工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益的影响

姜 雷，胡忆南

(1. 南京工业大学 a. 建筑学院, b.土木工程学院，江苏 南京 211816；2. 金陵科技学院 建筑工程学院，江苏 南京 211169)

随着国家“十三五”节能减排政策措施的推进，我国光伏应用市场稳步增长。光伏与建筑的结合发展潜力巨大，对建筑节能减排、保护环境有重要的现实意义。建筑光伏(building mounted photovoltaic，BMPV)指安装在建筑物上的光伏发电系统，根据将光伏系统与建筑结构相结合的设计理念，可以分为建筑集成光伏(building integrated photovoltaic, BIPV)和建筑附加光伏(building attached photovoltaic,BAPV)。BIPV是指光伏系统设计与建筑结构设计同步进行，与建筑形态完美结合的光伏系统，是近年来新兴光伏建筑的主要形式。BAPV是指附着在建筑上的光伏发电系统，是不考虑与建筑形态结合，直接安装于建筑屋顶的一种形式。

工业厂房屋顶的尺度大，结构简单，宽敞且平坦，具有丰富的太阳能资源，是最适合进行光伏一体化建设的建筑类型之一。根据工业厂房屋顶的构造形态特点，工业厂房屋顶主要分为5种，即平坡顶、坡屋顶、拱顶、多跨屋顶、多脊屋顶。对于平顶厂房，光伏板安装的形式可以分为平铺式和倾斜式2种；而对于其他有坡度的屋顶，考虑到结构安全性，光伏板通常采用平铺式安装。与具有光线跟踪能力的独立光伏系统相比，建筑光伏板的安装倾斜角通常保持不变，无法实时维持最佳倾斜角以获得最大的太阳辐射[1]。偏离最佳安装角后，光伏发电效益会大打折扣，极大地限制了建筑利用太阳能的效益。为了改善屋顶的光伏系统的发电性能，研究不同厂房屋顶构造形态对光伏发电效益的影响极为重要，然而目前鲜有针对工业厂房光伏屋顶发电效益的相关研究。

针对建筑表面的太阳能资源评估，诸多学者提出了相关计算模型。Redweik等[2]根据激光雷达数据，建立建筑三维模型，并通过阴影算法评估建筑外表面太阳能资源。Li等[3]提出一种基于像素的方法，估算建筑表面的太阳能潜力，利用SketchUp软件重建建筑形状，生成一系列瞬时阴影图像，利用MATLAB软件进行数字图像处理，统计建筑表面的太阳能资源。朱丹丹等[4]通过建立倾斜面太阳辐射计算模型和太阳能电池输出功率模型，计算倾斜面逐时太阳辐射，确定不同地区太阳能板的最佳倾斜角。刘衍等[5]基于街道全景图像，采用大数据方法研究中低密度城区的太阳辐射分布规律。

本文中以常见工业厂房的屋顶构造形态作为研究对象，结合江苏省南京地区历史气象资料，建立辐射传输模型，对比屋顶光伏平铺式安装和倾斜式安装的发电效益差异，评估多种常规厂房光伏屋顶的发电效益。

1 辐射评估模型

1.1 太阳幅射强度

太阳入射光线与光伏板的几何关系如图1所示。

i—太阳光线的入射角，即入射光线与光伏板表面法线的夹角；β—光伏板的倾斜角，即光伏板与水平面的夹角；γ—光伏板垂直投影线与正南方向的夹角。

根据公式[6]计算太阳光线的入射角i，即入射光线与光伏板表面法线的夹角，

(1)

式中：β为光伏板的倾斜角，即光伏板与水平面的夹角；hs为太阳时角；γ为光伏板垂直投影线与正南方向的夹角；W为当地纬度；δ为赤纬；φ为经纬仪角度，满足

(2)

其中θ为天顶角，α为太阳高度角，可由

cosθ=sinα=sinWsinδ+cosWcosδcoshs

(3)

进行确定。

光伏板表面接受的太阳辐射主要由太阳直照辐射和太阳散射辐射组成，前者是未被大气层改变传播方向的太阳辐射，后者是受到大气中气体、尘埃、气溶胶等散射后的太阳辐射[7]。根据Kumar等[8]提出的辐射模型，太阳直照辐射强度Idir、太阳散射辐射强度Idif及照射在光伏板表面的太阳辐射强度Gs分别为

Idir=ηI0τ1cosi，

(4)

Idif=sinαI0τ2cos2(θ/2)，

(5)

Gs=Idir+Idif，

(6)

