姜 雷，胡憶南

(1. 南京工業(yè)大學(xué) a. 建筑學(xué)院, b.土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2. 金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

隨著國(guó)家“十三五”節(jié)能減排政策措施的推進(jìn)，我國(guó)光伏應(yīng)用市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。光伏與建筑的結(jié)合發(fā)展?jié)摿薮螅瑢?duì)建筑節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境有重要的現(xiàn)實(shí)意義。建筑光伏(building mounted photovoltaic，BMPV)指安裝在建筑物上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)將光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，可以分為建筑集成光伏(building integrated photovoltaic, BIPV)和建筑附加光伏(building attached photovoltaic,BAPV)。BIPV是指光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，與建筑形態(tài)完美結(jié)合的光伏系統(tǒng)，是近年來新興光伏建筑的主要形式。BAPV是指附著在建筑上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，是不考慮與建筑形態(tài)結(jié)合，直接安裝于建筑屋頂?shù)囊环N形式。

工業(yè)廠房屋頂?shù)某叨却?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，寬敞且平坦，具有豐富的太陽(yáng)能資源，是最適合進(jìn)行光伏一體化建設(shè)的建筑類型之一。根據(jù)工業(yè)廠房屋頂?shù)臉?gòu)造形態(tài)特點(diǎn)，工業(yè)廠房屋頂主要分為5種，即平坡頂、坡屋頂、拱頂、多跨屋頂、多脊屋頂。對(duì)于平頂廠房，光伏板安裝的形式可以分為平鋪式和傾斜式2種；而對(duì)于其他有坡度的屋頂，考慮到結(jié)構(gòu)安全性，光伏板通常采用平鋪式安裝。與具有光線跟蹤能力的獨(dú)立光伏系統(tǒng)相比，建筑光伏板的安裝傾斜角通常保持不變，無法實(shí)時(shí)維持最佳傾斜角以獲得最大的太陽(yáng)輻射[1]。偏離最佳安裝角后，光伏發(fā)電效益會(huì)大打折扣，極大地限制了建筑利用太陽(yáng)能的效益。為了改善屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)的發(fā)電性能，研究不同廠房屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)光伏發(fā)電效益的影響極為重要，然而目前鮮有針對(duì)工業(yè)廠房光伏屋頂發(fā)電效益的相關(guān)研究。

針對(duì)建筑表面的太陽(yáng)能資源評(píng)估，諸多學(xué)者提出了相關(guān)計(jì)算模型。Redweik等[2]根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，建立建筑三維模型，并通過陰影算法評(píng)估建筑外表面太陽(yáng)能資源。Li等[3]提出一種基于像素的方法，估算建筑表面的太陽(yáng)能潛力，利用SketchUp軟件重建建筑形狀，生成一系列瞬時(shí)陰影圖像，利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)字圖像處理，統(tǒng)計(jì)建筑表面的太陽(yáng)能資源。朱丹丹等[4]通過建立傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型和太陽(yáng)能電池輸出功率模型，計(jì)算傾斜面逐時(shí)太陽(yáng)輻射，確定不同地區(qū)太陽(yáng)能板的最佳傾斜角。劉衍等[5]基于街道全景圖像，采用大數(shù)據(jù)方法研究中低密度城區(qū)的太陽(yáng)輻射分布規(guī)律。

本文中以常見工業(yè)廠房的屋頂構(gòu)造形態(tài)作為研究對(duì)象，結(jié)合江蘇省南京地區(qū)歷史氣象資料，建立輻射傳輸模型，對(duì)比屋頂光伏平鋪式安裝和傾斜式安裝的發(fā)電效益差異，評(píng)估多種常規(guī)廠房光伏屋頂?shù)陌l(fā)電效益。

1 輻射評(píng)估模型

1.1 太陽(yáng)幅射強(qiáng)度

太陽(yáng)入射光線與光伏板的幾何關(guān)系如圖1所示。

i—太陽(yáng)光線的入射角，即入射光線與光伏板表面法線的夾角；β—光伏板的傾斜角，即光伏板與水平面的夾角；γ—光伏板垂直投影線與正南方向的夾角。

根據(jù)公式[6]計(jì)算太陽(yáng)光線的入射角i，即入射光線與光伏板表面法線的夾角，

(1)

