氈房結(jié)構(gòu)體系與太陽能設(shè)施融合設(shè)計探討

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

（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)線很難實現(xiàn)。目前牧區(qū)常用的取電方式有發(fā)電機（柴油或者汽油）發(fā)電或者太陽能發(fā)電等。發(fā)電機發(fā)電能耗高，噪音污染大；太陽能發(fā)電方式清潔經(jīng)濟，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，利用自編軟件計算出該地太陽能最佳傾角，并根據(jù)計算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整氈房的搭建傾角，以達到在實現(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，什么方向能夠達到最佳朝向，就需要結(jié)合氈房進行綜合考慮。在確定陣列的最佳方位角以后，還有另一個重要的參數(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)計時并未考慮該設(shè)備放置在氈房披氈上后是否會對太陽能板的發(fā)電設(shè)備有所影響。

2.1 計算最佳方位角

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。所以實際應(yīng)用時只需要考慮太陽能板在氈房上太陽輻射強度隨太陽能板面朝向的變化即可。查閱文獻[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的計算公式如下：

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

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、任何計算日。

2.2 計算最佳傾角

我們已知的參數(shù)有：①計算地木壘縣東城鎮(zhèn)雞心梁村的經(jīng)度為91.188°，緯度為 43.739°；②計算時間為 2017 年；③陣列方位角為 0°；④假設(shè)計算日皆為晴天，且采光面無陰影遮蓋，具體計算結(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，此時氈房設(shè)計時也需要達到這一傾斜角度。

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，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，實現(xiàn)了太陽能電池在氈房上達到美觀、實用的雙重效果。

（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)備時最佳傾角是需要重新計算的。

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