基于Ecotect的太陽能光伏外遮陽結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

陳海飛，王韻杰，蔡寶瑞，邱，楊 潔

（常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的過度消耗，太陽能等可再生能源的利用技術(shù)逐漸成為人們的研究熱點。在我國能源消耗總量中，建筑能耗占比較高。利用太陽能等可再生能源替代傳統(tǒng)能源，并將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，對解決能源危機和環(huán)境污染具有重要意義[1]～[4]。

近年來，學(xué)者們對光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑耦合時的采光效果進行了大量研究。Jinqing Peng提出了一種基于c-Si的建筑集成光伏層壓板，與透明玻璃窗相比，該壓板結(jié)構(gòu)可以在一定程度上減少眩光現(xiàn)象的發(fā)生[5]。Yanyi Sun將4種類型的光伏電池集成到光伏窗上，通過研究發(fā)現(xiàn)，晶體硅電池和CCPC光學(xué)器件集成的窗體能夠提高太陽光的可用性[6]。James Bambara為了提高光伏園藝照明系統(tǒng)的照明效率，在采用輔助照明的溫室屋頂上安裝了半透明光伏電池板，并通過分析發(fā)現(xiàn)，半透明光伏屋頂可以滿足溫室的所有電力需求[7]。Qingdong Xuan設(shè)計了一種新型聚光光伏/采光窗，通過實驗發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備不僅可以改善建筑物內(nèi)部的視覺舒適性，還可以避免正午時建筑物內(nèi)部溫度過高的情況[8]。

除了光伏結(jié)構(gòu)的采光性能，光伏結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能也是研究的重點。韓嬌陽對光伏窗進行了歸類整理，從熱電性能角度提出了系統(tǒng)優(yōu)化的意見[9]。梁曉磊通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同送風系統(tǒng)和送風溫度對非晶硅光伏窗的熱電性能具有一定的影響[10]。時竹星對不同類型的光伏窗進行對比發(fā)現(xiàn)，雙層自然通風光伏外窗的熱電性能顯著[11]。周源基于光伏電池的光電特性及建筑施工的要求對光伏電池進行研究，研究結(jié)果對提高光伏發(fā)電效率、降低施工初投資具有重要意義[12]。Hyuna Kang基于PV面板類型和太陽能跟蹤方法，簡化了太陽能光伏百葉窗的安裝方法，并提出了在建筑南向窗戶上安裝太陽能光伏百葉窗的最佳方案[13]。

綜上可知，很多專家學(xué)者對應(yīng)用于建筑中的光伏結(jié)構(gòu)的光電性能等方面進行了大量研究，但對外置光伏遮陽結(jié)構(gòu)采光性能的研究較少。本文基于Ecotect軟件研究了外置光伏板的采光、發(fā)電性能，并提出一種光伏百葉結(jié)構(gòu)，通過自身傾角（AOB）、窗 墻 比（WWR）和 透 明 度 等 的 變 化，探 究了最佳的采光、發(fā)電性能。

1 數(shù)值模型

本文選取了南京地區(qū)的某個房間作為研究對象，房間的長度為6 m，寬度為4 m，高度為3.5 m，窗戶標高為900 mm。以12月21日14:00符合CIE標準的全陰天為最不利工況，將全年每天08:00-18:00設(shè)為全天時間，室內(nèi)參考平面標高為750 mm。

圖1為外置光伏板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 外置光伏板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the external photovoltaic panel structure

圖2 帶有外置光伏板的模擬房間示意圖Fig.2 Schematic diagram of a simulated room with external photovoltaic panels

圖3為光伏百葉結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 光伏百葉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of photovoltaic shutter structure

圖4為帶有光伏百葉結(jié)構(gòu)的模擬房間示意圖。

圖4 帶有光伏百葉結(jié)構(gòu)的模擬房間示意圖Fig.4 Schematic diagram of a simulated room with photovoltaic shutters

地板、天花板等材料的屬性如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

本文利用Ecotect軟件和Radiance軟件協(xié)作交互，研究了外置光伏板和光伏百葉結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)變化，對室內(nèi)采光質(zhì)量和發(fā)電量的影響。對室內(nèi)采光質(zhì)量進行分析的依據(jù)分別為自然采光系數(shù)（DF）和全自然采光時間比（DA）。自然采光系數(shù)是指在全陰天天空漫反射光照條件下，室內(nèi)給定平面上某點處由天空漫反射產(chǎn)生的光照度與室外無遮擋時由天空漫反射產(chǎn)生的光照度的比值。全自然采光時間比是指室內(nèi)僅依靠自然采光即可滿足最小光照度要求的時間比。

