间隙排列非均质PV面板在建筑顶部采光中的应用*

边宇　马源

(1.华南理工大学 建筑学院∥亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；2.广东工业大学 低碳生态城乡研究中心∥建筑与城规学院，广东 广州 510090)



间隙排列非均质PV面板在建筑顶部采光中的应用*

边宇1马源2

(1.华南理工大学 建筑学院∥亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；2.广东工业大学 低碳生态城乡研究中心∥建筑与城规学院，广东 广州 510090)

间隙排列PV结构兼具遮阳、采光、发电等性能，宜用作建筑顶部采光设施.文中针对广州地区的气候条件，对4种不同参数的PV结构进行对比研究，综合考虑采光性能与发电能力，选出了PV面板安装的最优方案，即PV面板与水平面之间呈60°倾角，以此在保证较高采光能力的同时提供良好的发电能力；通过在设计案例中的应用对间隙排列PV结构的采光及发电性能进行了分析，结果表明：该间隙型PV结构具有良好的遮阳效果，其下方10 m处地面的平均采光系数为4.9%，年度累计发电能力为61.8 kW·h/m2.

间隙排列PV结构；采光性能；发电能力；顶部采光构件；平均采光系数

太阳能被视为用之不竭的可持续无污染能源，可维持地球大气层的热量平衡[1].光伏(PV)系统是一种生态友好的发电形式，其产生1 kW电能可减少1吨二氧化碳的排放[2].PV系统延伸到建筑立面或建筑顶部，整合太阳能与建筑材料以及能源系统，称作整合光伏系统的建筑(BIPV)[3].该系统通过采集建筑立面或建筑顶部的太阳辐射并经PV转化为电能后用于驱动建筑中安装的用电器等，因此BIPV是实现低能耗建筑的有效途径之一.在利用太阳能的各种方法当中，天然采光由于不存在能量形式的转化而效率最高，且对于人的视觉而言天然光环境较之人工照明更为舒适[4].由此可知：兼具采光与发电功能的结构可视为一种理想的作法，在可持续建筑中有着广阔的应用空间.

间隙排列PV结构同时具有遮阳、采光、发电效能，尤其适用于候机楼、交通枢纽、展览馆等大空间建筑屋顶以及中庭顶部进行采光；文中结合我国亚热带气候区的光气候特点，综合考虑遮阳、采光、发电性能，对PV结构的参数进行了比对择优，进而结合某工程设计案例说明了PV结构的性能与节能效果.

1　建筑顶部采光与可透光PV

1.1建筑顶部采光的特点

建筑顶部采光要求在有效遮阳的同时采集充足的天空漫射光.锯齿形天窗(见图1)是一类应用广泛的屋顶采光做法，由于朝北向开窗使得天空漫射光可以入射室内且遮蔽了来自南向的太阳直射光，因此可以在室内营造较为均匀、稳定的天然光环境.锯齿形天窗具有良好的遮阳表现，室内侧光环境稳定，但不足之处在于采光效率偏低，在一定程度上未能做到太阳能的最大化利用.

图1锯齿形天窗

Fig.1Saw tooth skylight

透明/半透明的采光天棚具有较高的采光效率，但室内天然光环境变化快、存在明显的阴影、出现眩光问题的可能性大[5]，使用透光率较低的材料可以在一定程度上解决以上问题但需以降低采光效率为代价.

1.2可透光PV

传统形式的PV面板不透光，常见的可透光的PV材料或结构可分为3种类型.

(1)格子型半透明PV

不透明的PV面板夹在两块玻璃面板中间.这种类型的光伏组件可被用在窗体中，通过调整PV面板间的间隙和距离，以控制材料的透光率[6].此类半透明PV应用于建筑顶部采光不利于营造均匀、稳定的天然光环境，当太阳直射光强烈时，容易形成斑驳状阴影.

