浅谈屋顶光伏可用面积评估方法

阳海燕 黄子铭 刘冰洁

摘要：光伏产业是一个具有全球竞争力和差异化的产业，面临激烈的国际竞争。来自不同国家的公司在技术创新、产品质量和成本控制方面都取得了各自独特的竞争优势。与此同时，各国在光伏产业的发展战略和优先事项上存在差异，光伏与建筑的结合是光伏应用最重要的领域之一，以光伏为代表的绿色建筑中清洁能源应用的快速发展。根据技术实践，对不同建筑类型的光伏系统可安装面积进行了调查，推导出了屋顶光伏可用面积评估方法，为推广光伏应用提供了计算依据。

关键词：光伏;面积;评估方法;分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20241204

在我国光伏发电规模持续扩大的背景下，实际运行过程中仍存在问题。随着研究和技术的进步，光伏组件的效率不断提高，制造成本逐渐降低。光伏是一种可再生的能源，使用光伏发电可以减少对传统能源的依赖，减少化石燃料的消耗和排放，减少能源短缺带来的负面影响。光伏产业的发展方向是符合可持续性和环境保护、产业链的完整性和垂直整合、强大的国际竞争力和发展趋势的差异性、行业波动性和周期性。了解这些特性对于了解光伏行业的发展趋势、制定战略和评估具有重要意义。

一、光伏产业发展背景分析

（一）光伏行业发展形势

我国政府通过一系列政策积极支持光伏产业发展，提供了广阔的市场空间和稳定的投资环境。其中包括对光伏网络电价的补贴、补贴光伏产业的资金等。政策的实施促进了光伏产业的快速发展，并吸引了大量的经济和技术投资。

光伏技术不断创新和进步，在改进光伏组件材料、提高太阳能电池效率和优化制造工艺方面取得重大进展。特别是随着单晶硅、多晶硅、薄膜和PERC等光伏电池新技术的引入，光伏发电效率显著提高，同时降低了成本。预计在未来几年，随着技术的成熟和大规模生产的推进，成本将进一步降低，企业的竞争力将进一步提高。

随着全球对环境保护和可再生能源的日益关注，以及国家能源转型的推进，光伏行业的市场需求持续增长。此外，光伏发电具有分散设计和低碳发电的优势，满足了人们对可持续发展和绿色生活的需求。

随着国际市场竞争的加剧，我国在市场份额和技术水平上占据着重要地位。只有不断提高技术水平，积极开放国际市场，光伏产业才能在竞争中保持领先地位。

（二）太阳能光伏电池组件选择及安装

根据电气需求，选择太阳能光伏电池组件，其主要由逆变器、光伏电池板以及蓄电池三部分组成，光伏电池板作为核心设备，关系到光伏新能源生成效率和质量，因此需要结合项目自身情况，选择合适的光伏电池板。目前比较常用的主要有三种，单晶硅、复合晶硅以及多晶硅，主要性能如表1所示。

根据表1对三种太阳能光伏电池板性能对比，尽管单晶硅类型的电池板成本相对较高，但是光电转换方面优于其他两种电池板，并且使用寿命也较长，更适用于电力节能使用，因此选择单晶硅类型的电池板作为光伏新能源发电设备。

由于光伏项目建设地点空间面积大，且无遮挡，采光条件好，因此将组件的安装采用并联的方式将太阳能电池板、蓄电池和逆变器电源线路连接在一起，并接入建筑电气总线。由于太阳能电池板的安装方位和倾斜角度直接关系到太阳能光伏发电效率，因此在安装过程中要对太阳能电池板安装方位和角度进行合理设计。

正常情况下，一天当中中午的太阳能辐射强度最强，但是中午太阳入射角比较低，东、南、西、北四个方位中南向更容易获得最强的太阳能辐射，但是在正南方向所获得的太阳能辐射往往不是最强的，偏东西或者偏西南向更容易获得最大限度的太阳能辐射，这是因为太阳光在直射过程中，受到环境中某些因素干扰发生折射效应，从而产生偏差，因此在安装时将单晶硅太阳能电池板朝向偏东西或者西南25°，以此保证太阳能电池板能够最大限度获得太阳能辐射。光伏电池板安装倾角需要根据项目地理位置，光伏电池板安装倾斜角度决定着发电的有效面积，光伏电池板倾角与太阳能入射角存在着一定的线性关系，具体如图1所示。

