基于空間結(jié)構(gòu)視角的屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分析

劉家明, 任洪波, 徐 海

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090; 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司, 江蘇 南京 211102)

在人類共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化的大背景下,世界各國(guó)紛紛制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。作為能源轉(zhuǎn)型中的領(lǐng)頭羊,可再生能源呈現(xiàn)持續(xù)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì);雖然其在一次能源中占比僅為3.2%,但其增量占一次能源增長(zhǎng)的30%以上[1]。英國(guó)BP石油公司最新發(fā)布的《BP世界能源展望》預(yù)計(jì),可再生能源將是未來增長(zhǎng)最快的能源,占新增發(fā)電量的40%,在全球發(fā)電中的份額將從2015年的7%上升至2035年的近20%[2]。其中,我國(guó)將是全世界未來20年可再生能源最大的增長(zhǎng)源,其增量超過歐盟與美國(guó)之和。可以預(yù)見,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著變化,煤炭在總能源需求中的份額將從2015年的64%降至2035年的42%;而可再生能源和新能源占比將從12%上升到25%以上。我國(guó)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求,“十三五”期間非化石能源消費(fèi)比重超過15%,明確了我國(guó)未來依托化石能源為主體,大力發(fā)展可再生能源,充分發(fā)揮其補(bǔ)充替代作用的大方向[3]。

作為可再生能源的主力軍以及構(gòu)建多能互補(bǔ)體系的重要一環(huán),太陽(yáng)能光伏發(fā)電被予以重任?！短?yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出,到2020年我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)達(dá)到110 GW,其中分布式光伏為60 GW,占比約54.5%。截至2016年底,我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為77.42 GW,位居全球第一,其中分布式光伏裝機(jī)容量為10.38 GW,占比僅13.4%[4]。由此可見,大型地面電站已無新配額,未來我國(guó)光伏發(fā)展的重心已開始向分布式傾斜[5-6]。

在城市中,廣闊的建筑屋頂是分布式光伏的最佳設(shè)置場(chǎng)所,而建筑屋頂?shù)目衫眯耘c城市空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7-8]。作為空間結(jié)構(gòu)的典型指標(biāo),建筑容積率是指地面上建筑面積與總占地面積的比例。建筑容積率越高,說明樓層較高,建筑面積較大,相應(yīng)用電負(fù)荷也就大,且占地面積偏小,可安裝光伏電池的屋頂面積也相對(duì)偏小。作為空間結(jié)構(gòu)的另一典型指標(biāo),建筑密度是指一定范圍內(nèi)建筑的基底面積與總用地面積的比例。建筑密度越大,建筑的基底面積越大,用于安裝光伏電池的屋頂面積也就越大。此外,城市空間結(jié)構(gòu)也會(huì)影響屋頂光環(huán)境、區(qū)域風(fēng)環(huán)境等,從而影響光伏組件的發(fā)電量。

本文以屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,構(gòu)建了考慮建筑容積率和建筑密度影響的電力供需模型,并針對(duì)不同類型建筑從定量層面進(jìn)行了影響度分析。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型

1.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算

太陽(yáng)輻射是光伏發(fā)電出力的最主要的影響因素。傾角為β的傾斜面,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的計(jì)算公式為

(1)

式中:Hb——法向直射;

Rb——傾斜面與水平面直接輻射之比;

Hd——水平面散射;

ρ——地表反射率,本文取20%;

H——水平面太陽(yáng)總輻射。

Rb的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中:φ——當(dāng)?shù)鼐暥?