2 外置光伏板采光結(jié)果分析與討論

2.1 長度和AOB的變化對DF的影響

本節(jié)研究了在最不利工況下（外置光伏板透明度為0.6，WWR為0.285），外置光伏板長度和AOB的變化對DF的影響。

圖5為不同AOB情況下，DF隨外置光伏板長度的變化情況。

圖5 不同AOB情況下，DF隨外置光伏板長度的變化情況Fig.5 Changes in DF with the length of the external photovoltaic panel in case of different AOB

由圖5可知，不同AOB情況下，隨著外置光伏板長度的增加，DF整體呈下降趨勢，且下降超過0.5%，這是因為在全陰天條件下，外置光伏板遮擋一部分進入室內(nèi)的光線，外置光伏板的長度越長，遮擋的光線越多、DF越小。

圖6為不同外置光伏板長度情況下，DF隨外置光伏板AOB的變化情況。

圖6 不同外置光伏板長度情況下，DF隨外置光伏板AOB的變化情況Fig.6 Changes in DF with the AOB of the external photovoltaic panel in case of different lengths of external photovoltaic panel

由圖6可知，不同外置光伏板長度情況下，隨著外置光伏板AOB的增大，DF整體呈下降趨勢。這是由于在全陰天條件下，外置光伏板AOB的增大，大幅度降低玻璃窗戶直接接觸光線的面積，導(dǎo)致DF隨之變小。當外置光伏板AOB為0～30 °時，光線損失比例較為大；當外置光伏板AOB為30～45°時，DF下 降 速 度 較 為 緩 慢。由 圖5，6還 可以看出，外置光伏板長度對DF影響較大。

圖7為外置光伏板長度不同情況下，外置光伏板AOB為30°時DF的模擬效果圖。由圖可知，外置光伏板長度分別為40，60 cm和80 cm時，DF在1.5%～15%內(nèi)分布。從中心斑點面積的變化趨勢可以看出，外置光伏板長度的變化對室內(nèi)光線分布的影響較大。隨著外置光伏板長度的增加，DF等值線不斷縮小，室內(nèi)相同采光系數(shù)區(qū)域變小，室內(nèi)采光質(zhì)量變差。

圖7 外置光伏板長度不同情況下，外置光伏板AOB為30 °時DF的模擬效果圖Fig.7 The simulation effect diagram of DF when the AOB of the external photovoltaic panel is 30 ° in case of different lengths of external photovoltaic panel

2.2 長度和AOB的變化對DA的影響

本節(jié)主要研究了在全年時間和最小光照度要求（以下簡稱為采光限度）為400 lux的情況下，當WWR為0.285，透明度為0.6時，外置光伏板長度和AOB的變化對DA的影響。

圖8為不同AOB情況下，DA隨外置光伏板長度的變化情況。

圖8 不同AOB情況下，DA隨外置光伏板長度的變化情況Fig.8 Changes in DA with the length of the external photovoltaic panel in case of different AOB

由圖8可知，不同AOB情況下，隨著外置光伏板長度的增加，DA整體上呈下降趨勢，當外置光伏板長度增加至60 cm后，DA的下降趨勢略有減緩。這是因為外置光伏板長度的增加，加劇了對光線的遮擋作用，降低了室內(nèi)采光質(zhì)量，進而降低了房間的DA。

圖9為不同外置光伏板長度情況下，DA隨外置光伏板AOB的變化情況。

圖9 不同外置光伏板長度情況下，DA隨外置光伏板AOB的變化情況Fig.9 Changes in DA with the AOB of the external photovoltaic panel in case of different lengths of external photovoltaic panel

由圖9可知，不同外置光伏板長度情況下，隨著外置光伏板AOB的增大，DA呈下降趨勢，但下降趨勢較為緩慢。這是由于外置光伏板AOB的增大，降低了光線直接反射到玻璃窗戶上的面積比例。外置光伏板長度越長，AOB對DA的影響越大，當外置光伏板長度為80 cm時，影響最大，DA下降了近5%。由圖8，9還可以看出，外置光伏板的長度對DA影響較大。