式中：β為光伏板的傾斜角，即光伏板與水平面的夾角；hs為太陽(yáng)時(shí)角；γ為光伏板垂直投影線與正南方向的夾角；W為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為赤緯；φ為?jīng)緯儀角度，滿足

(2)

其中θ為天頂角，α為太陽(yáng)高度角，可由

cosθ=sinα=sinWsinδ+cosWcosδcoshs

(3)

進(jìn)行確定。

光伏板表面接受的太陽(yáng)輻射主要由太陽(yáng)直照輻射和太陽(yáng)散射輻射組成，前者是未被大氣層改變傳播方向的太陽(yáng)輻射，后者是受到大氣中氣體、塵埃、氣溶膠等散射后的太陽(yáng)輻射[7]。根據(jù)Kumar等[8]提出的輻射模型，太陽(yáng)直照輻射強(qiáng)度Idir、太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度Idif及照射在光伏板表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Gs分別為

Idir=ηI0τ1cosi，

(4)

Idif=sinαI0τ2cos2(θ/2)，

(5)

Gs=Idir+Idif，

(6)

式中：η為日照分?jǐn)?shù)，即實(shí)際日照時(shí)間與晴天日照時(shí)間之比；τ1、τ2分別為太陽(yáng)直射輻射和散射輻射在大氣層中的透射率；I0為到達(dá)地球大氣層上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，計(jì)算模型[9]為

(7)

τ1=0.56(e-0.65M+e-0.095M)，

(8)

τ2=0.271-0.294τ1，

(9)

M=[1 229+(614sinα)2]0.5-614sinα，

(10)

其中Isc=1 367 W/m2為太陽(yáng)常數(shù)，n為從1月1日開始計(jì)數(shù)的天數(shù)，M為大氣質(zhì)量系數(shù)。

1.2 光伏發(fā)電量評(píng)估

光伏系統(tǒng)的實(shí)時(shí)發(fā)電量Eh計(jì)算公式[10]為

(11)

式中：t為時(shí)間；K1為光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率，目前市場(chǎng)上晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為15%～18%，本文中取K1為0.17；K2為系統(tǒng)綜合效率，考慮到配電損失、逆變器損失、溫度損耗等的影響，通常取為95%；A為光伏板總面積；dS為面積微元。

光伏系統(tǒng)的日發(fā)電總量Ed可通過從日出到日落的實(shí)時(shí)發(fā)電量的積分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即

(12)

式中：t1為日出時(shí)間；t2為日落時(shí)間。

光伏系統(tǒng)的年發(fā)總電量Ey為一年中每日發(fā)電量的總和，即

(13)

1.3 數(shù)值方法

采用SketchUp軟件建立三維建筑幾何模型，采用COMSOL Multiphysics 5.4軟件的表面對(duì)表面輻射模塊計(jì)算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。該模塊采用半立方體方法，在半立方體的側(cè)面采用z緩沖投影考慮陰影效果[11]?；谟邢拊椛淠Ｐ停梢缘玫轿蓓斎我庖稽c(diǎn)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，并通過對(duì)整個(gè)屋頂表面的輻射強(qiáng)度進(jìn)行積分，確定光伏系統(tǒng)的實(shí)時(shí)發(fā)電量。

2 結(jié)果與分析

2.1 南京地區(qū)太陽(yáng)能資源特征

圖2所示為南京地區(qū)2016—2020年月累積日照時(shí)間和日照分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象局南京氣象站(區(qū)站號(hào)為58238)提供。從圖中可以看出，南京地區(qū)近5 a的平均月累積日照時(shí)間為156 h，平均日照分?jǐn)?shù)為42.51%；其中，1月份的日照時(shí)間最短，平均月累積日照時(shí)間為92.88 h，平均日照分?jǐn)?shù)為29.37%；8月份日照時(shí)間最長(zhǎng)，平均月累積日照時(shí)間為217.84 h，平均日照分?jǐn)?shù)為54.05%。

圖2 南京地區(qū)2016—2020年月累積日照時(shí)間和日照分?jǐn)?shù)