式中：η为日照分数，即实际日照时间与晴天日照时间之比；τ1、τ2分别为太阳直射辐射和散射辐射在大气层中的透射率；I0为到达地球大气层上界的太阳辐射强度，计算模型[9]为

(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为太阳常数，n为从1月1日开始计数的天数，M为大气质量系数。

1.2 光伏发电量评估

光伏系统的实时发电量Eh计算公式[10]为

(11)

式中：t为时间；K1为光伏板的光电转换效率，目前市场上晶硅太阳能电池的转换效率为15%～18%，本文中取K1为0.17；K2为系统综合效率，考虑到配电损失、逆变器损失、温度损耗等的影响，通常取为95%；A为光伏板总面积；dS为面积微元。

光伏系统的日发电总量Ed可通过从日出到日落的实时发电量的积分进行统计，即

(12)

式中：t1为日出时间；t2为日落时间。

光伏系统的年发总电量Ey为一年中每日发电量的总和，即

(13)

1.3 数值方法

采用SketchUp软件建立三维建筑几何模型，采用COMSOL Multiphysics 5.4软件的表面对表面辐射模块计算太阳辐射强度。该模块采用半立方体方法，在半立方体的侧面采用z缓冲投影考虑阴影效果[11]。基于有限元辐射模型，可以得到屋顶任意一点的太阳辐射强度，并通过对整个屋顶表面的辐射强度进行积分，确定光伏系统的实时发电量。

2 结果与分析

2.1 南京地区太阳能资源特征

图2所示为南京地区2016—2020年月累积日照时间和日照分数，数据由中国气象局南京气象站(区站号为58238)提供。从图中可以看出，南京地区近5 a的平均月累积日照时间为156 h，平均日照分数为42.51%；其中，1月份的日照时间最短，平均月累积日照时间为92.88 h，平均日照分数为29.37%；8月份日照时间最长，平均月累积日照时间为217.84 h，平均日照分数为54.05%。

图2 南京地区2016—2020年月累积日照时间和日照分数

图3所示为南京地区光伏板在不同倾斜角时接受的年太阳辐射强度。从图中可以看出，随着倾斜方向由西向东变化，太阳辐射强度随倾斜角的变化呈对称变化，最佳倾斜角接近0°，最大年太阳辐射强度为4 356.94 MJ/m2。随着倾斜方向由北到南变化，太阳辐射强度随倾斜角的增大呈现先增大后减小的趋势，最佳倾斜角为26°，对应的年太阳辐射强度为4 585.99 MJ/m2。在文献[12]中提出的最佳倾斜角计算模型中，南京地区的最佳安装倾斜角为27.6°，对应的年太阳辐射强度为4 893 MJ/m2，与本文中的结果基本吻合，进一步说明了本文中模型的正确性。

图3 南京地区光伏板在不同倾斜角时接受的年太阳辐射强度

2.2 厂房屋顶光伏收益预测

2.2.1 平铺式与倾斜式安装收益对比

选取长度为42 m、宽度为14 m、高度为10 m的平顶厂房为研究对象，对比光伏板在厂房屋顶进行平铺式安装和倾斜式安装时的发电收益差异。对于倾斜式安装的光伏板，最佳倾斜角为26°，光伏板间距D由固定式光伏方阵间距计算公式[10]确定，即

(14)

式中L为光伏板倾斜面长度，取为1.956 m。南京地区的纬度W取为31°143′。根据式(14)，可以确定光伏板间距D为3.4 m，该间距可以弱化光伏板之间的遮挡效应。

图4所示为安装光伏板后平顶厂房外表面的年太阳辐射强度分布模拟结果。由图可知，厂房立面以及周围的年太阳辐射强度较小，小于3 000 MJ/m2；厂房屋顶的年太阳辐射强度则可以达到4 000 MJ/m2以上。以最佳倾斜角安装的光伏板表面年太阳辐射强度达到最大值，即4 585.99 MJ/m2。

表1所示为平顶厂房平铺式、倾斜式光伏板的发电收益对比。由表可知，平铺式安装方式增大了光伏安装面积，年发电总量从65 040.6 kW·h增至111 155.2 kW·h，而光伏板单位面积年平均发电量仅减小8.88 kW·h/m2。

表1 平顶厂房平铺式、倾斜式光伏板发电收益对比

图5所示为平顶厂房屋顶光伏板在平铺式安装和倾斜式安装时的月发电量对比。从图中可以看出，在平铺式安装时，光伏发电系统的平均月发电量为9 263 kW·h；其中，8月份月发电量最大，达到14 321 kW·h；1月份月发电量最小，为3 873 kW·h。在倾斜式安装时，光伏发电系统的平均月发电量为5 420 kW·h；其中，5月份月发电量最大，为7 397 kW·h；1月份月发电量最小，为2 861 kW·h。相对于倾斜式安装，平铺式安装增大了光伏板总面积，从而在发电量上更占优势。