2.3 室內(nèi)采光限度值和WWR的變化對DA的影響

本文模擬研究了全年時間內(nèi)，當外置光伏板長度為60 cm，AOB為30°，透明度為0.6時，室內(nèi)采光限度值和WWR對DA的影響情況。

圖10為不同WWR情況下，DA隨室內(nèi)采光限度值的變化情況。

圖10 不同WWR情況下，DA隨室內(nèi)采光限度值的變化情況Fig.10 Changes in DA with indoor lighting limit value in case of different WWR

由圖10可知，不同WWR情況下，隨著室內(nèi)采光限度值的提高，DA呈下降趨勢。當室內(nèi)采光限度值小于300 lux，WWR＞0.23時，室內(nèi)僅依靠自然采光達到最小光照度要求的時間占總?cè)照?0%以上。當WWR=0.34時，室內(nèi)采光限度值波動約25%，這表明增大WWR可以提高室內(nèi)采光效果。

圖11為不同室內(nèi)采光限度值情況下，DA隨WWR的變化情況。

圖11 不同室內(nèi)采光限度值情況下，DA隨WWR的變化情況Fig.11 Changes in DA with WWR in case of different indoor lighting limit value

由圖11可知，不同室內(nèi)采光限度值情況下，隨著WWR的增大，DA呈上升趨勢。當WWR＞0.32時，DA的增長速度減緩。增大WWR有助于增強室內(nèi)自然采光，但在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮WWR增大引起的建筑能耗。對于室內(nèi)采光限度值小于300 lux的房間，增大WWR，對于室內(nèi)采光效果的提升并不顯著，DA增幅低于10%；對于室內(nèi)采光限度值較高的房間，增大WWR，可以顯著提升室內(nèi)采光效果。

圖12為不同WWR情況下，室內(nèi)采光限度值為400 lux時DA的模擬效果圖。由圖可知，室內(nèi)采光效果會隨著WWR的增大而變好。這是由于WWR越大，進入房間的光線越多，整個房間的采光效果越好。

圖12 不同WWR情況下，室內(nèi)采光限度值為400 lux時DA的模擬效果圖Fig.12 The simulation effect diagram of DA when the indoor lighting limit value is 400 lux in case of different WWR

2.4 AOB的變化對全年發(fā)電量的影響

本節(jié)模擬研究了全年時間內(nèi)，當外置光伏板長度為60 cm，材質(zhì)為不透明單晶硅時，外置光伏板AOB的變化對發(fā)電量的影響。

圖13為不同AOB情況下，外置光伏板發(fā)電量隨月份的變化情況。

圖13 不同AOB情況下，外置光伏板發(fā)電量隨月份的變化情況Fig.13 Changes in power generation by month in case of different AOB

由圖13可知，不同的AOB情況下，外置光伏板全年發(fā)電量不同。當AOB為15°時，外置光伏板全年發(fā)電效果最好，總發(fā)電量為79.247 kW·h。當AOB為90°時，外置光伏板與窗戶平行，此時，外置光伏板發(fā)電效果最差，這說明外置光伏板平行于窗戶時，其發(fā)電效率遠小于帶有斜度的情況。當AOB為15°時，外置光伏板各月的發(fā)電量并不是都大于該月其他AOB情況下的發(fā)電量。例如，1月份，當AOB為15°時，外置光伏板的發(fā)電量小于AOB為30°的情況。因此，若想獲得全年最大發(fā)電量，須要逐月改變外置光伏板的AOB，使其每月的發(fā)電量都能達到最大值，在此情況下，外置光伏板的全年發(fā)電總量會大于79.247 kW·h。

綜合考慮采光的均勻性和外置光伏板的發(fā)電量，本文提出了一種光伏百葉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既能滿足采光要求，又能逐月改變光伏組件的AOB，以獲取最大的全年發(fā)電量。

3 光伏百葉結(jié)構(gòu)采光結(jié)果分析與討論

3.1 光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度和間距的變化對DF的影響

本節(jié)主要研究了在最不利工況下，當WWR為0.285時，光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度和間距的變化對DF的影響。

圖14為不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)間距情況下，DF隨光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化情況。

圖14 不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)間距情況下，DF隨光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化情況Fig.14 Changes in DF with the transparency of photovoltaic louver structure in case of different spacings of photovoltaic louver structure