圖3所示為南京地區(qū)光伏板在不同傾斜角時(shí)接受的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。從圖中可以看出，隨著傾斜方向由西向東變化，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨傾斜角的變化呈對(duì)稱變化，最佳傾斜角接近0°，最大年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為4 356.94 MJ/m2。隨著傾斜方向由北到南變化，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨傾斜角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最佳傾斜角為26°，對(duì)應(yīng)的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為4 585.99 MJ/m2。在文獻(xiàn)[12]中提出的最佳傾斜角計(jì)算模型中，南京地區(qū)的最佳安裝傾斜角為27.6°，對(duì)應(yīng)的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為4 893 MJ/m2，與本文中的結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步說明了本文中模型的正確性。

圖3 南京地區(qū)光伏板在不同傾斜角時(shí)接受的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

2.2 廠房屋頂光伏收益預(yù)測(cè)

2.2.1 平鋪式與傾斜式安裝收益對(duì)比

選取長(zhǎng)度為42 m、寬度為14 m、高度為10 m的平頂廠房為研究對(duì)象，對(duì)比光伏板在廠房屋頂進(jìn)行平鋪式安裝和傾斜式安裝時(shí)的發(fā)電收益差異。對(duì)于傾斜式安裝的光伏板，最佳傾斜角為26°，光伏板間距D由固定式光伏方陣間距計(jì)算公式[10]確定，即

(14)

式中L為光伏板傾斜面長(zhǎng)度，取為1.956 m。南京地區(qū)的緯度W取為31°143′。根據(jù)式(14)，可以確定光伏板間距D為3.4 m，該間距可以弱化光伏板之間的遮擋效應(yīng)。

圖4所示為安裝光伏板后平頂廠房外表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布模擬結(jié)果。由圖可知，廠房立面以及周圍的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，小于3 000 MJ/m2；廠房屋頂?shù)哪晏?yáng)輻射強(qiáng)度則可以達(dá)到4 000 MJ/m2以上。以最佳傾斜角安裝的光伏板表面年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值，即4 585.99 MJ/m2。

表1所示為平頂廠房平鋪式、傾斜式光伏板的發(fā)電收益對(duì)比。由表可知，平鋪式安裝方式增大了光伏安裝面積，年發(fā)電總量從65 040.6 kW·h增至111 155.2 kW·h，而光伏板單位面積年平均發(fā)電量?jī)H減小8.88 kW·h/m2。

表1 平頂廠房平鋪式、傾斜式光伏板發(fā)電收益對(duì)比

圖5所示為平頂廠房屋頂光伏板在平鋪式安裝和傾斜式安裝時(shí)的月發(fā)電量對(duì)比。從圖中可以看出，在平鋪式安裝時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均月發(fā)電量為9 263 kW·h；其中，8月份月發(fā)電量最大，達(dá)到14 321 kW·h；1月份月發(fā)電量最小，為3 873 kW·h。在傾斜式安裝時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均月發(fā)電量為5 420 kW·h；其中，5月份月發(fā)電量最大，為7 397 kW·h；1月份月發(fā)電量最小，為2 861 kW·h。相對(duì)于傾斜式安裝，平鋪式安裝增大了光伏板總面積，從而在發(fā)電量上更占優(yōu)勢(shì)。

圖5 平頂廠房屋頂光伏板在平鋪式安裝和傾斜式安裝時(shí)的月發(fā)電量對(duì)比

2.2.2 光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的影響

同樣選取長(zhǎng)度為42 m、寬度為14 m、高度為10 m的廠房建筑作為研究對(duì)象，對(duì)比平頂、拱頂、雙坡、多跨、多脊廠房屋頂?shù)墓夥l(fā)電收益差異。

圖6所示為不同屋頂構(gòu)造形態(tài)廠房外表面年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布模擬結(jié)果。從圖6(a)中可以看出，拱頂廠房屋頂表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨著屋頂高度的減小而減小，這是由屋頂表面向東、西方向傾斜角逐漸增大導(dǎo)致的。從圖6(b)中可以看出，對(duì)于雙坡廠房，屋頂坡面向東、西兩側(cè)對(duì)稱傾斜，兩側(cè)年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布均勻。從圖6(c)中可以看出，三跨廠房為南、北坡交替延伸，雙跨之間無陰影遮擋效應(yīng)。從圖6(d)中可以看出，多脊廠房北坡垂直，存在明顯的遮擋效應(yīng)，兩脊之間底部存在明顯的陰影遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致底部位置年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于3 000 MJ/m2。

