工業廠房光伏屋頂構造形態對發電效益的影響

姜 雷，胡憶南

(1. 南京工業大學 a. 建筑學院, b.土木工程學院，江蘇 南京 211816；2. 金陵科技學院 建筑工程學院，江蘇 南京 211169)

隨著國家“十三五”節能減排政策措施的推進，我國光伏應用市場穩步增長。光伏與建筑的結合發展潛力巨大，對建筑節能減排、保護環境有重要的現實意義。建筑光伏(building mounted photovoltaic，BMPV)指安裝在建筑物上的光伏發電系統，根據將光伏系統與建筑結構相結合的設計理念，可以分為建筑集成光伏(building integrated photovoltaic, BIPV)和建筑附加光伏(building attached photovoltaic,BAPV)。BIPV是指光伏系統設計與建筑結構設計同步進行，與建筑形態完美結合的光伏系統，是近年來新興光伏建筑的主要形式。BAPV是指附著在建筑上的光伏發電系統，是不考慮與建筑形態結合，直接安裝于建筑屋頂的一種形式。

工業廠房屋頂的尺度大，結構簡單，寬敞且平坦，具有豐富的太陽能資源，是最適合進行光伏一體化建設的建筑類型之一。根據工業廠房屋頂的構造形態特點，工業廠房屋頂主要分為5種，即平坡頂、坡屋頂、拱頂、多跨屋頂、多脊屋頂。對于平頂廠房，光伏板安裝的形式可以分為平鋪式和傾斜式2種；而對于其他有坡度的屋頂，考慮到結構安全性，光伏板通常采用平鋪式安裝。與具有光線跟蹤能力的獨立光伏系統相比，建筑光伏板的安裝傾斜角通常保持不變，無法實時維持最佳傾斜角以獲得最大的太陽輻射[1]。偏離最佳安裝角后，光伏發電效益會大打折扣，極大地限制了建筑利用太陽能的效益。為了改善屋頂的光伏系統的發電性能，研究不同廠房屋頂構造形態對光伏發電效益的影響極為重要，然而目前鮮有針對工業廠房光伏屋頂發電效益的相關研究。

針對建筑表面的太陽能資源評估，諸多學者提出了相關計算模型。Redweik等[2]根據激光雷達數據，建立建筑三維模型，并通過陰影算法評估建筑外表面太陽能資源。Li等[3]提出一種基于像素的方法，估算建筑表面的太陽能潛力，利用SketchUp軟件重建建筑形狀，生成一系列瞬時陰影圖像，利用MATLAB軟件進行數字圖像處理，統計建筑表面的太陽能資源。朱丹丹等[4]通過建立傾斜面太陽輻射計算模型和太陽能電池輸出功率模型，計算傾斜面逐時太陽輻射，確定不同地區太陽能板的最佳傾斜角。劉衍等[5]基于街道全景圖像，采用大數據方法研究中低密度城區的太陽輻射分布規律。

本文中以常見工業廠房的屋頂構造形態作為研究對象，結合江蘇省南京地區歷史氣象資料，建立輻射傳輸模型，對比屋頂光伏平鋪式安裝和傾斜式安裝的發電效益差異，評估多種常規廠房光伏屋頂的發電效益。

1 輻射評估模型

1.1 太陽幅射強度

太陽入射光線與光伏板的幾何關系如圖1所示。

i—太陽光線的入射角，即入射光線與光伏板表面法線的夾角；β—光伏板的傾斜角，即光伏板與水平面的夾角；γ—光伏板垂直投影線與正南方向的夾角。

根據公式[6]計算太陽光線的入射角i，即入射光線與光伏板表面法線的夾角，

(1)

式中：β為光伏板的傾斜角，即光伏板與水平面的夾角；hs為太陽時角；γ為光伏板垂直投影線與正南方向的夾角；W為當地緯度；δ為赤緯；φ為經緯儀角度，滿足

(2)

其中θ為天頂角，α為太陽高度角，可由

cosθ=sinα=sinWsinδ+cosWcosδcoshs

(3)

進行確定。

光伏板表面接受的太陽輻射主要由太陽直照輻射和太陽散射輻射組成，前者是未被大氣層改變傳播方向的太陽輻射，后者是受到大氣中氣體、塵埃、氣溶膠等散射后的太陽輻射[7]。根據Kumar等[8]提出的輻射模型，太陽直照輻射強度Idir、太陽散射輻射強度Idif及照射在光伏板表面的太陽輻射強度Gs分別為

Idir=ηI0τ1cosi，

(4)

Idif=sinαI0τ2cos2(θ/2)，

(5)

Gs=Idir+Idif，

(6)