由圖14可知，不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)間距情況下，隨著光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的增大，DF呈上升趨勢，且升高效果比較顯著。當伏百葉結(jié)構(gòu)透明度為0.2～0.4時，DF的上升趨勢較為明顯。當伏百葉結(jié)構(gòu)透明度為0～0.6時，同一間距下，DF增大了近一倍。

圖15為不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，DF隨光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的變化情況。

圖15 不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，DF隨光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的變化情況Fig.15 Changes in DF with the spacing of photovoltaic louver structure in case of different transparency of photovoltaic louver structure

由圖15可知，在光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度不同的情況下，隨著光伏百葉結(jié)構(gòu)間距逐漸增大，DF呈緩慢上升的變化趨勢。這是由于光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的增大，導(dǎo)致光線直接照射到室內(nèi)面積的比例隨之增大，從而提升了室內(nèi)采光質(zhì)量。由圖14，15還可以看出，光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化對DF影響較大。

圖16為不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，當光伏百葉結(jié)構(gòu)AOB為45°，光伏百葉結(jié)構(gòu)間距為9 cm時，DF的模擬效果圖。由圖可知，從DF的最大值和最小值以及中心斑點面積的變化情況可以清晰地看出，光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化能夠直接影響室內(nèi)光線的分布情況。隨著光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度逐漸增大，DF等值線不斷擴大，室內(nèi)相同采光系數(shù)區(qū)域面積逐漸增大，最終使得室內(nèi)采光質(zhì)量逐漸變好。

圖16 不同光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，光伏百葉結(jié)構(gòu)的AOB為45°，間距為9 cm時，DF的模擬效果圖Fig.16 The simulation effect diagram of DF when the AOB of the photovoltaic louver structure is 45° and the spacing is 9 cm in case of different transparency

3.2 光伏百葉結(jié)構(gòu)間距和透明度的變化對DA的影響

本節(jié)模擬研究了在全年時間內(nèi)，當光伏百葉結(jié)構(gòu)AOB為45°，光伏百葉結(jié)構(gòu)間距和透明度的變化對DA的影響情況。

圖17為不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，DA隨光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的變化情況。

圖17 不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度情況下，DA隨光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的變化情況Fig.17 Changes in DA with the spacing of photovoltaic louver structure in case of different transparency of photovoltaic louver structure

由圖17可知，在光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度不同情況下，隨著光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的增大，DA呈逐漸上升的變化趨勢。但整體的上升趨勢并不明顯，且透明度越大，光伏百葉結(jié)構(gòu)間距的變化對DA的影響越不明顯，這表明增大光伏百葉結(jié)構(gòu)的間距，會使室內(nèi)采光質(zhì)量的提升幅度受到光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的制約。

圖18為在不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)間距情況下，DA隨光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化情況。由圖可知，隨著光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的增大，DA呈逐漸上升的變化趨勢。這是由于增大光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度后，導(dǎo)致光線直接照射在室內(nèi)面積的比例增大，但增長趨勢先快后慢。因此，建議外置光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度不低于0.2。由圖17，18還可看出，光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化對DA影響較大。

圖18 不同的光伏百葉結(jié)構(gòu)間距情況下，DA隨光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的變化情況Fig.18 Changes in DA with the transparency of photovoltaic louver structure in case of different spacings of photovoltaic louver structure

3.3 室內(nèi)采光限度值和WWR的變化對DA的影響

本節(jié)模擬研究了在全年時間內(nèi)，當光伏百葉結(jié)構(gòu)間距為8 cm，AOB為45°時，室內(nèi)采光限度值和WWR的變化對DA的影響。

圖19為不同WWR情況下，DA隨室內(nèi)采光限度值的變化情況。

圖19 不同WWR情況下，DA隨室內(nèi)采光限度值的變化情況Fig.19 Changes in DA with indoor lighting limit value in case of different WWR

由圖19可知，隨著室內(nèi)采光限度值的提高，DA呈逐漸下降的變化趨勢。對于大多數(shù)室內(nèi)最小采光限度值為300 lux的功能房間，當WWR＞0.26時，采用光伏百葉結(jié)構(gòu)，可以依靠自然光滿足70%以上的照明時間。

圖20為不同室內(nèi)采光限度值情況下，DA隨WWR的變化情況。由圖可知，隨著WWR的增大，DA呈逐漸上升的變化趨勢，并在WWR增大到0.32后，增速減緩。對于室內(nèi)采光限度值小于300 lux的房間，WWR的增大，會使DA的增幅小于10%，提升效果并不明顯；當室內(nèi)采光限度值增大時，WWR的增大可帶來顯著的采光收益。此時，應(yīng)考慮建筑能耗。