图5 平顶厂房屋顶光伏板在平铺式安装和倾斜式安装时的月发电量对比

2.2.2 光伏屋顶构造形态对发电效益的影响

同样选取长度为42 m、宽度为14 m、高度为10 m的厂房建筑作为研究对象，对比平顶、拱顶、双坡、多跨、多脊厂房屋顶的光伏发电收益差异。

图6所示为不同屋顶构造形态厂房外表面年太阳辐射强度分布模拟结果。从图6(a)中可以看出，拱顶厂房屋顶表面的年太阳辐射强度随着屋顶高度的减小而减小，这是由屋顶表面向东、西方向倾斜角逐渐增大导致的。从图6(b)中可以看出，对于双坡厂房，屋顶坡面向东、西两侧对称倾斜，两侧年太阳辐射强度分布均匀。从图6(c)中可以看出，三跨厂房为南、北坡交替延伸，双跨之间无阴影遮挡效应。从图6(d)中可以看出，多脊厂房北坡垂直，存在明显的遮挡效应，两脊之间底部存在明显的阴影遮挡效应，导致底部位置年太阳辐射强度小于3 000 MJ/m2。

图7所示为不同屋顶构造形态厂房光伏系统的月发电量。从图中可以看出，多脊厂房各月份的光伏发电量均最大，其中8月份发电量最大，达到16 629 kW·h。值得一提的是，平顶厂房的光伏发电量仅在8月份时略大于双坡厂房的月发电量，其他月份的发电量均小于其他类型厂房的。

图7 不同屋顶构造形态厂房光伏系统的月发电量

表2所示为不同屋顶构造形态厂房光伏系统的发电性能。为了便于横向对比各类型光伏系统的性能，以平顶(倾斜式)光伏系统的发电总量作为基准。从表中可以看出，对于拱顶厂房和双坡厂房，由于两侧倾斜面为东西朝向，因此屋顶表面的年太阳辐射强度小于最佳倾斜角时的年太阳辐射强度4 585.99 MJ/m2，但是安装面积的增大使年发电总量分别增加了79.8%和72.9%。多跨厂房和多脊厂房的南坡倾斜角均为26°，因此南坡表面的年太阳辐射强度可以达到4 585.99 MJ/m2，而北坡表面的年太阳辐射强度较小，使整体厂房屋顶表面的年太阳辐射强度减小。由于多脊厂房可安装光伏板的面积最大，因此年发电总量最大，相对于倾斜式安装的光伏系统，年发电总量增大了102.2%。屋脊存在的阴影遮挡效应使得年平均发电量(单位面积光伏板的年发电总量)比以最佳倾斜角安装的减小12.94%。

表2 不同屋顶构造形态厂房光伏系统的发电性能

综上可知，屋顶平铺式光伏系统增加了光伏板的可安装面积，尽管光伏板的年平均发电量有所减小，但是相对于传统倾斜式光伏系统，年发电总量有较大幅度增大，说明光伏一体化厂房设计有较大的发电潜力。

3 结论

基于历史气象数据建立三维辐射传输模型，结合南京地区历史气象资料，本文中计算了南京地区固定式光伏板的最佳倾斜角；以常见工业厂房作为研究对象，评估多种厂房屋顶构造形式的光伏发电效益，对比屋顶光伏平铺式安装和倾斜式安装的发电效益差异。研究结果表明，工业厂房屋顶构造形态对光伏发电效益的影响有重要作用，可为相关建筑光伏一体化设计提供重要参考。主要结论如下：

1)根据近5 a气象数据，通过辐射评估模型，确定南京地区固定式光伏板最佳倾斜角为26°，在此安装角条件下，表面可接受年太阳辐射强度达到4 585.99 MJ/m2。

2)阴影遮挡效应使厂房立面以及周围的年太阳辐射强度较小，小于3 000 MJ/m2，而厂房屋顶的年太阳辐射强度则可以达到4 000 MJ/m2以上。

3)对于同等面积的平顶厂房，光伏板平铺式安装相对于倾斜式安装每年可以增加70.9%的发电量，单位面积光伏板年平均发电量仅减少4.49%；

4)在同等建筑面积条件下，对拱顶、双坡、多跨、多脊厂房进行平铺式光伏板安装，相对于倾斜式光伏系统，年发电总量分别增加79.8%、72.9%、73.5%、102.2%，进一步说明了厂房屋顶光伏一体化建设的潜力。