太陽能光電建筑設(shè)計中的日照分析

王寶華 田介花 賈艷剛（中電電氣（南京）太陽能研究院，江蘇 南京 211100）

1 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進步，光伏發(fā)電系統(tǒng)逐步從小型獨立發(fā)電系統(tǒng)向大規(guī)模并網(wǎng)電站發(fā)展，從偏遠地區(qū)向城市發(fā)展，從荒漠電站向光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，簡稱BIPV）發(fā)展[1]。

隨著國家“太陽能屋頂計劃”、“金太陽工程”等相關(guān)政策的實施，BIPV 成為太陽能發(fā)電的主要利用形式之一。BIPV 是指光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有建筑物上，或者將光伏發(fā)電系統(tǒng)與新建筑物同時設(shè)計、施工和安裝，既能滿足光伏發(fā)電功能，又能與建筑物有機結(jié)合[2]。

與荒漠電站相比，BIPV 設(shè)計過程中，光伏陣列不可避免的受到周圍高大障礙物或建筑物本身的遮擋，如何選擇合適的安裝區(qū)域？另外電池陣列安裝傾角范圍從0-90°，如何選擇最優(yōu)安裝傾角？

本文以某市博物館方案設(shè)計為例，運用Ecotect 生態(tài)建筑大師為研究工具[3]，通過分析遮陽、太陽能輻射來展開BIPV 方案設(shè)計過程，利用軟件精確的定量分析，對系統(tǒng)裝機容量、光伏方陣設(shè)計等統(tǒng)籌優(yōu)化，為BIPV的方案設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

2 項目概況

安裝地點位于北緯29.3°，東經(jīng)117.2°。從圖1 看出，周圍無障礙物遮擋，但存在建筑物自身遮擋的問題。

圖1 某市博物館航拍圖

根據(jù)美國航空航天局（NASA）氣象數(shù)據(jù)（圖2），該區(qū)域平均峰值日照時數(shù)3.60 小時，太陽能資源豐富，適宜安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

圖2 安裝地點氣象數(shù)據(jù)

3 分析

3.1 建立模型

根據(jù)建筑圖紙和現(xiàn)場勘查，建立模型（如圖3），朝向為南偏東20°。

圖3 模型

3.2 陰影分析

周圍無高大建筑物，不需要研究周圍建筑對博物館屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響；但由于建筑物自身特點，屋頂各部分高度不一，需要對博物館自身進行陰影遮擋分析。

利用已建立的模型（圖3），運用Ecotect中的“遮擋及日照時間分析模塊”，可以精確直觀地顯示遮擋陰影，其中分析日期定為陰影最長日——冬至日，時間為光伏發(fā)電有效時間——上午9 時至下午15 時，圖4 是廠房遮擋陰影分析結(jié)果。從分析結(jié)果中，可以直觀看出建筑屋頂適合安裝光伏陣列的區(qū)域。

圖4 陰影分析

3.3 安裝傾角分析

太陽能電池陣列的安裝傾角，在0°～90°的范圍內(nèi)根據(jù)目的設(shè)定，例如需要綜合考慮上網(wǎng)電量、可實現(xiàn)裝機容量、發(fā)電效率、安裝成本等因素。

目前已安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，安裝傾角多參照安裝所在地緯度。本文利用Ecotect的太陽能輻射量分析，輸入安裝所在地的經(jīng)緯度，并繪制不同傾角、正南朝向的陣列，進行太陽能輻射量分析。圖5 是博物館區(qū)域一年中9 時至15 時的不同傾角的累積輻射量分析。圖中顯示，安裝傾角20°至25°，全年累積太陽能輻射量相差不大，考慮屋頂系統(tǒng)不便于清理組件，可通過增加安裝傾角以增強組件利用雨水的自清潔能力，該系統(tǒng)的組件陣列的安裝傾角設(shè)計為25°。

圖5 安裝地點不同傾角陣列的太陽能輻射量

3.4 陣列間距分析

在組件排布方案中，電池陣列間距也需要計算分析。兩陣列之間的垂直距離過小，前面的陣列對后面的陣列形成遮擋；距離過大，則造成安裝面積的浪費。兩陣列之間的垂直距離以冬至日當(dāng)天9 時至15 時太陽電池方陣不被遮擋為一般原則。

光伏系統(tǒng)方案設(shè)計中，設(shè)計師一般采用計算方法，得出光伏方陣陣列間距D。計算公式如下：

式中：φ 為緯度（在北半球為正、南半球為負(fù)），H 為光伏方陣陣列或遮擋物與可能被遮擋組件底邊高度差。

本系統(tǒng)中，取緯度φ=25°，H=1395mm，得D=2465mm。示意圖如圖6。

圖6 光伏陣列間距示意圖

運用Ecotect軟件對陣列間距進行對比分析。設(shè)置緯度φ=29°，H=1395mm，設(shè)置時間為冬至日9 時至15 時。分析結(jié)果如圖7，圖中顯示了高度1395mm的陣列在冬至日9 時至15 時產(chǎn)生的陰影范圍，陰影長度為（5455-2990=2465）mm，即為兩陣列間距D的取值。與公式計算結(jié)果比較，公式計算結(jié)果和軟件模擬結(jié)果一致。

圖7 光伏陣列間距分析圖

3.5 陣列排布效果圖

根據(jù)以上對安裝傾角、陣列間距等的分析，對屋面系統(tǒng)進行陣列排布，效果圖如圖8、圖9所示。圖中部分屋頂無遮擋，但未安裝電池組件，是由于這些屋頂采用玻璃幕墻，考慮建筑美觀及建筑采光等因素，不便于安裝電池陣列。方案中電池組件尺寸為1580mm×808mm×35mm，共計2836 塊。單塊組件180Wp，裝機容量為510.48KWp。

圖8 光伏陣列排布效果圖

圖9 光伏陣列排布效果圖

4 結(jié)語

全球能源問題和氣候問題的日益嚴(yán)峻，告誡我們開發(fā)利用新能源已經(jīng)刻不容緩。BIPV 是應(yīng)用太陽能發(fā)電的主要形式之一，對其進行研究具有重要的應(yīng)用價值。本文綜合考慮光伏系統(tǒng)和建筑設(shè)計兩個方面，探索BIPV 設(shè)計思路和設(shè)計方法，從而對BIPV 建筑的科學(xué)性、合理性等方面做出有益指導(dǎo)。

[1]郝國強，陳鳴波.光伏建筑一體化(BIPV)并網(wǎng)電站的應(yīng)用與發(fā)展[J].上海節(jié)能，2006(6)：66-70.

[2]沈 輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]嚴(yán)鈞,趙能,梁智堯.Ecotect 在建筑方案設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].高等建筑教育，2009,18 (3)：140-144.