徐 菁 劉大龍
(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院,陜西西安 710055)
自20世紀(jì)中后期,“太陽能光伏建筑一體化”的概念在美國提出后,便逐漸成為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要利用形式之一。光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic,簡稱BIPV)技術(shù)是指將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成或結(jié)合到建筑上的技術(shù),它不但具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能,同時(shí)又能產(chǎn)生電能供建筑使用。由于BIPV的光伏組件與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成為一體,所以建筑中的光伏組件往往只能以固定的形式存在。
據(jù)相關(guān)研究顯示,固定式光伏陣列如按最佳安裝角度進(jìn)行安裝,全年收到的太陽輻射量將提高19%左右。山西省大同市作為2013年國際太陽能十項(xiàng)全能競賽的舉辦地,充分而有效地利用該地區(qū)的太陽能資源,找出適合該地區(qū)光伏陣列的安裝角度便極具現(xiàn)實(shí)意義。
太陽能光伏電池是根據(jù)特定材料的光電性質(zhì)而制成的。太陽可以輻射出不同波長的電磁波,當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上時(shí),光子便與導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用,從而產(chǎn)生電流。然而,并非所有波長的射線都能轉(zhuǎn)化為電能,只有頻率達(dá)到或超過可產(chǎn)生光電效應(yīng)的閾值時(shí),才能產(chǎn)生電流。就“硅”而言,其能閾為1.1電子伏特,相當(dāng)于1 100毫微米波長光子的能量,大于此波長的光子將只能產(chǎn)生加熱效應(yīng)[1]。因此,光伏組件輸出的能量要遠(yuǎn)低于入射到其表面的太陽輻射能,而兩者之比則被稱之為“太陽能光電轉(zhuǎn)換效率”。光電轉(zhuǎn)換效率的高低取決于光伏電池所用的材料,通常情況下,單晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%~19%,多晶硅光伏電池約為14%~17%。盡管如此,對于任意一款光伏電池來說,光電轉(zhuǎn)換效率都是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。
當(dāng)光電轉(zhuǎn)化效率一定時(shí),射入光伏電池上的太陽輻射能越多,其產(chǎn)電量也就越大。入射至一表面上的太陽輻射總量I是由直射輻射ID、散射輻射Id和反射輻射IR三部分組成,即:
除反射輻射對產(chǎn)電量的影響微乎其微外,直射輻射和散射輻射均在不同程度上影響著光伏電池的產(chǎn)電量。
太陽輻射到達(dá)地球大氣層外界時(shí),其輻射強(qiáng)度為常數(shù)1 395 W/m2,但在穿透地球大氣層時(shí),部分輻射光被大氣擴(kuò)散、漫射和吸收。那些既沒有被散射也沒有被吸收而直接到達(dá)地球表面的輻射被稱為直射輻射,那些經(jīng)散射或再發(fā)射的輻射則被稱為散射輻射。太陽輻射強(qiáng)度由于大氣吸收而衰減,其衰減程度一方面取決于穿過大氣層的路程;一方面取決于大氣狀況。
從任意一個地理緯度觀察,都會發(fā)現(xiàn)太陽的高度角和方位角均以年為周期,沿特定軌跡變化。當(dāng)太陽偏斜時(shí),太陽射線通過大氣層所必經(jīng)的路程將隨太陽高度角A的減小而增加。當(dāng)太陽的高度角為30°時(shí),太陽射線在大氣層內(nèi)通過的距離為大氣厚度的兩倍。當(dāng)高度角為20°及15°時(shí),太陽射線通過大氣層的距離相當(dāng)于其垂直行程的3倍及4倍。因此,太陽輻射通過大氣層的距離與太陽高度角的正弦呈反比關(guān)系。據(jù)此,可根據(jù)式(2),式(3)求出任意表面上的直射輻射值:
式中:IDN——垂直入射直射太陽輻射強(qiáng)度,W/m2;
θ——入射角,即太陽光線與平面法線之間的夾角;
I°——太陽常數(shù),取值1 395 W/m2;
我在大學(xué)里教了三十多年書,不敢說教得如何好,當(dāng)年以大學(xué)本科畢業(yè)生的身份走上專科講臺,本身就有點(diǎn)先天不足,好在我喜歡學(xué)習(xí),算是彌補(bǔ)了一些缺陷。不過,有一點(diǎn)我很自豪:在三十多年的教育生涯中,我從未體罰、侮辱過學(xué)生,我對違紀(jì)學(xué)生的批評未必和風(fēng)細(xì)雨,卻絕對就事論事,不人為擴(kuò)大范圍,不傷及學(xué)生自尊。
E——大氣消光系數(shù);
A——太陽高度角。
天空云量和大氣中所含風(fēng)沙、灰塵等雜質(zhì)的多少影響著散射輻射量。當(dāng)散射輻射增高時(shí),直射輻射便成比例地降低。散射輻射與直射輻射的關(guān)系如式(4)所示:
其中,IdH為水平面上散射輻射強(qiáng)度,W/m2;k為不同天空條件下的比例常數(shù)。
