基于Ecotect的太阳能光伏外遮阳结构的数值模拟研究

陈海飞，王韵杰，蔡宝瑞，邱，杨 洁

（常州大学 石油工程学院，江苏 常州 213164）

0 引言

随着传统能源的过度消耗，太阳能等可再生能源的利用技术逐渐成为人们的研究热点。在我国能源消耗总量中，建筑能耗占比较高。利用太阳能等可再生能源替代传统能源，并将其应用于建筑领域，对解决能源危机和环境污染具有重要意义[1]～[4]。

近年来，学者们对光伏发电系统与建筑耦合时的采光效果进行了大量研究。Jinqing Peng提出了一种基于c-Si的建筑集成光伏层压板，与透明玻璃窗相比，该压板结构可以在一定程度上减少眩光现象的发生[5]。Yanyi Sun将4种类型的光伏电池集成到光伏窗上，通过研究发现，晶体硅电池和CCPC光学器件集成的窗体能够提高太阳光的可用性[6]。James Bambara为了提高光伏园艺照明系统的照明效率，在采用辅助照明的温室屋顶上安装了半透明光伏电池板，并通过分析发现，半透明光伏屋顶可以满足温室的所有电力需求[7]。Qingdong Xuan设计了一种新型聚光光伏/采光窗，通过实验发现，该设备不仅可以改善建筑物内部的视觉舒适性，还可以避免正午时建筑物内部温度过高的情况[8]。

除了光伏结构的采光性能，光伏结构的发电性能也是研究的重点。韩娇阳对光伏窗进行了归类整理，从热电性能角度提出了系统优化的意见[9]。梁晓磊通过实验发现，不同送风系统和送风温度对非晶硅光伏窗的热电性能具有一定的影响[10]。时竹星对不同类型的光伏窗进行对比发现，双层自然通风光伏外窗的热电性能显著[11]。周源基于光伏电池的光电特性及建筑施工的要求对光伏电池进行研究，研究结果对提高光伏发电效率、降低施工初投资具有重要意义[12]。Hyuna Kang基于PV面板类型和太阳能跟踪方法，简化了太阳能光伏百叶窗的安装方法，并提出了在建筑南向窗户上安装太阳能光伏百叶窗的最佳方案[13]。

综上可知，很多专家学者对应用于建筑中的光伏结构的光电性能等方面进行了大量研究，但对外置光伏遮阳结构采光性能的研究较少。本文基于Ecotect软件研究了外置光伏板的采光、发电性能，并提出一种光伏百叶结构，通过自身倾角（AOB）、窗 墙 比（WWR）和 透 明 度 等 的 变 化，探 究了最佳的采光、发电性能。

1 数值模型

本文选取了南京地区的某个房间作为研究对象，房间的长度为6 m，宽度为4 m，高度为3.5 m，窗户标高为900 mm。以12月21日14:00符合CIE标准的全阴天为最不利工况，将全年每天08:00-18:00设为全天时间，室内参考平面标高为750 mm。

图1为外置光伏板结构示意图。

图1 外置光伏板结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the external photovoltaic panel structure

图2 带有外置光伏板的模拟房间示意图Fig.2 Schematic diagram of a simulated room with external photovoltaic panels

图3为光伏百叶结构示意图。

图3 光伏百叶结构示意图Fig.3 Schematic diagram of photovoltaic shutter structure

图4为带有光伏百叶结构的模拟房间示意图。

图4 带有光伏百叶结构的模拟房间示意图Fig.4 Schematic diagram of a simulated room with photovoltaic shutters

地板、天花板等材料的属性如表1所示。

表1 材料属性Table 1 Material properties

本文利用Ecotect软件和Radiance软件协作交互，研究了外置光伏板和光伏百叶结构相关参数变化，对室内采光质量和发电量的影响。对室内采光质量进行分析的依据分别为自然采光系数（DF）和全自然采光时间比（DA）。自然采光系数是指在全阴天天空漫反射光照条件下，室内给定平面上某点处由天空漫反射产生的光照度与室外无遮挡时由天空漫反射产生的光照度的比值。全自然采光时间比是指室内仅依靠自然采光即可满足最小光照度要求的时间比。