δ——太陽(yáng)赤緯;

ω——時(shí)角;

n——一年中從1月1日算起的天數(shù)。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算

在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算過程中,本文主要考慮組件溫度、光照強(qiáng)度、光伏組件效率等影響因素,其計(jì)算公式為

Q=ηSHT[1-0.005(T-25)]

(4)

式中:Q——光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量;

η——光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率;

S——光伏陣列面積;

T——組件溫度。

光伏陣列面積由屋頂面積決定,其計(jì)算公式為

S=S′k

(5)

式中:S′——屋頂面積;

k——光伏板安裝面積比,即屋頂實(shí)際可安裝光伏板面積與整個(gè)屋頂面積的比值。

屋頂面積則取決于建筑面積、建筑容積率和建筑密度,其計(jì)算公式為

(6)

式中:S″——建筑面積;

C——建筑容積率;

p——建筑密度。

1.3 負(fù)荷修正計(jì)算

屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電力首先應(yīng)滿足用戶側(cè)電力需求,剩余電量可上網(wǎng)銷售,不足的部分則從電網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)足。為討論光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響,需要確定用戶的外購(gòu)電量,其計(jì)算公式為

(7)

式中:G——從電網(wǎng)購(gòu)電量;

L——用戶電負(fù)荷。

2 建筑容積率與建筑密度的影響分析

2.1 研究對(duì)象概況

本文所選取的研究對(duì)象為上海地區(qū)3種不同類型建筑,分別為學(xué)校、商場(chǎng)和住宅。這3種建筑的屋頂都安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),用以滿足該建筑電力負(fù)荷,不足部分從電網(wǎng)購(gòu)買。本文分析所涉及的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量受地區(qū)、季節(jié)、輻射強(qiáng)度、溫度等氣象條件的影響。本文以夏季、冬季、過渡季為例分析太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度等氣象特性。圖1為典型日逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與溫度變化曲線。

由圖1可以看出,冬季僅在7點(diǎn)和17點(diǎn)之間有太陽(yáng)輻射,直射輻射和總輻射在中午12點(diǎn)達(dá)到峰值,散射輻射在12點(diǎn)則有所下降,直射輻射強(qiáng)度最大,散射輻射強(qiáng)度最小,水平總輻射強(qiáng)度介于兩者之間。就氣溫而言,冬季溫度有顯著的波動(dòng)性,早上8點(diǎn)溫度最低,14點(diǎn)達(dá)到峰值,然后逐步降低。夏季在早上5點(diǎn)到19點(diǎn)之間有太陽(yáng)輻射,水平總輻射在中午12點(diǎn)達(dá)到峰值,直射輻射較為平緩,散射輻射在11點(diǎn)達(dá)到峰值;數(shù)值上,水平總輻射強(qiáng)度最大,其次為散射輻射強(qiáng)度,直射輻射強(qiáng)度最小。夏季全天氣溫均較高,10點(diǎn)到18點(diǎn)波動(dòng)幅度較小,3點(diǎn)溫度最低。過渡季在早上6點(diǎn)到18點(diǎn)之間有太陽(yáng)輻射,水平總輻射在中午12點(diǎn)達(dá)到峰值,直射輻射在11點(diǎn)達(dá)到峰值,散射輻射在14點(diǎn)達(dá)到峰值。過渡季的溫度變化不是很大,在14點(diǎn)達(dá)到峰值。

圖1 典型日逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與溫度變化曲線

2.2 負(fù)荷修正分析

由于負(fù)荷需求隨著季節(jié)、時(shí)段的變化而變化,針對(duì)所選的學(xué)校、商場(chǎng)和住宅3種建筑,分別按冬季、夏季和過渡季進(jìn)行負(fù)荷修正。各建筑單位面積用電負(fù)荷如圖2,圖3,圖4所示。

由圖2可知,學(xué)校從7點(diǎn)到18點(diǎn)為主要用電時(shí)段,18點(diǎn)到次日7點(diǎn)用電量極小。其用電特性與建筑功能有明顯關(guān)系,7點(diǎn)到18點(diǎn)是學(xué)校上課的時(shí)間,因此用電負(fù)荷大。同時(shí),不同季節(jié)用電負(fù)荷也呈現(xiàn)明顯差異性:夏季最高,過渡季次之,冬季最低。

