城乡安装太阳能平板集热器的最小间距分析——以昆明地区为例

□王进福

（云南能投新能源投资开发有限公司 云南 昆明 650228)

城乡安装太阳能平板集热器的最小间距分析
——以昆明地区为例

□王进福

（云南能投新能源投资开发有限公司 云南 昆明 650228)

在使用平板集热器时一般需要安装多排才能满足需求，为保证后排不受前排遮挡，两排之间需有一定的间隔距离。两排集热器之间的间隔距离需要通过合理的方式进行确定，文中介绍了太阳几何学中的几个非常重要的坐标系，并在这些坐标系下确定了前后排之间无遮挡的最小安装距离的计算公式。另外，利用公式确定了云南昆明地区春分、夏至、秋分和夏至的最小安装距离，建议昆明地区集热器安装的间隔距离在1.0～1.2m之间。

集热器;采光面;最佳间隔距离;坐标系

随着太阳能热水器技术的日臻成熟和人们环保意识的提高，许多学校、医院、招待所、工厂和家庭已安装了太阳能热水器，并取得了良好的经济效益和社会效益。太阳能热水器安装时最重要的一个因素就是最佳倾角安，该因素在多年前就已经有了确定的计算方式[1-5]。但也还有少量影响因素未得到重视，如集热器的不遮挡距离[6-8]，有的系统前后排集热器的间距只有0.4m～0.5m，有的甚至只有0.2m～0.3m，达不到应有的采光面积，也影响其利用效率的提高，造成资源浪费。

太阳能集热器的间距设计时应该取什么值才能达到预期的节能效果和经济效益，都是要经过合理计算，综合分析才能确定。

1 坐标系的确立

1.1 赤道平面坐标系建立

在赤道平面内建立坐标系o-xyz如图1所示，其中x轴指向太阳正午，z轴指向地轴，y轴指向正东。ns为从坐标原点指向太阳的单位矢量，以确定太阳的位置和太阳光入射的方向，具体表述见式（1）。

图1 赤道平面坐标系

1.2 水平面坐标系

水平坐标的建立如图2所示，在地球表面建立坐标系o'-x'y'z'，其中x'轴指向天顶，y'轴指向正东，z'轴指向正北。地平坐标系o'-x'y'z'可由赤道平面坐标系o-xyz绕y轴旋转渍（渍为当地地理纬度）度而得到。坐标轴之间的变化关系如式（2）。

式（4）中ns'为从坐标原点指向太阳的单位矢量，其分量的计算见式（3）

图2 水平面坐标系

1.3 非正南水平面坐标

在实际工程当中，集热板并不完全是朝正南方向安装，因此，设计时集热板前后两排安放间距应进行坐标旋转，将水平面坐标系绕x'轴旋转酌角，酌角为南向集热板的方位角，即南向集热板的法线在水平面的投影与正南向的夹角。坐标旋转后太阳位置矢分量可由（4）式进行计算：

2 集热板的安放间距理论计算

安装太阳能热水器时，为了最大限度地收集太阳辐射，须考虑周围建筑物和前排集热器对后排集热器的遮阳，将集热器安放在无遮挡或少遮挡的位置上，具体安装如图3所示。

图3 集热器安装间距示意图

2.1 非正南方向安放间距计算

根据图3中的标识，设集热板采光面长为L，安放的最佳倾角为茁，则a为前后两排集热板不遮阳时的最小安装间距，根据矢量关系得出式（5）[6]：

又根据几何关系得出式（6）

根据式（7）和（8）得出前后两排集热板不遮阳时的最小安放间距a的表达式为：

其中茁——为安放的最佳倾角；啄——赤纬角（-23°45'～23°45'）；棕——时角，正午时为零，下午为正、上午为负；渍——地理纬度；酌——方位角[6]。

2.2 正南方向安装的集热器间距

集热器正南方向安装时，方位角酌=0，则（7）式简化为：

3 昆明地区集热板间距分析

昆明地处北纬25.01毅,东经102.7毅，海拔1891m；年平均日照时数约为2522h；根据这些参数分析当地两排集热器之间的安装距离。为满足热利用系统光照不少于4h的要求，计算时间选择10:00～14:00，根据公式（8）计算出昆明地区春分，夏至，秋分，冬至时候的投影距离见表2所示，为供工作人员安装太阳能热水器提供参考。

表2 昆明春、秋分和夏、冬至不同方位角下的安装距离

结束语

太阳能热水系统设计时，需要计算了不遮挡的最小距离，并根据实际安装场地条件和用户要求、使用季节因地制宜地选取集热器之间的间距。建议在设计时考虑以下几个方面：

（1）安装热水器时不应该固定某一间距，过大或者过小都会影响总体效果。在昆明地区冬至上午最小间距大约为1.7m，而夏至则约为0.027m，但这两个数据都不是安装热利用系统时的最佳选择。

（2）根据太阳能热水器的使用季节设计间距，如夏季使用，太阳高度大，可选得较小间距；冬季使用，一般要求冬至日10:00～14:00前后不遮挡，即保证有4h的太阳辐射，间距应控制约为1.3m，而全年使用则应小于1.3m。

（3）实际的安装操作中，设计者应综合考虑，因地制宜，对安装场地进行具体分析，设计出合理的安装间距，昆明地区推荐选用间距为1.0m～1.2m之间。

[1]朱超群.估计南向坡面总辐射最倾角的表示式[J].南京大学学报,1997,33(4):626-630.

[2]钟林志,孙志新,许巧铃,等.不同方位角上太阳能集热器最佳倾角的确定[J].福州大学学报,2015,43(1):135-141.

[3]马江燕.典型气象年下我国正南安装的太阳能集热器最佳倾角的计算与分析[J].铁道建筑技术,2012,(5):110-114.

[4]何世钧,张雨,周文君,等.太阳能热水系统集热器最佳倾角的确定[J].太阳能学报,2012,33(6):922-926.

[5]侯根富,张慈枝,戴贵龙,等.太阳能集热器最佳倾角确定及计算方法比较[J].福建工程学院学报,2016,14 (6):511-517.

[6]庄素.集热器最小排间距计算[J].太阳能,1992, (2):5-5.

[7]魏生贤,李明,刘江涛,等.高效平板集热器件吸热面与透明盖板间距优化[J].太阳能学报,2011,32(9):1413-1415.

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1004-7026（2017）1-0114-02

F014.9

A

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