2 外置光伏板采光结果分析与讨论

2.1 长度和AOB的变化对DF的影响

本节研究了在最不利工况下（外置光伏板透明度为0.6，WWR为0.285），外置光伏板长度和AOB的变化对DF的影响。

图5为不同AOB情况下，DF随外置光伏板长度的变化情况。

图5 不同AOB情况下，DF随外置光伏板长度的变化情况Fig.5 Changes in DF with the length of the external photovoltaic panel in case of different AOB

由图5可知，不同AOB情况下，随着外置光伏板长度的增加，DF整体呈下降趋势，且下降超过0.5%，这是因为在全阴天条件下，外置光伏板遮挡一部分进入室内的光线，外置光伏板的长度越长，遮挡的光线越多、DF越小。

图6为不同外置光伏板长度情况下，DF随外置光伏板AOB的变化情况。

图6 不同外置光伏板长度情况下，DF随外置光伏板AOB的变化情况Fig.6 Changes in DF with the AOB of the external photovoltaic panel in case of different lengths of external photovoltaic panel

由图6可知，不同外置光伏板长度情况下，随着外置光伏板AOB的增大，DF整体呈下降趋势。这是由于在全阴天条件下，外置光伏板AOB的增大，大幅度降低玻璃窗户直接接触光线的面积，导致DF随之变小。当外置光伏板AOB为0～30 °时，光线损失比例较为大；当外置光伏板AOB为30～45°时，DF下 降 速 度 较 为 缓 慢。由 图5，6还 可以看出，外置光伏板长度对DF影响较大。

图7为外置光伏板长度不同情况下，外置光伏板AOB为30°时DF的模拟效果图。由图可知，外置光伏板长度分别为40，60 cm和80 cm时，DF在1.5%～15%内分布。从中心斑点面积的变化趋势可以看出，外置光伏板长度的变化对室内光线分布的影响较大。随着外置光伏板长度的增加，DF等值线不断缩小，室内相同采光系数区域变小，室内采光质量变差。

图7 外置光伏板长度不同情况下，外置光伏板AOB为30 °时DF的模拟效果图Fig.7 The simulation effect diagram of DF when the AOB of the external photovoltaic panel is 30 ° in case of different lengths of external photovoltaic panel

2.2 长度和AOB的变化对DA的影响

本节主要研究了在全年时间和最小光照度要求（以下简称为采光限度）为400 lux的情况下，当WWR为0.285，透明度为0.6时，外置光伏板长度和AOB的变化对DA的影响。

图8为不同AOB情况下，DA随外置光伏板长度的变化情况。

图8 不同AOB情况下，DA随外置光伏板长度的变化情况Fig.8 Changes in DA with the length of the external photovoltaic panel in case of different AOB

由图8可知，不同AOB情况下，随着外置光伏板长度的增加，DA整体上呈下降趋势，当外置光伏板长度增加至60 cm后，DA的下降趋势略有减缓。这是因为外置光伏板长度的增加，加剧了对光线的遮挡作用，降低了室内采光质量，进而降低了房间的DA。

图9为不同外置光伏板长度情况下，DA随外置光伏板AOB的变化情况。

图9 不同外置光伏板长度情况下，DA随外置光伏板AOB的变化情况Fig.9 Changes in DA with the AOB of the external photovoltaic panel in case of different lengths of external photovoltaic panel

由图9可知，不同外置光伏板长度情况下，随着外置光伏板AOB的增大，DA呈下降趋势，但下降趋势较为缓慢。这是由于外置光伏板AOB的增大，降低了光线直接反射到玻璃窗户上的面积比例。外置光伏板长度越长，AOB对DA的影响越大，当外置光伏板长度为80 cm时，影响最大，DA下降了近5%。由图8，9还可以看出，外置光伏板的长度对DA影响较大。

