广州地区太阳能集热器间距的设计.doc

广州地区太阳能集热器的间距设计 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，广东许多学校、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。太阳能热水器发展的势头之猛烈，令人振奋。 笔者看过广东地区不少单位安装的太阳能热水器，给人总体的印象较好，从系统设计到使用效果，从社会效益到经济效益，从质量到产量，都已有所突破。但也有些不尽如人意的地方，例如，对于太阳能集热器的不遮阳距离，有的厂家做得比较好，但有个别厂家就不太注意。有的系统，前排集热器与后排集热器的间距只有0.4~0.5米，有的甚至只有0.2~0.3米，达不到应有的采光面积，也损害了用户的利益。 太阳能集热器的间距在设计时应选择多少才为合适？才能达到预期的节能效果和经济效益？首先，需要了解太阳的周日视运动，然后，确定广州地区太阳能集热器在各个季节的不遮阳的距离，最后，再选择集热器间的最佳间距。 （一）太阳的周日视运动 地球表面上某一点所受到日照的日变化和年变化，都是地球自转和它围绕太阳公转而引起的。地球公转一周形成一年的四季变化，春秋分日昼夜等长；夏至日太阳在一年中正午高度角最高，昼最长，夜最短；到了冬至日，太阳高度角最低，昼最短，夜最长。地球自转一周，使我们在地球上每天看到太阳东升西落的运动，这种现象称为太阳的周日视运动，它是地球每天自转的结果。地球自转一周为一天，24小时，旋转360度。 太阳的周日视运动，是由当地的地理纬度、季节（日、月）和时间三个因素决定的。计算太阳在天球中对地球上某一点的相对位置，可以用地理纬度（F）、太阳赤纬（d）、太阳高度角（a）、太阳方位角（g）及时角w等太阳角进行定位。 （1）太阳赤纬角d 地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角。 （1） d为一年中的日期序号 为了计算方便，表1列出了各特征日季节、日期和太阳赤纬的对照。 表1 赤纬、日期和节气对照表 节气 日期 赤纬 节气 日期 赤纬 节气 日期 赤纬 立春 2月4日 -16023’ 芒种 6月6日 +22035’ 寒露 10月8日 -5040’ 雨水 2月19日 -11029’ 夏至 6月22日 +23026’ 霜降 10月24日 -11033’ 惊蛰 3月6日 -5053’ 小暑 7月7日 +22039’ 立冬 11月8日 -16024’ 春分 3月21日 -0000’ 大署 7月23日 +20012’ 小雪 11月23日 -20013’ 清明 4月5日 +5051’ 立秋 8月8日 +16018’ 大雪 12月7日 -22032’ 谷雨 4月20日 +11019’ 处暑 8月23日 +11038’ 冬至 12月22日 -23026’ 立夏 5月6日 +16022’ 白露 9月8日 +5055’ 小寒 1月6日 -22034’ 小满 5月21日 +20004’ 秋分 9月23日 +0009’ 大寒 1月20日 -20014’ （2）时角w 单位时间地球自转的角度定义为时角w，规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周3600，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为150，每4分钟的时角为10。 （3）太阳高度角a 太阳的高度角a是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角，参见图1。 （2） 式中——当地纬度 δ——太阳赤纬 ω——太阳时角 （4）太阳方位角γS 太阳方位角γS是太阳至地面上某给定地点的连线在地面上的投影与南向（当地子午线）之间的夹角。方位角从正午算起，上午为负值，下午为正值。它代表太阳光线的水平投影偏离正南的角度，由下式计算： （3） 当的计算值大于1时，改用下式进行计算： （4） （二）广州地区太阳能集热器的不遮阳距离 在安装太阳能热水器时，为了最大限度地收集太阳辐射能量，必须考虑周围建筑物对集热器的遮阳情况和前排集热器对后排集热器的遮阳情况，以便将集热器安放在不遮阳或尽量少遮阳的合适位置。 图2 为不遮阳距离和太阳角的关系示意图。图中： ZA为太阳入射光线 OZ为建筑物或集热器的安装高度h OA为H的水平阴影长度l OB为不遮阳距离S ∠ZAO为该地区某时刻太阳高度角α ∠AOB为该地区某时刻太阳方位角γS 由图2 可见，对于正南朝向的集热器，其不遮阳距离 （5） 而影长 ，所以 （6） 式（6）为求日照间距的基本公式（南向）。 对于不是正南北朝向的建筑物，即对朝向不是正南的集热器， （7） 即： （8） γn为垂直于集热器平面的平面M的方位角，如图3所示。 ? 本文只着重分析正南朝向的不遮阳距离。 表2计算了广州地区各特征日某时刻的太阳位置和水平阴影长率，供进行太阳能热水系统设计时参考。 表2 广州地区（北纬230）太阳位置数据表 节气 日期 时刻 6 7 8 9 10 11