綜上所述,到達(dá)某一地區(qū)的太陽輻射年總量取決于該地區(qū)所處的地理緯度和氣候條件。
由于太陽每天及每年圍繞一個建筑的運(yùn)行情況完全可以預(yù)知,如圖1所示,因此在確定建筑所處的地理緯度、氣候條件及光伏電池的使用面積和光電轉(zhuǎn)換效率后,便可計(jì)算出每天乃至全年的發(fā)電量。
在Ecotect軟件中,太陽輻射強(qiáng)度分析模塊就是據(jù)此進(jìn)行運(yùn)算的。借助該軟件的強(qiáng)大計(jì)算能力,計(jì)算出大同市不同安裝角度下1 m2光伏組件的年發(fā)電量,并通過對模擬結(jié)果的比較分析來找出適合該地區(qū)光伏陣列的最佳安裝角度。
創(chuàng)建一個1 m×1 m的平面模型,將該模型的材質(zhì)設(shè)定為光電轉(zhuǎn)換效率為15%的晶體太陽能光伏組件,并載入大同市所在位置的經(jīng)緯度及其典型年氣象數(shù)據(jù)。
光伏組件安裝的準(zhǔn)確位置應(yīng)按傾斜角與方位角來確定。所謂傾斜角是指太陽能光伏組件平面與水平地面的夾角;方位角是指光伏組件的垂直面與正南方向的夾角,通常以南點(diǎn)S為0°,向西為正值,向東為負(fù)值。
圖1 山西大同全年太陽軌跡圖
1)最佳傾斜角模擬,即在朝向不變的條件下,以太陽能電池板南側(cè)邊線為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),由0°~90°,每旋轉(zhuǎn)10°計(jì)算一次全年各月份的發(fā)電量,傾斜角度分布如圖2所示。
2)最佳方位角模擬,即在最佳傾斜角模擬的基礎(chǔ)上,選擇年發(fā)電量最多的傾斜角并在傾角不變的情況下,以太陽能電池板的平面幾何中心為軸,從東南向西南(方位角-45°~45°),每旋轉(zhuǎn)15°計(jì)算一次全年各月份的發(fā)電量,方位角分布如圖3所示。
圖2 傾斜角度分布示意圖
圖3 方位角分布示意圖
表1為1 m2太陽能光伏組件在朝向一定時(shí),不同傾斜角度下全年各月的發(fā)電量模擬結(jié)果。
表1 不同傾角發(fā)電量模擬結(jié)果
根據(jù)表1的模擬結(jié)果可以得出不同傾斜角的年發(fā)電量。將各傾斜角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖,如圖4所示。
從圖4不同傾斜角度年發(fā)電量的變化趨勢中可以看出,當(dāng)光伏組件以南側(cè)邊線為軸從水平開始旋轉(zhuǎn),其年發(fā)電量便不斷增加直到傾角為30°時(shí)到達(dá)最大值,該角度的年發(fā)電量為226 345 W·h,約為226度電。此后,年發(fā)電量隨著傾斜角度的繼續(xù)增大而減少。特別是在傾角大于60°后,年發(fā)電量便急劇下降,直到最后光伏組件垂直放置時(shí),發(fā)電量下降到最低值,僅為30°放置時(shí)的60%。由此可知,大同地區(qū)的最佳傾斜角度為30°。
從圖4中還能看出,在20°~40°之間,年發(fā)電量曲線變化平緩。其中,20°傾角的年發(fā)電量為222 712 W·h,40°傾角的年發(fā)電量為224 305 W·h。與30°傾角的年發(fā)電量相比,20°和40°的減少率分別是1.6%和0.9%。因此,大同地區(qū)的最佳傾角范圍可擴(kuò)大至20°~40°。
表2為1 m2太陽能光伏組件在傾角為30°時(shí),不同方位角下全年各月的發(fā)電量模擬結(jié)果。
圖4 不同傾斜角度年發(fā)電量折線圖
表2 不同方位角發(fā)電量模擬結(jié)果
根據(jù)表2的模擬結(jié)果可以得出不同方位角的年發(fā)電量。將各方位角的年發(fā)電量匯總并制成折線圖,如圖5所示。
圖5 不同方位角年發(fā)電量折線圖
一般情況下,地處北回歸線以北的地區(qū),太陽能光伏組件的傾斜面朝向正南(即方位角為0°)時(shí),其發(fā)電量具有最大值。但是,受云量等氣候因素的影響,獲得最大年發(fā)電量的方位并不一定為正南方,有時(shí)會稍向東或西偏移。
從圖5中可以明顯看出,偏西朝向的年發(fā)電量明顯高于偏東朝向,這說明偏西朝向?yàn)榇笸貐^(qū)光伏布置的有利朝向。當(dāng)光伏組件的方位角為15°(即南偏西15°)時(shí),年發(fā)電量為227 092 W·h,是所有角度中年發(fā)電量的最大值。當(dāng)方位角為0°(即正南)時(shí),光伏組件的年發(fā)電量為226 345 W·h,是第二高值且在數(shù)值上與南偏西15°很接近。由此可以推斷出大同地區(qū)的最佳方位角應(yīng)在0°~15°之間。
考慮到光伏電池自身的光電轉(zhuǎn)化效率及大同市所處的地理緯度和氣候條件,借助Ecotect軟件分別對安裝在不同傾斜角度和方位角上的光伏組件的年發(fā)電量進(jìn)行了模擬計(jì)算。通過分析模擬結(jié)果,最終確定了大同市光伏陣列最佳安裝角度的取值范圍,水平傾角范圍為20°~40°,方位角為0°~15°。
根據(jù)最佳安裝角度取值范圍的確定,光伏屋頂這種光伏建筑一體化的應(yīng)用形式將更適合于大同地區(qū)。然而,與荒漠電站相比,在BIPV設(shè)計(jì)過程中,光伏陣列將不可避免的受到周圍高大障礙物或建筑物本身的遮擋。因此,在實(shí)際項(xiàng)目中,光伏陣列安裝角度的確定應(yīng)在考慮最佳安裝角度的基礎(chǔ)上,視具體情況作出合理調(diào)整。
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