图1  光伏电池板倾角与太阳入射角关系

如图1所示，当光伏电池与太阳光入射线垂直时，光伏电池板发电有效面积越大，且发电效率越高，当地太阳光入射线角度与当地纬度一致，因此在安装过程中将光伏电池板倾角调整为，与所在地纬度值。蓄电池组和逆变器安装在配电箱内，并采用并联的方式在蓄电池组和逆变器电源线路上，接入控制器，利用控制器对太阳能光伏电池组件过放电和充放电进行控制。

（三）太阳能光伏并网发电

考虑到电气用电量较大，太阳能光伏发电具有一定的局限性，在夜里或者阴天时，太阳能光伏电池组件是无法进行发电的，完全依靠太阳能光伏发电电量，无法满足用电需求，因此此次采用并网光伏发电形式，即将太阳能光伏发电系统与供电系统组串在一起，共同为供电。每4～6块光伏电池板组件为一个光伏方阵，光伏方阵的最大工作电压需要满足以下条件：

（1）

公式（1）中，表示光伏方阵的光伏电池板串联数量；表示标准条件下光伏电池板的开路电压；表示光伏电池板开路电压的最大温度系数；表示光伏电池板最低温度；表示光伏方阵的最大工作电压。太阳光照射在光伏电池上，与电池板上的半导体产生光伏效应，产生电动势现象，从而产生光生电流。采用组串逆变的方式对逆变器进行并网，每个光伏方阵串联为1路，一个逆变器负责2～3路光伏方阵能量转换，由逆变器将光生电流转换为电能，转换公式为：

（2）

公式（2）中，表示由逆变器转换后的光伏电流；表示光伏方阵产生的光生电流；表示半导体在反向饱和情况下的电流；表示光伏方阵的输出电压；表示逆变器串联电阻。将蓄电池组接入建筑用户变电系统低压侧母线，由蓄电池组存储逆变器转换后的光伏电流。由于太阳能光伏电池板产生的电流为直流电，直流电稳定性较差，为了更好地对其进行利用，采用优先配电方式将其输送到配电网中，当电气设备用电时会优先使用蓄电池组中电能，从而起到电气节能的作用。

二、屋顶光伏安装面积分析

（一）不同建筑类型光伏组件可安装部位

在技术应用中，光伏组件可以安装在建筑物中的主要部件是屋顶、外墙、幕墙和遮阳部件。除了住宅楼，其他所有建筑物类型的房顶上都没有阴影，一些小占地设施以外，每个建筑物类型都可以配置光伏系统。但是，根据不同的建筑物形式和结构特点以及在外立面设计上的不同，光伏系统在建筑立面配置中的优先级也不同。大多数外墙是玻璃幕墙或大型实体墙，可用于安装光伏组件。办公楼的主房间需要更多的照明，而相邻的房间需要更少的照明。另外，办公室对遮阳功能也有相应需求，可根据遮阳能力加装户外遮阳组件。在城市建设中，建筑物具有独特的建筑风格，外墙表面元素也比较规则，一般由大面积的外墙或玻璃幕墙所构成。内部采光问题主要利用电力照明解决，对自然采光要求略低，可最大限度地利用建筑立面资源建立光伏组件。

（二）各类建筑光伏安装面积估算

大型商业居住区内，房屋的外立面形式多为干挂铝板、干挂石材、玻璃幕墙等形式，多设置有空心房采光系统，其屋面形式也多为平屋面，而房屋内光伏系统的设计方式也大多是平屋面安装、光伏采光顶棚、太阳能光伏发电系统幕墙、光电企业遮阳等形式，对商业建筑物中光伏系统的安装面积估算为：