2.3 室内采光限度值和WWR的变化对DA的影响

本文模拟研究了全年时间内，当外置光伏板长度为60 cm，AOB为30°，透明度为0.6时，室内采光限度值和WWR对DA的影响情况。

图10为不同WWR情况下，DA随室内采光限度值的变化情况。

图10 不同WWR情况下，DA随室内采光限度值的变化情况Fig.10 Changes in DA with indoor lighting limit value in case of different WWR

由图10可知，不同WWR情况下，随着室内采光限度值的提高，DA呈下降趋势。当室内采光限度值小于300 lux，WWR＞0.23时，室内仅依靠自然采光达到最小光照度要求的时间占总日照70%以上。当WWR=0.34时，室内采光限度值波动约25%，这表明增大WWR可以提高室内采光效果。

图11为不同室内采光限度值情况下，DA随WWR的变化情况。

图11 不同室内采光限度值情况下，DA随WWR的变化情况Fig.11 Changes in DA with WWR in case of different indoor lighting limit value

由图11可知，不同室内采光限度值情况下，随着WWR的增大，DA呈上升趋势。当WWR＞0.32时，DA的增长速度减缓。增大WWR有助于增强室内自然采光，但在实际工程应用中，应考虑WWR增大引起的建筑能耗。对于室内采光限度值小于300 lux的房间，增大WWR，对于室内采光效果的提升并不显著，DA增幅低于10%；对于室内采光限度值较高的房间，增大WWR，可以显著提升室内采光效果。

图12为不同WWR情况下，室内采光限度值为400 lux时DA的模拟效果图。由图可知，室内采光效果会随着WWR的增大而变好。这是由于WWR越大，进入房间的光线越多，整个房间的采光效果越好。

图12 不同WWR情况下，室内采光限度值为400 lux时DA的模拟效果图Fig.12 The simulation effect diagram of DA when the indoor lighting limit value is 400 lux in case of different WWR

2.4 AOB的变化对全年发电量的影响

本节模拟研究了全年时间内，当外置光伏板长度为60 cm，材质为不透明单晶硅时，外置光伏板AOB的变化对发电量的影响。

图13为不同AOB情况下，外置光伏板发电量随月份的变化情况。

图13 不同AOB情况下，外置光伏板发电量随月份的变化情况Fig.13 Changes in power generation by month in case of different AOB

由图13可知，不同的AOB情况下，外置光伏板全年发电量不同。当AOB为15°时，外置光伏板全年发电效果最好，总发电量为79.247 kW·h。当AOB为90°时，外置光伏板与窗户平行，此时，外置光伏板发电效果最差，这说明外置光伏板平行于窗户时，其发电效率远小于带有斜度的情况。当AOB为15°时，外置光伏板各月的发电量并不是都大于该月其他AOB情况下的发电量。例如，1月份，当AOB为15°时，外置光伏板的发电量小于AOB为30°的情况。因此，若想获得全年最大发电量，须要逐月改变外置光伏板的AOB，使其每月的发电量都能达到最大值，在此情况下，外置光伏板的全年发电总量会大于79.247 kW·h。

综合考虑采光的均匀性和外置光伏板的发电量，本文提出了一种光伏百叶结构，该结构既能满足采光要求，又能逐月改变光伏组件的AOB，以获取最大的全年发电量。

3 光伏百叶结构采光结果分析与讨论

3.1 光伏百叶结构透明度和间距的变化对DF的影响

本节主要研究了在最不利工况下，当WWR为0.285时，光伏百叶结构透明度和间距的变化对DF的影响。

图14为不同的光伏百叶结构间距情况下，DF随光伏百叶结构透明度的变化情况。

图14 不同的光伏百叶结构间距情况下，DF随光伏百叶结构透明度的变化情况Fig.14 Changes in DF with the transparency of photovoltaic louver structure in case of different spacings of photovoltaic louver structure

由图14可知，不同的光伏百叶结构间距情况下，随着光伏百叶结构透明度的增大，DF呈上升趋势，且升高效果比较显著。当伏百叶结构透明度为0.2～0.4时，DF的上升趋势较为明显。当伏百叶结构透明度为0～0.6时，同一间距下，DF增大了近一倍。