式中：η為日照分數，即實際日照時間與晴天日照時間之比；τ1、τ2分別為太陽直射輻射和散射輻射在大氣層中的透射率；I0為到達地球大氣層上界的太陽輻射強度，計算模型[9]為

(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為太陽常數，n為從1月1日開始計數的天數，M為大氣質量系數。

1.2 光伏發電量評估

光伏系統的實時發電量Eh計算公式[10]為

(11)

式中：t為時間；K1為光伏板的光電轉換效率，目前市場上晶硅太陽能電池的轉換效率為15%～18%，本文中取K1為0.17；K2為系統綜合效率，考慮到配電損失、逆變器損失、溫度損耗等的影響，通常取為95%；A為光伏板總面積；dS為面積微元。

光伏系統的日發電總量Ed可通過從日出到日落的實時發電量的積分進行統計，即

(12)

式中：t1為日出時間；t2為日落時間。

光伏系統的年發總電量Ey為一年中每日發電量的總和，即

(13)

1.3 數值方法

采用SketchUp軟件建立三維建筑幾何模型，采用COMSOL Multiphysics 5.4軟件的表面對表面輻射模塊計算太陽輻射強度。該模塊采用半立方體方法，在半立方體的側面采用z緩沖投影考慮陰影效果[11]。基于有限元輻射模型，可以得到屋頂任意一點的太陽輻射強度，并通過對整個屋頂表面的輻射強度進行積分，確定光伏系統的實時發電量。

2 結果與分析

2.1 南京地區太陽能資源特征

圖2所示為南京地區2016—2020年月累積日照時間和日照分數，數據由中國氣象局南京氣象站(區站號為58238)提供。從圖中可以看出，南京地區近5 a的平均月累積日照時間為156 h，平均日照分數為42.51%；其中，1月份的日照時間最短，平均月累積日照時間為92.88 h，平均日照分數為29.37%；8月份日照時間最長，平均月累積日照時間為217.84 h，平均日照分數為54.05%。

圖2 南京地區2016—2020年月累積日照時間和日照分數

圖3所示為南京地區光伏板在不同傾斜角時接受的年太陽輻射強度。從圖中可以看出，隨著傾斜方向由西向東變化，太陽輻射強度隨傾斜角的變化呈對稱變化，最佳傾斜角接近0°，最大年太陽輻射強度為4 356.94 MJ/m2。隨著傾斜方向由北到南變化，太陽輻射強度隨傾斜角的增大呈現先增大后減小的趨勢，最佳傾斜角為26°，對應的年太陽輻射強度為4 585.99 MJ/m2。在文獻[12]中提出的最佳傾斜角計算模型中，南京地區的最佳安裝傾斜角為27.6°，對應的年太陽輻射強度為4 893 MJ/m2，與本文中的結果基本吻合，進一步說明了本文中模型的正確性。

圖3 南京地區光伏板在不同傾斜角時接受的年太陽輻射強度

2.2 廠房屋頂光伏收益預測

2.2.1 平鋪式與傾斜式安裝收益對比

選取長度為42 m、寬度為14 m、高度為10 m的平頂廠房為研究對象，對比光伏板在廠房屋頂進行平鋪式安裝和傾斜式安裝時的發電收益差異。對于傾斜式安裝的光伏板，最佳傾斜角為26°，光伏板間距D由固定式光伏方陣間距計算公式[10]確定，即

(14)

式中L為光伏板傾斜面長度，取為1.956 m。南京地區的緯度W取為31°143′。根據式(14)，可以確定光伏板間距D為3.4 m，該間距可以弱化光伏板之間的遮擋效應。

圖4所示為安裝光伏板后平頂廠房外表面的年太陽輻射強度分布模擬結果。由圖可知，廠房立面以及周圍的年太陽輻射強度較小，小于3 000 MJ/m2；廠房屋頂的年太陽輻射強度則可以達到4 000 MJ/m2以上。以最佳傾斜角安裝的光伏板表面年太陽輻射強度達到最大值，即4 585.99 MJ/m2。

表1所示為平頂廠房平鋪式、傾斜式光伏板的發電收益對比。由表可知，平鋪式安裝方式增大了光伏安裝面積，年發電總量從65 040.6 kW·h增至111 155.2 kW·h，而光伏板單位面積年平均發電量僅減小8.88 kW·h/m2。

表1 平頂廠房平鋪式、傾斜式光伏板發電收益對比

圖5所示為平頂廠房屋頂光伏板在平鋪式安裝和傾斜式安裝時的月發電量對比。從圖中可以看出，在平鋪式安裝時，光伏發電系統的平均月發電量為9 263 kW·h；其中，8月份月發電量最大，達到14 321 kW·h；1月份月發電量最小，為3 873 kW·h。在傾斜式安裝時，光伏發電系統的平均月發電量為5 420 kW·h；其中，5月份月發電量最大，為7 397 kW·h；1月份月發電量最小，為2 861 kW·h。相對于傾斜式安裝，平鋪式安裝增大了光伏板總面積，從而在發電量上更占優勢。

