文/姜超偉　穆標(biāo)　張欣

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一種計(jì)算太陽(yáng)能接收器安裝角度的通用模型
——以北京地區(qū)為例

文/姜超偉穆標(biāo)張欣

摘 要：在綠色物流推行的大環(huán)境下，倉(cāng)儲(chǔ)作為物流供應(yīng)鏈的重要環(huán)節(jié)，綠色倉(cāng)儲(chǔ)建設(shè)顯得尤為突出。太陽(yáng)能冷庫(kù)作為綠色倉(cāng)儲(chǔ)的重要分支，逐漸被人們重視。本文結(jié)合北京市的地理環(huán)境，為太陽(yáng)能冷庫(kù)上太陽(yáng)能接收器件的安裝角度提供通用模型，該模型計(jì)算出來(lái)的角度，能使太陽(yáng)能接收器接到最多的太陽(yáng)輻射。

關(guān)鍵詞：綠色倉(cāng)儲(chǔ)；太陽(yáng)能冷庫(kù)；安裝角度

1.前言

目前物流產(chǎn)業(yè)整體上是一個(gè)資源消耗量多、對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞大的行業(yè)，對(duì)我國(guó)資源和環(huán)境形成巨大的壓力。面對(duì)資源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)峻的形勢(shì)，我國(guó)政府和相關(guān)組織積極引導(dǎo)廣大企業(yè)建設(shè)綠色倉(cāng)儲(chǔ)。眾所周知綠色倉(cāng)儲(chǔ)的定義是：一方面要求倉(cāng)庫(kù)選址要合理，盡可能節(jié)約運(yùn)輸成本；另一方面，倉(cāng)儲(chǔ)布局要科學(xué)，使倉(cāng)庫(kù)空間得以充分利用，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)面積利用的最大化，減少倉(cāng)儲(chǔ)成本。太陽(yáng)能冷庫(kù)與傳統(tǒng)冷庫(kù)相比具有資源消耗少，對(duì)環(huán)境污染少，企業(yè)成本少等特點(diǎn)，現(xiàn)在太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)研發(fā)為綠色倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展提供了新的支撐點(diǎn)。

我國(guó)太陽(yáng)能冷庫(kù)圖［1］

太陽(yáng)能是公認(rèn)未來(lái)最合適、最安全、最綠色、最理想的綠色能源之一，具有取用方便、能量巨大、無(wú)污染、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。并且我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，三分之二的地區(qū)年輻射總量大于5 0 2 0 M J /m2，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能冷庫(kù)具有很大潛力。但問(wèn)題在于我國(guó)南北跨緯度差近50°，為了能使最大效率接受太陽(yáng)能，不同緯度上太陽(yáng)能接收器件的傾斜角度不同。

2. 建立有效光強(qiáng)模型

在太陽(yáng)能冷庫(kù)建設(shè)中，必須使太陽(yáng)能接收器最大化接受光能。光能的接受需要考慮諸多因素的影響，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、不同緯度光線入射角、周?chē)h(huán)境、冷庫(kù)所處地區(qū)的氣候與氣象條件等。在水平面上，太陽(yáng)總輻射等于直接輻射和散射輻射之和，并沒(méi)有地面反射輻射。而太陽(yáng)直接輻射等于法向直接輻射與該時(shí)刻的太陽(yáng)高度角的正弦值之積。具體如下式：

其中T為太陽(yáng)水平面總輻射強(qiáng)度，Tb為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，為法向直射輻射強(qiáng)度，α為太陽(yáng)高度角，Td為太陽(yáng)在水平面散射輻射強(qiáng)度。

當(dāng)太陽(yáng)照射在傾斜面上時(shí)，太陽(yáng)輻射總量等于地面反射輻射強(qiáng)度、散射輻射強(qiáng)度和太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度之和。因?yàn)榇藭r(shí)地面的反射可以到達(dá)斜面上。

其中Tt為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度為傾斜面上總輻射強(qiáng)度，Tbt為傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，Tdt為傾斜面上散射輻射強(qiáng)度，Trt為傾斜面上地面反射輻射強(qiáng)度。

下面是式中各部分的計(jì)算：

（1）傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度Tbt

在此處引入?yún)?shù)Rb，其所代表的意義為傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度Tbt與太陽(yáng)水平面上直射輻射強(qiáng)度Tb之比

（2）融合性原則。管理會(huì)計(jì)應(yīng)嵌入單位相關(guān)領(lǐng)域、層次、環(huán)節(jié)，以業(yè)務(wù)流程為基礎(chǔ)，利用管理會(huì)計(jì)工具方法，將財(cái)務(wù)和業(yè)務(wù)等有機(jī)融合。

其中，s為屋頂?shù)膬A角，δ為太陽(yáng)緯度角，ωs為傾斜面上的日落時(shí)角，ωh為水平面上的日落時(shí)角，φ為北京市的緯度。而傾斜面上的日落時(shí)角ωs可用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

因此，由Rb和水平面上直射輻射強(qiáng)度Tb作積，即可得到傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度 。

