毡房结构体系与太阳能设施融合设计探讨

古丽旦·拜得尔汗 哈丽努·乃木江 苏比·阿卜都米吉提 阿孜古丽·海力力 晋 强

（新疆农业大学水利与土木工程学院 新疆乌鲁木齐 830052）

毡房是游牧民族放牧时主要的居住建筑，有着特殊的民族性、文化性、地域性和宗教性，是一种独特的民居建筑[1]。

牧区一般地处偏远，架设电力网线很难实现。目前牧区常用的取电方式有发电机（柴油或者汽油）发电或者太阳能发电等。发电机发电能耗高，噪音污染大；太阳能发电方式清洁经济，但太阳能光伏板与毡房的一体化问题尚未得到很好的解决，已制约太阳能电池板在牧区的推广和应用。

本文在前期对毡房太阳能一体化设备研究的基础上，结合太阳能板倾角与太阳能板辐射量的关系，以木垒哈萨克自治县鸡心梁村为研究对象，利用自编软件计算出该地太阳能最佳倾角，并根据计算结果适当调整毡房的搭建倾角，以达到在实现毡房太阳能一体化的基础上使得太阳能板的发电效率最大化。

1 哈萨克传统毡房简介

哈萨克传统毡房主要由承重体系和围护体系组成。

承重结构主要为木质结构。放在毡房最上部，用圆木制成的封闭圆形木架上等距离凿上一定数量的插孔，圆形木架上部相互穿插弧形细木杆组成的构架叫天窗；支撑毡房骨架穹架（天窗架）而加工的下端弯曲，其余部分笔直的圆木杆叫斜支撑（撑椽），平行排列的，两组长短不一、一头扁平、其余部分呈圆形状的木料横竖交叉，交叉处打眼儿并穿线打结，能伸能收、活动灵活的构件叫“克日也格”（格栅），安装在入口能开关的装置称作木门。

围护结构也叫做苫毡体系，其中与地面垂直部分称为围毡，围护斜撑的部分称为披毡，覆盖天窗的称为顶毡，门入口处的称为吊挂门，围护结构的主要制作材料是毛毡，故而称为毡房。

图1 传统毡房承重结构组成示意图

图2 传统毡房围护结构组成示意图

2 毡房太阳能一体化最佳角度确定

太阳能电池板是一种能够吸收太阳辐射能并将其转化为电流的半导体装置。通常太阳能电池板设置时应选择能够接受的辐射量最大的方位，可取的倾角接近于当地纬度。但在毡房上设置电池板则需要考虑毡房倾角的变化。而牧区最常使用的太阳能发电板属于应用最广的分布式光伏系统，有着其自身特殊的要求。

通常在毡房上设置太阳能电池板，可达到全天遮盖的效果（注意树木的影响）。太阳能电池板的倾角需根据毡房倾角确定。那么什么角度能够获得较多太阳总辐射能，什么方向能够达到最佳朝向，就需要结合毡房进行综合考虑。在确定阵列的最佳方位角以后，还有另一个重要的参数需要确定，那就是阵列的最佳倾角β。阵列的倾角不仅跟太阳的直射辐射有关，而且跟太阳的散射也有相当的关系[2]。

古丽旦·拜得尔汗等人前期已经对毡房太阳能一体化做了相关研究，并结合传统哈萨克的民族元素设计出适合于毡房使用的便携式太阳能设备[3]，但其在设计时并未考虑该设备放置在毡房披毡上后是否会对太阳能板的发电设备有所影响。

2.1 计算最佳方位角

由于太阳总辐射中的散射部分与太阳能板的朝向无关，并且影响因素也较多。所以实际应用时只需要考虑太阳能板在毡房上太阳辐射强度随太阳能板面朝向的变化即可。查阅文献[4]可知投射到某一阴影遮盖的全天太阳能直射辐射能量ED的计算公式如下：

其中：ts2-当地太阳时日出时间；ts1-当地太阳时日出时间；

CN-大气透明系数，随地区而异；α-太阳高度角；

β-阵列倾角；Zz-太阳方位角；Zc-阵列正向与正南向的夹角。

假设该计算日内天空云况恒定，即CN值不变，为了求Zc的最佳值，我们将ED对Zc求导得：

所以综上可得，太阳能电池阵列的最佳方位角与地理位置，计算日无关，其值为零。也就是说北半球的平面采光面朝向正南能获得最多的太阳能收益，并且此最佳方位角的结论适用于北半球任何地点、任何计算日。

2.2 计算最佳倾角

我们已知的参数有：①计算地木垒县东城镇鸡心梁村的经度为91.188°，纬度为 43.739°；②计算时间为 2017 年；③阵列方位角为 0°；④假设计算日皆为晴天，且采光面无阴影遮盖，具体计算结果如表1～2。

由表1和表2的数据分析可得，我们可确定在木垒县鸡心梁村安装太阳能电池板的全年最佳倾角为39°左右，此时毡房设计时也需要达到这一倾斜角度。

3 结论

（1）牧区拥有丰富的太阳能资源且取电不便，使得在牧区发展太阳能发电显得十分必要与可行。

（2）毡房在搭建时其披毡与水平地面夹角一般在30～40°之间，所以在木垒县搭建使用便携式太阳能设施的毡房时，可将披毡与水平地面的夹角控制在39°左右。这种做法不仅实现了牧区毡房建筑一体化，还使得太阳能板的利用率最大化，实现了太阳能电池在毡房上达到美观、实用的双重效果。

（3）便携式太阳能板年辐射量总量与放置倾角有关，而最佳倾角的确定又与使用地区有关。因此，在不同地区使用太阳能设备时最佳倾角是需要重新计算的。

表1 鸡心梁村地区逐月太阳能辐射量

表2 不同倾角下鸡心梁村地区年总辐射量