太阳能光电建筑设计中的日照分析
2011-08-26王宝华田介花贾艳刚中电电气南京太阳能研究院江苏南京211100
王宝华 田介花 贾艳刚(中电电气(南京)太阳能研究院,江苏 南京 211100)
1 引言
随着光伏发电技术的进步,光伏发电系统逐步从小型独立发电系统向大规模并网电站发展,从偏远地区向城市发展,从荒漠电站向光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaics,简称BIPV)发展[1]。
随着国家“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”等相关政策的实施,BIPV 成为太阳能发电的主要利用形式之一。BIPV 是指光伏发电系统安装在现有建筑物上,或者将光伏发电系统与新建筑物同时设计、施工和安装,既能满足光伏发电功能,又能与建筑物有机结合[2]。
与荒漠电站相比,BIPV 设计过程中,光伏阵列不可避免的受到周围高大障碍物或建筑物本身的遮挡,如何选择合适的安装区域?另外电池阵列安装倾角范围从0-90°,如何选择最优安装倾角?
本文以某市博物馆方案设计为例,运用Ecotect 生态建筑大师为研究工具[3],通过分析遮阳、太阳能辐射来展开BIPV 方案设计过程,利用软件精确的定量分析,对系统装机容量、光伏方阵设计等统筹优化,为BIPV的方案设计提供科学依据。
2 项目概况
安装地点位于北纬29.3°,东经117.2°。从图1 看出,周围无障碍物遮挡,但存在建筑物自身遮挡的问题。
图1 某市博物馆航拍图
根据美国航空航天局(NASA)气象数据(图2),该区域平均峰值日照时数3.60 小时,太阳能资源丰富,适宜安装太阳能发电系统。
图2 安装地点气象数据
3 分析
3.1 建立模型
根据建筑图纸和现场勘查,建立模型(如图3),朝向为南偏东20°。
图3 模型
3.2 阴影分析
周围无高大建筑物,不需要研究周围建筑对博物馆屋顶光伏发电系统的影响;但由于建筑物自身特点,屋顶各部分高度不一,需要对博物馆自身进行阴影遮挡分析。
利用已建立的模型(图3),运用Ecotect中的“遮挡及日照时间分析模块”,可以精确直观地显示遮挡阴影,其中分析日期定为阴影最长日——冬至日,时间为光伏发电有效时间——上午9 时至下午15 时,图4 是厂房遮挡阴影分析结果。从分析结果中,可以直观看出建筑屋顶适合安装光伏阵列的区域。
图4 阴影分析
3.3 安装倾角分析
太阳能电池阵列的安装倾角,在0°~90°的范围内根据目的设定,例如需要综合考虑上网电量、可实现装机容量、发电效率、安装成本等因素。
目前已安装的光伏发电系统,安装倾角多参照安装所在地纬度。本文利用Ecotect的太阳能辐射量分析,输入安装所在地的经纬度,并绘制不同倾角、正南朝向的阵列,进行太阳能辐射量分析。图5 是博物馆区域一年中9 时至15 时的不同倾角的累积辐射量分析。图中显示,安装倾角20°至25°,全年累积太阳能辐射量相差不大,考虑屋顶系统不便于清理组件,可通过增加安装倾角以增强组件利用雨水的自清洁能力,该系统的组件阵列的安装倾角设计为25°。
图5 安装地点不同倾角阵列的太阳能辐射量
3.4 阵列间距分析
在组件排布方案中,电池阵列间距也需要计算分析。两阵列之间的垂直距离过小,前面的阵列对后面的阵列形成遮挡;距离过大,则造成安装面积的浪费。两阵列之间的垂直距离以冬至日当天9 时至15 时太阳电池方阵不被遮挡为一般原则。
光伏系统方案设计中,设计师一般采用计算方法,得出光伏方阵阵列间距D。计算公式如下:
式中:φ 为纬度(在北半球为正、南半球为负),H 为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。
本系统中,取纬度φ=25°,H=1395mm,得D=2465mm。示意图如图6。
图6 光伏阵列间距示意图
运用Ecotect软件对阵列间距进行对比分析。设置纬度φ=29°,H=1395mm,设置时间为冬至日9 时至15 时。分析结果如图7,图中显示了高度1395mm的阵列在冬至日9 时至15 时产生的阴影范围,阴影长度为(5455-2990=2465)mm,即为两阵列间距D的取值。与公式计算结果比较,公式计算结果和软件模拟结果一致。
图7 光伏阵列间距分析图
3.5 阵列排布效果图
根据以上对安装倾角、阵列间距等的分析,对屋面系统进行阵列排布,效果图如图8、图9所示。图中部分屋顶无遮挡,但未安装电池组件,是由于这些屋顶采用玻璃幕墙,考虑建筑美观及建筑采光等因素,不便于安装电池阵列。方案中电池组件尺寸为1580mm×808mm×35mm,共计2836 块。单块组件180Wp,装机容量为510.48KWp。
图8 光伏阵列排布效果图
图9 光伏阵列排布效果图
4 结语
全球能源问题和气候问题的日益严峻,告诫我们开发利用新能源已经刻不容缓。BIPV 是应用太阳能发电的主要形式之一,对其进行研究具有重要的应用价值。本文综合考虑光伏系统和建筑设计两个方面,探索BIPV 设计思路和设计方法,从而对BIPV 建筑的科学性、合理性等方面做出有益指导。
[1]郝国强,陈鸣波.光伏建筑一体化(BIPV)并网电站的应用与发展[J].上海节能,2006(6):66-70.
[2]沈 辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[3]严钧,赵能,梁智尧.Ecotect 在建筑方案设计中的应用研究[J].高等建筑教育,2009,18 (3):140-144.