（2）傾斜面上地面反射輻射強(qiáng)度Trt

傾斜面上地面反射輻射強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式為：

其中，T為水平面上總輻射量，ρ為地物表面反射率，這里我們?nèi)》瓷渎蕿?%。

（3）傾斜面上散射輻射強(qiáng)度Tdt

對(duì)于傾斜面上的直射強(qiáng)度和地面反射強(qiáng)度，大多數(shù)模型算法都是相同的，唯一不同的就在于散射輻射強(qiáng)度的計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，有五種采用各向異性觀點(diǎn)的模型——Tamps-Coulson、Perez、Hay、Klucker和Bugler都能很好地解決了這一問(wèn)題。而Hay模型更適用于南面朝向的屋頂。因此我們使用的是Hay模型來(lái)求解傾斜面上散射輻射強(qiáng)度Tdt。Hay模型認(rèn)為傾斜面上散射輻射強(qiáng)度由太陽(yáng)光盤(pán)的輻射量和天空中均勻分布的散射輻射量?jī)刹糠纸M成，具體公式如下：

其中Tb為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，Td為太陽(yáng)水平面散射輻射強(qiáng)度，To為大氣層外水平面上的輻射總量。

其中ISC是太陽(yáng)常數(shù)［3］，這里取值1367W/m2，f為太陽(yáng)常數(shù)修正系數(shù)。n為一年中天數(shù)

綜上所述，求傾斜面上的太陽(yáng)輻射總量公式綜合為：

以上是太陽(yáng)照射在斜面上時(shí)太陽(yáng)輻射總量的計(jì)算公式和它的建立過(guò)程。然而北京市太陽(yáng)能冷庫(kù)安裝的太陽(yáng)能接收器最優(yōu)傾斜角究竟是多少？

3. 北京市冷庫(kù)太陽(yáng)能接收器件最優(yōu)傾角

傾斜角的大小直接關(guān)系到冷庫(kù)太陽(yáng)能接收器收到的實(shí)際輻射強(qiáng)度的大小。而最優(yōu)傾角的定義，就是能使電池板接收到最大光照強(qiáng)度的角度。因此，目標(biāo)就是以?xún)A斜角s作為自變量，最大化傾斜面總輻射強(qiáng)度Tt，然后求出使之達(dá)到最大值時(shí)的s的值。s與 Tt的關(guān)系可以用公式（9）來(lái)描述：

即Tt可以表示為關(guān)于s的一元簡(jiǎn)單函數(shù)。那么接下來(lái)所處理的就是一個(gè)無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題，即求一元簡(jiǎn)單函數(shù)最大值的問(wèn)題，我們將利用Matlab中的fminbnd函數(shù)處理［4］。它的數(shù)學(xué)原理就是采用一維搜索的方法，解單變量的無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題。雖然這個(gè)函數(shù)是求最小值的，但是我們可以先將Tt的表達(dá)式兩邊取負(fù)，則此時(shí)它的最小值就是Tt的最大值。

首先在Matlab中創(chuàng)立一個(gè)M文件，將上述方程（9）輸入，中“datong.m”。然后調(diào)用fminbnd函數(shù)：

x = fminbnd（@datong，0，90）

然后得到x的解為：

x = 31.6076

所以在北京市建設(shè)太陽(yáng)能冷庫(kù)的太陽(yáng)能接收器件的最優(yōu)傾斜角為31.63°。

4.總結(jié)

綠色倉(cāng)儲(chǔ)作為綠色物流的重要環(huán)節(jié)，得到了整個(gè)物流行業(yè)的重視，太陽(yáng)能冷庫(kù)作為綠色倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展的一個(gè)分支，逐漸被人們的重視。我國(guó)太陽(yáng)能冷庫(kù)發(fā)展尚有較大空間，而相關(guān)的研究并不多，本文建立太陽(yáng)能接受器傾斜角度通用模型，并為北京市求得的太陽(yáng)能接收器件的最優(yōu)傾斜角，而且該模型適用于各地區(qū)傾斜角的確定。希望本文能研究能加快太陽(yáng)能冷庫(kù)的發(fā)展，促進(jìn)綠色物流的發(fā)展。

（作者單位：徐州工程學(xué)院管理學(xué)院）

參考文獻(xiàn)

［1］百度地圖http://map.baidu.com/？newmap=1&ie=utf-8&s=s %26wd%3D%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%86%B7%E 5%BA%93

［2］李榮玲，個(gè)性化的平面太陽(yáng)能接收器件最優(yōu)安裝角度研究［D］，東華大學(xué)，2009

［3］禹秉熙，方偉，姚海順等.神舟3號(hào)飛船上太陽(yáng)輻射測(cè)量［J］，空間科學(xué)學(xué)報(bào)，24（2）：123～191.2004

［4］蘇金明，劉波，張蓮花等.Matlab工具箱應(yīng)用［M］，北京：電子工業(yè)出版社，2004，199頁(yè)～201頁(yè)