圖7所示為不同屋頂構(gòu)造形態(tài)廠房光伏系統(tǒng)的月發(fā)電量。從圖中可以看出，多脊廠房各月份的光伏發(fā)電量均最大，其中8月份發(fā)電量最大，達(dá)到16 629 kW·h。值得一提的是，平頂廠房的光伏發(fā)電量?jī)H在8月份時(shí)略大于雙坡廠房的月發(fā)電量，其他月份的發(fā)電量均小于其他類型廠房的。

圖7 不同屋頂構(gòu)造形態(tài)廠房光伏系統(tǒng)的月發(fā)電量

表2所示為不同屋頂構(gòu)造形態(tài)廠房光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能。為了便于橫向?qū)Ρ雀黝愋凸夥到y(tǒng)的性能，以平頂(傾斜式)光伏系統(tǒng)的發(fā)電總量作為基準(zhǔn)。從表中可以看出，對(duì)于拱頂廠房和雙坡廠房，由于兩側(cè)傾斜面為東西朝向，因此屋頂表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于最佳傾斜角時(shí)的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度4 585.99 MJ/m2，但是安裝面積的增大使年發(fā)電總量分別增加了79.8%和72.9%。多跨廠房和多脊廠房的南坡傾斜角均為26°，因此南坡表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以達(dá)到4 585.99 MJ/m2，而北坡表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，使整體廠房屋頂表面的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小。由于多脊廠房可安裝光伏板的面積最大，因此年發(fā)電總量最大，相對(duì)于傾斜式安裝的光伏系統(tǒng)，年發(fā)電總量增大了102.2%。屋脊存在的陰影遮擋效應(yīng)使得年平均發(fā)電量(單位面積光伏板的年發(fā)電總量)比以最佳傾斜角安裝的減小12.94%。

表2 不同屋頂構(gòu)造形態(tài)廠房光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能

綜上可知，屋頂平鋪式光伏系統(tǒng)增加了光伏板的可安裝面積，盡管光伏板的年平均發(fā)電量有所減小，但是相對(duì)于傳統(tǒng)傾斜式光伏系統(tǒng)，年發(fā)電總量有較大幅度增大，說明光伏一體化廠房設(shè)計(jì)有較大的發(fā)電潛力。

3 結(jié)論

基于歷史氣象數(shù)據(jù)建立三維輻射傳輸模型，結(jié)合南京地區(qū)歷史氣象資料，本文中計(jì)算了南京地區(qū)固定式光伏板的最佳傾斜角；以常見工業(yè)廠房作為研究對(duì)象，評(píng)估多種廠房屋頂構(gòu)造形式的光伏發(fā)電效益，對(duì)比屋頂光伏平鋪式安裝和傾斜式安裝的發(fā)電效益差異。研究結(jié)果表明，工業(yè)廠房屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)光伏發(fā)電效益的影響有重要作用，可為相關(guān)建筑光伏一體化設(shè)計(jì)提供重要參考。主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)近5 a氣象數(shù)據(jù)，通過輻射評(píng)估模型，確定南京地區(qū)固定式光伏板最佳傾斜角為26°，在此安裝角條件下，表面可接受年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到4 585.99 MJ/m2。

2)陰影遮擋效應(yīng)使廠房立面以及周圍的年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，小于3 000 MJ/m2，而廠房屋頂?shù)哪晏?yáng)輻射強(qiáng)度則可以達(dá)到4 000 MJ/m2以上。

3)對(duì)于同等面積的平頂廠房，光伏板平鋪式安裝相對(duì)于傾斜式安裝每年可以增加70.9%的發(fā)電量，單位面積光伏板年平均發(fā)電量?jī)H減少4.49%；

4)在同等建筑面積條件下，對(duì)拱頂、雙坡、多跨、多脊廠房進(jìn)行平鋪式光伏板安裝，相對(duì)于傾斜式光伏系統(tǒng)，年發(fā)電總量分別增加79.8%、72.9%、73.5%、102.2%，進(jìn)一步說明了廠房屋頂光伏一體化建設(shè)的潛力。