圖5 平頂廠房屋頂光伏板在平鋪式安裝和傾斜式安裝時的月發電量對比

2.2.2 光伏屋頂構造形態對發電效益的影響

同樣選取長度為42 m、寬度為14 m、高度為10 m的廠房建筑作為研究對象，對比平頂、拱頂、雙坡、多跨、多脊廠房屋頂的光伏發電收益差異。

圖6所示為不同屋頂構造形態廠房外表面年太陽輻射強度分布模擬結果。從圖6(a)中可以看出，拱頂廠房屋頂表面的年太陽輻射強度隨著屋頂高度的減小而減小，這是由屋頂表面向東、西方向傾斜角逐漸增大導致的。從圖6(b)中可以看出，對于雙坡廠房，屋頂坡面向東、西兩側對稱傾斜，兩側年太陽輻射強度分布均勻。從圖6(c)中可以看出，三跨廠房為南、北坡交替延伸，雙跨之間無陰影遮擋效應。從圖6(d)中可以看出，多脊廠房北坡垂直，存在明顯的遮擋效應，兩脊之間底部存在明顯的陰影遮擋效應，導致底部位置年太陽輻射強度小于3 000 MJ/m2。

圖7所示為不同屋頂構造形態廠房光伏系統的月發電量。從圖中可以看出，多脊廠房各月份的光伏發電量均最大，其中8月份發電量最大，達到16 629 kW·h。值得一提的是，平頂廠房的光伏發電量僅在8月份時略大于雙坡廠房的月發電量，其他月份的發電量均小于其他類型廠房的。

圖7 不同屋頂構造形態廠房光伏系統的月發電量

表2所示為不同屋頂構造形態廠房光伏系統的發電性能。為了便于橫向對比各類型光伏系統的性能，以平頂(傾斜式)光伏系統的發電總量作為基準。從表中可以看出，對于拱頂廠房和雙坡廠房，由于兩側傾斜面為東西朝向，因此屋頂表面的年太陽輻射強度小于最佳傾斜角時的年太陽輻射強度4 585.99 MJ/m2，但是安裝面積的增大使年發電總量分別增加了79.8%和72.9%。多跨廠房和多脊廠房的南坡傾斜角均為26°，因此南坡表面的年太陽輻射強度可以達到4 585.99 MJ/m2，而北坡表面的年太陽輻射強度較小，使整體廠房屋頂表面的年太陽輻射強度減小。由于多脊廠房可安裝光伏板的面積最大，因此年發電總量最大，相對于傾斜式安裝的光伏系統，年發電總量增大了102.2%。屋脊存在的陰影遮擋效應使得年平均發電量(單位面積光伏板的年發電總量)比以最佳傾斜角安裝的減小12.94%。

表2 不同屋頂構造形態廠房光伏系統的發電性能

綜上可知，屋頂平鋪式光伏系統增加了光伏板的可安裝面積，盡管光伏板的年平均發電量有所減小，但是相對于傳統傾斜式光伏系統，年發電總量有較大幅度增大，說明光伏一體化廠房設計有較大的發電潛力。

3 結論

基于歷史氣象數據建立三維輻射傳輸模型，結合南京地區歷史氣象資料，本文中計算了南京地區固定式光伏板的最佳傾斜角；以常見工業廠房作為研究對象，評估多種廠房屋頂構造形式的光伏發電效益，對比屋頂光伏平鋪式安裝和傾斜式安裝的發電效益差異。研究結果表明，工業廠房屋頂構造形態對光伏發電效益的影響有重要作用，可為相關建筑光伏一體化設計提供重要參考。主要結論如下：

1)根據近5 a氣象數據，通過輻射評估模型，確定南京地區固定式光伏板最佳傾斜角為26°，在此安裝角條件下，表面可接受年太陽輻射強度達到4 585.99 MJ/m2。

2)陰影遮擋效應使廠房立面以及周圍的年太陽輻射強度較小，小于3 000 MJ/m2，而廠房屋頂的年太陽輻射強度則可以達到4 000 MJ/m2以上。

3)對于同等面積的平頂廠房，光伏板平鋪式安裝相對于傾斜式安裝每年可以增加70.9%的發電量，單位面積光伏板年平均發電量僅減少4.49%；

4)在同等建筑面積條件下，對拱頂、雙坡、多跨、多脊廠房進行平鋪式光伏板安裝，相對于傾斜式光伏系統，年發電總量分別增加79.8%、72.9%、73.5%、102.2%，進一步說明了廠房屋頂光伏一體化建設的潛力。