图15为不同的光伏百叶结构透明度情况下，DF随光伏百叶结构间距的变化情况。

图15 不同的光伏百叶结构透明度情况下，DF随光伏百叶结构间距的变化情况Fig.15 Changes in DF with the spacing of photovoltaic louver structure in case of different transparency of photovoltaic louver structure

由图15可知，在光伏百叶结构透明度不同的情况下，随着光伏百叶结构间距逐渐增大，DF呈缓慢上升的变化趋势。这是由于光伏百叶结构间距的增大，导致光线直接照射到室内面积的比例随之增大，从而提升了室内采光质量。由图14，15还可以看出，光伏百叶结构透明度的变化对DF影响较大。

图16为不同的光伏百叶结构透明度情况下，当光伏百叶结构AOB为45°，光伏百叶结构间距为9 cm时，DF的模拟效果图。由图可知，从DF的最大值和最小值以及中心斑点面积的变化情况可以清晰地看出，光伏百叶结构透明度的变化能够直接影响室内光线的分布情况。随着光伏百叶结构的透明度逐渐增大，DF等值线不断扩大，室内相同采光系数区域面积逐渐增大，最终使得室内采光质量逐渐变好。

图16 不同光伏百叶结构透明度情况下，光伏百叶结构的AOB为45°，间距为9 cm时，DF的模拟效果图Fig.16 The simulation effect diagram of DF when the AOB of the photovoltaic louver structure is 45° and the spacing is 9 cm in case of different transparency

3.2 光伏百叶结构间距和透明度的变化对DA的影响

本节模拟研究了在全年时间内，当光伏百叶结构AOB为45°，光伏百叶结构间距和透明度的变化对DA的影响情况。

图17为不同的光伏百叶结构透明度情况下，DA随光伏百叶结构间距的变化情况。

图17 不同的光伏百叶结构透明度情况下，DA随光伏百叶结构间距的变化情况Fig.17 Changes in DA with the spacing of photovoltaic louver structure in case of different transparency of photovoltaic louver structure

由图17可知，在光伏百叶结构透明度不同情况下，随着光伏百叶结构间距的增大，DA呈逐渐上升的变化趋势。但整体的上升趋势并不明显，且透明度越大，光伏百叶结构间距的变化对DA的影响越不明显，这表明增大光伏百叶结构的间距，会使室内采光质量的提升幅度受到光伏百叶结构透明度的制约。

图18为在不同的光伏百叶结构间距情况下，DA随光伏百叶结构透明度的变化情况。由图可知，随着光伏百叶结构透明度的增大，DA呈逐渐上升的变化趋势。这是由于增大光伏百叶结构的透明度后，导致光线直接照射在室内面积的比例增大，但增长趋势先快后慢。因此，建议外置光伏百叶结构的透明度不低于0.2。由图17，18还可看出，光伏百叶结构透明度的变化对DA影响较大。

图18 不同的光伏百叶结构间距情况下，DA随光伏百叶结构透明度的变化情况Fig.18 Changes in DA with the transparency of photovoltaic louver structure in case of different spacings of photovoltaic louver structure

3.3 室内采光限度值和WWR的变化对DA的影响

本节模拟研究了在全年时间内，当光伏百叶结构间距为8 cm，AOB为45°时，室内采光限度值和WWR的变化对DA的影响。

图19为不同WWR情况下，DA随室内采光限度值的变化情况。

图19 不同WWR情况下，DA随室内采光限度值的变化情况Fig.19 Changes in DA with indoor lighting limit value in case of different WWR

由图19可知，随着室内采光限度值的提高，DA呈逐渐下降的变化趋势。对于大多数室内最小采光限度值为300 lux的功能房间，当WWR＞0.26时，采用光伏百叶结构，可以依靠自然光满足70%以上的照明时间。

