太阳能发电供热设备采热装置支架结构对太阳能利用效率的影响

吕菲

摘要：文章介绍了太阳光入射太阳能发电供热设备采热装置采光面的角度对太阳能利用效率的影响，分析了几种太阳能集热装置的支架结构对采光面的角度的调节能力，并着重分析介绍了采用太阳自动跟踪系统的太阳能集热装置支架结构是提高太阳能利用效率的有效途径之一。

关键词：太阳能；光照角度；支架结构；利用效率；自动跟踪

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0110-02

能源一直是人类生存和发展的重要物质基础，随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所带来的环境污染和生态破坏问题的日趋严重，人们对生存环境的重视程度日益提高，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。太阳能作为一种能量巨大的可再生清洁能源，因此被专家所关注。据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40 s钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。而依靠现有的技术以及经济条件，供开发利用的太阳能只占理论资源量的很小一部分，因此如何将这很小的一部分太阳能高效率的利用，应该是太阳能利用领域重要的研究方向。

1太阳能常见利用方式

目前太阳能利用的方式有：太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用等。其中太阳能光伏发电和太阳能热利用是太阳能利用中最为常见的两种方式，采用这两种利用方式的应用装置在本文中将其称为太阳能发电供热设备。

2太阳光入射采热装置采光面的角度对利用效率

的影响

太阳能发电供热设备都需要一个采光面，这个采光面也就是吸收采集热量的装置—采热装置，如太阳能光伏发电的采光板、太阳能电池的受光面、太阳能热利用的平板型集热器、太阳能热水器平面布置的真空管，他们的共同点就是都可以将其看成是一个平面，采光平面对太阳光的有效截留将直接影响整个设备的太阳能利用效率。有关太阳能的概念告诉我们，地球上具体一个平面的太阳辐射强度取决于这个面即时的太阳高度角。太阳高度角愈大，太阳辐射强度愈大。因为一束光线直射时照射面积小，单位面积所获得的太阳辐射就大；反之，斜射时照射面积增大，单位面积上获得的太阳辐射则减小（一日之中，太阳高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低纬地区大于高纬度地区）。而同理，对于具体的一个采光面来说，为了得到更大的太阳辐射强度，不仅要顾及太阳高度角还要考虑到太阳方位角，否则也会因为方位角的变化而使太阳光线斜射入采光面，增大照射面积而获得较少的太阳辐射。图1为太阳高度角和方位角的简单图示。

因此，由太阳高度角和方位角的变化而得出，太阳光只有垂直照射采光平面时采热装置才能获得最大的太阳辐射，而且不会有反射造成的热损失，热损失是最小，所以集热装置在支架结构的设计上要尽可能的保证太阳光照角度，才能减少热损失，在吸收辐射光线方面提高太阳能利用效率，这将是提高太阳能利用效率的有效途径之一。

3集热装置支架结构对采光面角度的调节

因为太阳光入射采热装置采光面的角度对太阳能利用效率有影响，所以支架结构对集热装置的采光面的角度可调节性就尤其重要。常见的支架形式大致可为两类：采光面固定式和采光面角度可调节式；采光面角度可调节式又分为单轴自动跟踪式调节和双轴自动跟踪式调节。

3.1采光面固定式

采光面的倾斜角度在安装时已经调节好，采光面牢固的安装在固定支架上，支架与地面的连接稳固。但在太阳高度角方向和方位角方向都不可调节，大多时候都是太阳光线倾斜的照射在采光平面上，虽然结构形式是最稳定可靠的，但太阳能的利用效率相对很低，常用在家用热水器的安装上，当然也有立柱式的固定结构。 见图2、3。

3.2采光面角度可调节式

采光面角度可调节式的太阳能支架，大多采用立柱式支架设计，一般都是采光面或跟随太阳的高度角方向或跟随太阳的方位角方向或跟随二者自动进行调节，具体说来就是采用水平单轴跟踪或倾斜纬度角单轴跟踪或双轴跟踪系统的太阳能支架（参见图4），其中水平单轴跟踪和倾斜单轴跟踪只有1个旋转自由度，双轴跟踪具有2个旋转自由度。三种跟踪系统可以同时采用两种跟踪控制策略，一种为被动式，即通过传感装置检测太阳的位置调整采光面的朝向；一种为主动式，通过当地的纬度预先计算好太阳在天空中的运行轨迹，控制采光板的朝向。根据天气情况可以灵活运用这两种策控制略，在光线充足的情况下采用被动式在光线不足或多霜雪、多沙尘的环境下采用主动式，这样就可以使采光面时刻与太阳光线保持垂直，使太阳光能垂直入射采光面，获得更多的太阳辐射能，提高太阳能的利用效率。

4结语

综上所述，采用带有太阳自动跟踪装置的太阳能采热装置支架，通过跟踪系统自动调整采光面角度，使太阳光垂直入射采光面是提高太阳能利用效率的有效途径之一。但是在提高利用效率的同时应该考虑到任何类型的太阳能支架结构重要的特征之一应该是耐候性，结构必须牢固可靠，能承受大气侵蚀，风荷载等外部效应，如此综合考虑才能将太阳能的高效利用获得事半功倍的效果。

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