(2)薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池通过控制其微孔来达到控制其自身透射率的目的，也正是由于这些微孔的存在，使得这种太阳能电池的光电转化效率较低[7].薄膜太阳能电池属于半透光材料，透光率较低，作为一种低透光率的均匀透光介质直接用作建筑采光材料存在不足之处.

(3)透明太阳能电池

与传统太阳能电池不同，该材料利用光谱中可见光之外的部分发电，使可见光透过.目前此类材料光电转化效率为2%左右，远低于传统PV且尚未大规模量产[8].

以上类型的透明/半透明PV直接应用作建筑顶部采光结构均非理想的选择，实际上建筑顶部采光的要求为可有效遮阳，营造充足、稳定的室内天然光环境.针对这些特点文中提出了一种间隙排列PV结构，该结构可以在满足建筑顶部采光要求的同时产生电能.

1.3间隙排列非均质PV结构

间隙排列非均质PV结构示意图如图2所示.图中实线为PV面板、双线为实体板、双层虚线为透光材料.

图2间隙排列PV面板原理示意图

Fig.2Schematic diagram of PV panel arranged with gaps

主要来自南向的太阳直射光以及全天空漫射光驱动PV产生电能，考虑到PV利用率的问题，面板上局部接受太阳辐射密度小于300 kW·h/m2则以实体板替代以优化结构降低系统成本.由于参数的合理设置使得该结构在我国亚热带地区可充分遮阳，与此同时面板之间的空腔使得天空漫射光以及部分太阳直射光在面板表面反射形成的散射光线得以入射室内，由于天空漫射光随时间变化相对较小且方向性不强，因此确保了室内天然光环境稳定，避免出现过于强烈的亮度对比以及眩光，该种形式从理论上讲是一种良好的兼顾遮阳、采光与发电的做法.

2　间隙型PV结构的优化

2.1研究对象

以亚热带地区日照特点为例(测量地点：广州)，夏至日正午太阳直射光线从天顶位置照射，较高的太阳高度角要求建筑顶部采光构件可以遮蔽高度角为90o的直射光线，因此在进行结构参数择优时首先保证各选项均具有同样良好的遮阳性能.PV面板与水平面的倾角同时影响了采光与发电性能，两者之间此消彼长[9]，因此倾角为结构择优中的关键参量.文中设计了4种不同参数的结构作为研究对象，综合采光与发电性能进行比对择优.

不同参数的研究对象分别记为TYPE1、 TYPE2、TYPE3、 TYPE4，如图3所示，图中实线代表PV面板+实体板，虚线代表透光材料.

图3　不同参数的PV结构

此组间隙型PV结构具有相同的遮阳性能，均可遮挡来自天顶的太阳直射光(此时太阳高度角为90°)，此组PV结构中的PV面板的外侧(发电侧)均朝向南向天空，且面板与水平面倾角R分别为15°、30°、45°、60°，PV面板间距均为d，PV面板+实体板总宽度W分别为1.0d、1.2d、1.4d、2.0d.

2.2模拟测试方法

根据Du等[10]提出的建筑中庭采光系数研究模型，文中设定某中庭建筑模型(见图4)用于测试间隙型PV结构的采光性能，测量平面设定为中庭顶部采光口正下方地面，在测量平面上选择了5个点作为采光系数的测量点(图4中#1-#5)，以此处取值(采光系数值)进行间隙型PV结构的采光性能评价.测试用建筑模型以及PV结构涉及的材料光学参数如表1所示.

图4　测试PV结构用建筑模型(单位：mm)

Jakubiec等[11]基于DAYSIM开发了一套基于气候的太阳辐射年度累计值模拟程序并进行了准确度校验.文中使用该程序在广州的气候数据下通过模拟取得一年中PV结构累计获得的太阳辐射数量.根据Bahr[12]的研究：PV结构的年度发电量由PV面板的光电转换效率结合PV结构上接收的太阳辐照度数量通过计算得出.