（3）

公式（3）中，K 表示控制性详细规划中用地的建筑密度；V 表示控制性详细规划中用地的容积率；β 表示建筑日照立面面积系数，取 0.28；μi 表示该种安装方式的墙面占南、东、西墙面总面积的比例。

三、屋顶光伏可用面积评估分析

（一）提取屋顶面积的评估方法

建筑物屋顶面积的评估，是目前研究太阳辐射现象的关键方法。杭州电子科技学院的徐福元使用谷歌的免费卫星图像所获得的屋顶区域。首先，采用边缘检测技术中的阈值划分方式对图像进行细分。中国矿业大学的郭晓林根据提取样本区屋顶区域时的坐标，从样本区的天空图中下载一张街道图，他使用通用电子地图提取样本区域的属性，使用Env15.1，然后使用ArcGIS功能处理获得的文件。该地区的天空图估计了整个辐射面积，并计算下一个太阳辐射样本，简单地测量屋顶面积，并基于其他影响因素计算了屋顶发电量的近似值。

（二）GIS功能的评估方法

地理信息系统（GIS）和地理信息系统在过去二十年中发展迅速。GIS的分析功能为评价太阳辐射提供了技术支持。刘光旭在分析江苏省13个气象站2000年的数据时，利用ARCGIS 9.2中的反距离输入，对当地年平均日照时数和日照时数进行了制图和统计分析。基于Aregis 9.2中的叠加分析，确定了太阳辐射剂量，并计算了13个城市的生活空间。替换公式后，可以得到屋顶面积，该面积可以安装太阳能电池，并计算评估区域的年平均太阳辐射量。与二者相比，该方法结合了太阳能的自然特性和社会特性进行分析，得到的实验结果更符合实际。但屋顶太阳的实际使用量仅占理论值的4%，需要考虑的因素仍然是未来研究的重点。

（三）结合遥感反演的评估方法

遥感图像被用作已知数据来计算影响大气遥感图像的未知量。北京大学遥感地理信息研究院的陆扬，将定量遥感技术和GIS三维数据技术相结合，提供了一种评价城市建筑尺度光伏潜力的全新方法和模式。以乌鲁木齐市某建筑群为试验区，通过基于风云二号和风云三号卫星的大数据分析，对地表IC图进行反演，得到太阳辐射值。平坦表面的预测是好的，但在复杂地形区域也存在一些缺点。

（四）激光雷达技术对屋顶光伏面积的潜力评估

激光雷达技术发展迅速，用户可以使用该设备向目标物体发送光束，接收目标物体返回的信号，然后进行适当的处理以获得所需的数据。和其他的数值检测技术一样，激光雷达技术也拥有高度精确的去除技术，因此能够迅速获取精确的数值和数字地表数据。这是基于屋顶的垂直墙面积分析太阳辐射的一种较好的技术方法。来自南京林业大学森林资源与环境保护工程学院的教授曹琳正在利用卡波村主校区作为试验场地，运用激光雷达的点云数据、CCD多源特征融合以及面向对象分析技术，获得个人建筑数据，并通过结合0.5球形的太阳辐射模型，得出单幢大厦房顶上太阳能的分布图。考虑到低建筑植被的问题，试验结果揭示了研究区内各个季节屋顶上太阳辐射的变化规律，体现出整个季节建筑全天光照强度的变化趋势。

四、小结

屋顶光伏使用面积的评估方式多样，评估结果也较为理想。但是，相对于垂直墙来说，它所采取的方式比较特殊。基于水平屋顶和垂直墙壁的光伏电势分析问题的关键是如何迅速获得建筑物信息，以及合理考虑阴影对建筑表面太阳辐射的作用。目前，激光雷达技术的发展已经帮助科学家们提取数据和研究垂直墙面问题。在评估太阳辐射方面，激光雷达技术可以快速获取建筑信息，通过将可接受的近地表太阳辐射与风云气象卫星进行比较，评估该地区的太阳辐射研究结果，为未来的投资和发展提供重要参考。

参考文献：

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