就光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,其在有光照條件下工作,正午發(fā)電量達(dá)到最高值,并逐步減弱至零。對(duì)比不同季節(jié)可以發(fā)現(xiàn),光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最大值出現(xiàn)在冬季,夏季發(fā)電時(shí)段則較長(zhǎng)。冬季光伏發(fā)電量幾乎能夠滿足全部用電需求,多余電量上網(wǎng)銷售;夏季電負(fù)荷較大,光伏發(fā)電系統(tǒng)僅能起到削減峰值負(fù)荷的作用;過渡季光伏發(fā)電能夠滿足大部分用電需求,不足部分需從電網(wǎng)購(gòu)買。

圖2 學(xué)校單位面積用電負(fù)荷

由圖3可知,由于商場(chǎng)建筑的功能特性,6點(diǎn)至22點(diǎn)為主要用電時(shí)段,24點(diǎn)到次日5點(diǎn)用電量極小。這是由于6點(diǎn)至22點(diǎn)是商場(chǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間,因此用電負(fù)荷大,并且在中午用餐時(shí)間會(huì)出現(xiàn)短暫負(fù)荷降低,22點(diǎn)以后商場(chǎng)停止運(yùn)營(yíng),用電負(fù)荷急劇降低。

同時(shí),不同季節(jié)用電負(fù)荷大小不同,依次為夏季最高,過渡季次之,冬季最低。對(duì)比不同季節(jié),冬季日間光伏發(fā)電量可完全滿足商場(chǎng)電力需求,傍晚后則需從電網(wǎng)購(gòu)買;夏季和過渡季光伏發(fā)電系統(tǒng)僅能起到消減峰值負(fù)荷的作用,全天需要從電網(wǎng)購(gòu)買。

圖3 商場(chǎng)單位面積用電負(fù)荷

由圖4可知,住宅建筑用電負(fù)荷特性與學(xué)校、商場(chǎng)不同。住宅在白天的用電負(fù)荷較小,相反,在夜間的用電負(fù)荷需求較大,特別是早、晚時(shí)段呈現(xiàn)兩個(gè)高峰。

因此,其白天光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量大部分賣給電網(wǎng),而在夜間需要從電網(wǎng)購(gòu)電。從匹配性的角度而言,住宅光伏發(fā)電系統(tǒng)的供需匹配度相對(duì)較弱。

圖4 住宅單位面積用電負(fù)荷分析

2.3 影響分析

根據(jù)前述理論模型,建筑容積率、建筑密度均會(huì)對(duì)光伏發(fā)電量有一定的影響。設(shè)定建筑密度分別為30%,40%,50%這3種情景,繪制學(xué)校、商場(chǎng)、住宅在不同容積率情況下的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)單位面積發(fā)電量曲線如圖5所示,并與各建筑用電負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比,從而定量分析建筑容積率和建筑密度對(duì)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。

由圖5可知,光伏發(fā)電系統(tǒng)單位面積發(fā)電量隨容積率的增加而逐漸減小,并存在一個(gè)臨界容積率,使得光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量等于用電負(fù)荷。以學(xué)校為例,當(dāng)建筑密度為30%,40%,50%時(shí),所對(duì)應(yīng)的臨界容積率最大分別為32%,43%,53%。

此外,由圖5還可以看出,當(dāng)容積率一定時(shí),建筑密度越大,單位面積發(fā)電量越高。對(duì)于不同功能建筑而言,為滿足其用電需求,電力負(fù)荷較大的建筑對(duì)應(yīng)的臨界容積率應(yīng)越小。

圖5 容積率與光伏發(fā)電系統(tǒng)單位面積發(fā)電量的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文以屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過需求側(cè)和供給側(cè)的建模分析,對(duì)不同建筑、不同季節(jié)進(jìn)行模擬演算,分析了建筑容積率和建筑密度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響。通過數(shù)值分析,可得到如下結(jié)論。

(1) 針對(duì)不同季節(jié)而言,光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電峰值在冬季達(dá)到最大值。對(duì)于不同建筑而言,學(xué)校和商場(chǎng)用電負(fù)荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電特性同步,而住宅與之相反,可利用儲(chǔ)能手段優(yōu)化供需平衡。

(2) 隨著建筑容積率的提高,光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量逐漸降低;并存在一個(gè)臨界值,當(dāng)容積率小于該值時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量在總量上能完全滿足用戶的用電需求。