2.3结构优化与方案择优

针对4种不同参数的PV结构进行年周期内辐照度模拟，图5所示为TYPE4单片面板上辐照度分布情况，以300 kW·h/m2为有效利用临界条件，TYPE4的PV面板宽度为总宽度的55%(1.10d)，实体板宽度为总宽度的45%(0.90d，图5中斜线区域).通过分析得知：TYPE1的PV面板宽度为总宽度的100%(1.00d)，TYPE2的为总宽度的90%(1.08d)，TYPE3的为总宽度的75%(1.05d).

图5TYPE4单片面板上辐照度分布

Fig.5Radiation distribution in single panel of TYPE4

根据前文的模拟测试方法得到TYPE1、TYPE2、TYPE3、 TYPE4对应的采光系数均值(DFavg)分别为1.4%、2.5%、3.9%、4.9%.由此可知，4种间隙型PV结构中，TYPE4的采光能力最强，TYPE3、TYPE4的采光能力明显优于TYPE2、TYPE1，其中TYPE4的DFavg高出TYPE2超过 90%，TYPE1由于DFavg低于2%不适宜安装于建筑顶部替代透光材料；采光性能较为良好的TYPE3与TYPE4相比较可知：TYPE4的DFavg高出TYPE3约26%；进一步进行辐照度模拟计算，单位面积上TYPE1、TYPE2、TYPE3、TYPE4 4种不同参数的PV结构中安装的PV面板的实际面积比为1∶1.08∶1.05∶1.1，经过年周期内整点模拟计算得出PV面板面积加权后TYPE1-TYPE4的辐照度值分别为660、668、603、551 kW·h/m2，该结果即为间隙型PV结构上的年度累计辐照密度.

由年度累计辐照密度的结果可知：单位面积上TYPE2与TYPE1获得的辐照度相当，TYPE3接受的辐照度数量为TYPE2的90%，而TYPE3较TYPE4获得的太阳辐照度高10%.

综合考虑采光性能与发电能力，TYPE1由于采光性能过低不适合作为建筑顶部采光构件；TYPE2的采光能力较TYPE3低36%，接受的辐照度较TYPE3高11%，因此TYPE2的综合性能不及TYPE3；TYPE4的采光能力高出TYPE3约26%，接受辐照度较之TYPE3低9%，综合比对后得知TYPE4的参数设置较为优良，因此优选的PV结构为TYPE4.

3　采光与发电性能

3.1应用案例介绍

某教育建筑的设计方案中使用了间隙型PV结构作为该建筑中庭顶部采光构件(见图6)，该项目坐落于广州地区，场地周围无明显遮挡.

图6建筑设计方案

Fig.6Building scheme

图7为建筑中庭部分的剖面，顶部采光口距离地面30 m，该顶部采光口的平面尺寸为30 m×30 m，共计900 m2.整个采光口全覆盖了使用TYPE4参数的间隙型PV结构，除去钢构框架占用面积，间隙型PV结构实际面积为850 m2.

图7建筑中庭剖面(单位：mm)

Fig.7Section of building atrium(Unit：mm)

3.2节能效果分析

依据文中2.2节中提出的模拟计算方法，笔者所在课题组针对该设计项目进行了相应的模拟分析.就采光性能而言，该顶部采光系统下方30 m平面上的DFavg为2.9%，该采光系数均值高出了国家标准《建筑采光设计标准(GB50033—2013)》中对于教育建筑、图书馆等对于顶部采光的要求[14].使用基于气候的采光模拟计算方法得知：该顶部采光系统下方地面上满足DA_500lx [50%]指标的有效采光面积超过50%，因此可以认定为一套合理的顶部采光设计方案。

本研究采用的间隙型PV结构中的PV面板的转换效率为14%，维护系数MF=0.8，经过基于DAYSIM在年周期内整点的模拟计算得知，该顶部采光系统(总面积850 m2)的逐月发电总量如图8所示.