图20为不同室内采光限度值情况下，DA随WWR的变化情况。由图可知，随着WWR的增大，DA呈逐渐上升的变化趋势，并在WWR增大到0.32后，增速减缓。对于室内采光限度值小于300 lux的房间，WWR的增大，会使DA的增幅小于10%，提升效果并不明显；当室内采光限度值增大时，WWR的增大可带来显著的采光收益。此时，应考虑建筑能耗。

图20 不同室内采光限度值情况下，DA随WWR的变化情况Fig.20 Changes in DA with WWR in case of different indoor lighting limit value

图21为不同WWR情况下，当室内采光限度值为400 lux时，DA的模拟效果图。

图21 不同WWR情况下，当室内采光限度值为400 lux时，DA的模拟效果图Fig.21 The simulation effect diagram of DA when the indoor limit value is 400 lux in case of different WWR

由图21可知，随着WWR逐渐增大，进入室内的太阳光线逐渐增加，室内各点的采光差异逐渐缩小，室内采光质量越来越好。

3.4 AOB的变化对全年发电量的影响

本节模拟研究了在全年时间内，当WWR为0.285，材质为不透明单晶硅时，光伏百叶结构AOB的变化对发电量的影响。由于当AOB为15°时，光伏百叶结构的全年发电效果较好，本文对比分析了AOB分别为0°和15°的条件下，光伏百叶结构的发电量。

图22为不同AOB情况下，光伏百叶结构发电量随月份的变化情况。

图22 不同AOB情况下，发电量随月份的变化Fig.22 Changes in power generation by month in case of different AOB

由图22可知，夏季，光伏百叶结构的发电量较低；冬季，光伏百叶结构的发电量较高，这是由于太阳高位角和光伏百叶结构的遮挡作用造成的。当AOB为15°时，光伏百叶结构全年发电效果较好，总发电量为126 755 W·h；当AOB为0°时，外置光伏板与窗户平行，光伏百叶结构的发电效果较差，这说明带有一定斜度的光伏百叶结构的发电效率高于没有斜度的光伏百叶结构。

与外置光伏板相似，当AOB为15°时，光伏百叶结构每月的发电量并不是都大于该月其他AOB情况下的发电量，若想获得全年最大发电量，须要逐月改变光伏百叶结构AOB，使其每月发电量均达到最大值，即全年发电总量大于126.755 kW·h。

4 结论

本文选取了南京地区某个房间为研究对象，基于Ecotect软件和Radiance软件交互协作，研究了光伏外遮阳的变化对室内采光效果和光伏发电量的影响情况，并综合考虑采光均匀性与发电量，提出了一种光伏百叶结构，通过研究得到以下结论。

①外置光伏板长度和AOB的增大均可使DA和DF有不同程度的降低。与AOB相比，增加外置光伏板长度对于提升DA和DF的效果更好。外置光伏板长度越长，AOB对DA的影响越大，当外置光伏板长度为80 cm时，该影响最大，此时，DF下降了0.5%以上，DA下降了约5%。对于绝大多数房间，当采用外置光伏板时，适宜的WWR可以使室内仅依靠自然采光达到最低室内采光限度值要求（300 lux）的时间占比达到70%以上；对于室内采光限度值较高的房间，WWR的增大可以显著提升室内采光效果。当外置光伏板AOB为15°时，其发电量高于AOB为90°的情况。

②光伏百叶结构的透明度和间距的变化均会对DA和DF有不同程度的影响。与光伏百叶结构间距相比，光伏百叶结构透明度的增大对DA和DF具有更大的提升潜力。当光伏百叶结构的透明度为0～0.6时，同一间距下DF的增幅增大了近一倍。光伏百叶结构的透明度越大，其间距的变化对DA的影响效果越不明显。WWR的增大使DA的增幅小于10%；当室内采光限度值增大时，WWR的增大将会带来显著的采光收益。

③与外置光伏板结构相比，在满足基本采光要求的情况下，当光伏百叶结构AOB为15°时，其全年发电量均高于AOB为90°的情况。此外，光伏百叶结构既能满足采光要求，又能逐月改变AOB值，以获取全年最大发电量。