳朝向，就需要結(jié)合氈房進(jìn)行綜合考慮。在確定陣列的最佳方位角以后，還有另一個(gè)重要的參數(shù)需要確定，那就是陣列的最佳傾角β。陣列的傾角不僅跟太陽的直射輻射有關(guān)，而且跟太陽的散射也有相當(dāng)?shù)年P(guān)系[2]。

古麗旦·拜得爾汗等人前期已經(jīng)對氈房太陽能一體化做了相關(guān)研究，并結(jié)合傳統(tǒng)哈薩克的民族元素設(shè)計(jì)出適合于氈房使用的便攜式太陽能設(shè)備[3]，但其在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮該設(shè)備放置在氈房披氈上后是否會(huì)對太陽能板的發(fā)電設(shè)備有所影響。

2.1 計(jì)算最佳方位角

由于太陽總輻射中的散射部分與太陽能板的朝向無關(guān)，并且影響因素也較多。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需要考慮太陽能板在氈房上太陽輻射強(qiáng)度隨太陽能板面朝向的變化即可。查閱文獻(xiàn)[4]可知投射到某一陰影遮蓋的全天太陽能直射輻射能量ED的計(jì)算公式如下：

其中：ts2-當(dāng)?shù)靥枙r(shí)日出時(shí)間；ts1-當(dāng)?shù)靥枙r(shí)日出時(shí)間；

CN-大氣透明系數(shù)，隨地區(qū)而異；α-太陽高度角；

β-陣列傾角；Zz-太陽方位角；Zc-陣列正向與正南向的夾角。

假設(shè)該計(jì)算日內(nèi)天空云況恒定，即CN值不變，為了求Zc的最佳值，我們將ED對Zc求導(dǎo)得：

所以綜上可得，太陽能電池陣列的最佳方位角與地理位置，計(jì)算日無關(guān)，其值為零。也就是說北半球的平面采光面朝向正南能獲得最多的太陽能收益，并且此最佳方位角的結(jié)論適用于北半球任何地點(diǎn)、任何計(jì)算日。

2.2 計(jì)算最佳傾角

我們已知的參數(shù)有：①計(jì)算地木壘縣東城鎮(zhèn)雞心梁村的經(jīng)度為91.188°，緯度為 43.739°；②計(jì)算時(shí)間為 2017 年；③陣列方位角為 0°；④假設(shè)計(jì)算日皆為晴天，且采光面無陰影遮蓋，具體計(jì)算結(jié)果如表1～2。

由表1和表2的數(shù)據(jù)分析可得，我們可確定在木壘縣雞心梁村安裝太陽能電池板的全年最佳傾角為39°左右，此時(shí)氈房設(shè)計(jì)時(shí)也需要達(dá)到這一傾斜角度。

3 結(jié)論

（1）牧區(qū)擁有豐富的太陽能資源且取電不便，使得在牧區(qū)發(fā)展太陽能發(fā)電顯得十分必要與可行。

（2）氈房在搭建時(shí)其披氈與水平地面夾角一般在30～40°之間，所以在木壘縣搭建使用便攜式太陽能設(shè)施的氈房時(shí)，可將披氈與水平地面的夾角控制在39°左右。這種做法不僅實(shí)現(xiàn)了牧區(qū)氈房建筑一體化，還使得太陽能板的利用率最大化，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池在氈房上達(dá)到美觀、實(shí)用的雙重效果。

（3）便攜式太陽能板年輻射量總量與放置傾角有關(guān)，而最佳傾角的確定又與使用地區(qū)有關(guān)。因此，在不同地區(qū)使用太陽能設(shè)備時(shí)最佳傾角是需要重新計(jì)算的。

表1 雞心梁村地區(qū)逐月太陽能輻射量

表2 不同傾角下雞心梁村地區(qū)年總輻射量