图8月发电总量

Fig.8Monthly total amount of power generation

由图8可知，该建筑顶部采光系统(面积850 m2)在广州地区年度可产生电能约52 500 kW·h，单位面积发电量为61.8 kW·h/m2，其中8月份发电量最高，3月份为年内发电量最低值，该月发电总量为8月份发电量的48.2%；以发电量最低的3月份为例分析产生的电能所带来的效益，3月份日均发电量90 kW·h，日间这部分电能可以用于驱动LED或荧光灯等照明由于采光不足而导致照度偏低的室内部分(如进深较大的空间).以办公、教育建筑较为常用的双管T5格栅灯为例，该灯具荧光灯光源能耗为28 W×2，灯具总功率为65 W(含镇流器功耗)，90 kW电能可以驱动138套双管T5 28 W荧光灯连续工作10 h，而138套灯具可以有效照明的面积超过1 400 m2，该面积是间隙型PV结构面积(850 m2)的1.6倍以上；如果选用发光效率更高的LED灯具则节能潜力更为显著.

综上所述，在该项目中应用间隙排列PV结构替代传统的透明/半透明采光材料，可以在保证遮阳效果的同时营造稳定且明亮的天然光环境，顶部采光下方30 m平面满足DA_500lx[50%]指标的面积超过50%，且在达到此采光效果的同时产生了约52 500 kW·h的电能.

4　结语

间隙排列PV结构兼具遮阳、采光、发电的性能，该结构相比于传统的透明/半透明材料具有遮阳效果好、室内天然光照度稳定且同时可以产生电能等优点，是实现低能耗建筑、营造可持续性建筑的技术手段之一.在广州地区的气候条件下，文中通过对4种不同的间隙型PV结构进行比对研究得出了最优化方案，该结构在保证了较高的透光能力的同时也具有较好的发电能力.该优选结构年度累计接受的辐照密度为551 kW·h /m2，考虑维护系数MF=0.8，太阳能电池光电转化效率为14%的情况下该结构年度累计发电能力为61.8 kW·h/m2；该间隙型PV结构下方10 m处平面的平均采光系数为4.9%.

将该优选方案应用于某教育建筑设计案例中，通过模拟分析得知，顶部采光构件中使用850 m2的该间隙型PV结构在一年中累计可产生约52 500 kW·h的清洁电能，在发电效果最低的3月份，该系统日均产生的电能可以连续照明1 400 m2的室内空间10 h，该有效照明面积约为间隙型PV结构自身面积1.6倍以上.

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Supported by the Excellent Youth Foundation of the National Natural Science Foundation of China(51208205)

Application of Heterogeneous PV Panels Arranged with Gaps to Top Daylighting of Buildings

BIANYu1MAYuan2

(1. School of Architecture//State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 501640，Guangdong，China； 2. Low-Carbon Ecological Urban and Rural Research Center//College of Architecture and Urban Planning，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong，China)

The structure of PV panels arranged with gaps is appropriate for the top daylighting of buildings thanks to its performances of shading，daylighting and power generation. In this paper，by taking into consideration the climate condition in Guangzhou area，4 types of PV structures with various parameters were investigated in a comparative way，and an optimized layout scheme of PV panels was selected by comprehensively considering both daylighting performance and power generation capability，namely，constructing a tilt angle of 60° between the PV panel and the horizontal plane to ensure good daylighting performance and provide strong power generation capability. Moreover，the optimized scheme was analyzed in terms of daylighting performance and power generation capability through a building design case. The results show that the presented PV structure possesses good shading perfor-mance，and that it helps achieve an average daylighting factor of 4.9% on the ground being 10m lower the PV structure and an annual power generation capability of 61.8 kW·h/m2.

PV panels arranged with gaps； daylighting performance； power generation capability； top daylighting facility； average daylighting factor

1000-565X(2016)07-0096-06

2015-10-19

国家自然科学青年基金资助项目(51208205)；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题(2013ZCl7)；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(20152M029)

边宇(1981-)，男，博士，讲师，主要从事建筑光学研究.E-mail:aryubian@163.com

TM 923doi： 10.3969/j.issn.1000-565X.2016.07.015