圖20 不同室內(nèi)采光限度值情況下，DA隨WWR的變化情況Fig.20 Changes in DA with WWR in case of different indoor lighting limit value

圖21為不同WWR情況下，當室內(nèi)采光限度值為400 lux時，DA的模擬效果圖。

圖21 不同WWR情況下，當室內(nèi)采光限度值為400 lux時，DA的模擬效果圖Fig.21 The simulation effect diagram of DA when the indoor limit value is 400 lux in case of different WWR

由圖21可知，隨著WWR逐漸增大，進入室內(nèi)的太陽光線逐漸增加，室內(nèi)各點的采光差異逐漸縮小，室內(nèi)采光質(zhì)量越來越好。

3.4 AOB的變化對全年發(fā)電量的影響

本節(jié)模擬研究了在全年時間內(nèi)，當WWR為0.285，材質(zhì)為不透明單晶硅時，光伏百葉結(jié)構(gòu)AOB的變化對發(fā)電量的影響。由于當AOB為15°時，光伏百葉結(jié)構(gòu)的全年發(fā)電效果較好，本文對比分析了AOB分別為0°和15°的條件下，光伏百葉結(jié)構(gòu)的發(fā)電量。

圖22為不同AOB情況下，光伏百葉結(jié)構(gòu)發(fā)電量隨月份的變化情況。

圖22 不同AOB情況下，發(fā)電量隨月份的變化Fig.22 Changes in power generation by month in case of different AOB

由圖22可知，夏季，光伏百葉結(jié)構(gòu)的發(fā)電量較低；冬季，光伏百葉結(jié)構(gòu)的發(fā)電量較高，這是由于太陽高位角和光伏百葉結(jié)構(gòu)的遮擋作用造成的。當AOB為15°時，光伏百葉結(jié)構(gòu)全年發(fā)電效果較好，總發(fā)電量為126 755 W·h；當AOB為0°時，外置光伏板與窗戶平行，光伏百葉結(jié)構(gòu)的發(fā)電效果較差，這說明帶有一定斜度的光伏百葉結(jié)構(gòu)的發(fā)電效率高于沒有斜度的光伏百葉結(jié)構(gòu)。

與外置光伏板相似，當AOB為15°時，光伏百葉結(jié)構(gòu)每月的發(fā)電量并不是都大于該月其他AOB情況下的發(fā)電量，若想獲得全年最大發(fā)電量，須要逐月改變光伏百葉結(jié)構(gòu)AOB，使其每月發(fā)電量均達到最大值，即全年發(fā)電總量大于126.755 kW·h。

4 結(jié)論

本文選取了南京地區(qū)某個房間為研究對象，基于Ecotect軟件和Radiance軟件交互協(xié)作，研究了光伏外遮陽的變化對室內(nèi)采光效果和光伏發(fā)電量的影響情況，并綜合考慮采光均勻性與發(fā)電量，提出了一種光伏百葉結(jié)構(gòu)，通過研究得到以下結(jié)論。

①外置光伏板長度和AOB的增大均可使DA和DF有不同程度的降低。與AOB相比，增加外置光伏板長度對于提升DA和DF的效果更好。外置光伏板長度越長，AOB對DA的影響越大，當外置光伏板長度為80 cm時，該影響最大，此時，DF下降了0.5%以上，DA下降了約5%。對于絕大多數(shù)房間，當采用外置光伏板時，適宜的WWR可以使室內(nèi)僅依靠自然采光達到最低室內(nèi)采光限度值要求（300 lux）的時間占比達到70%以上；對于室內(nèi)采光限度值較高的房間，WWR的增大可以顯著提升室內(nèi)采光效果。當外置光伏板AOB為15°時，其發(fā)電量高于AOB為90°的情況。

②光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度和間距的變化均會對DA和DF有不同程度的影響。與光伏百葉結(jié)構(gòu)間距相比，光伏百葉結(jié)構(gòu)透明度的增大對DA和DF具有更大的提升潛力。當光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度為0～0.6時，同一間距下DF的增幅增大了近一倍。光伏百葉結(jié)構(gòu)的透明度越大，其間距的變化對DA的影響效果越不明顯。WWR的增大使DA的增幅小于10%；當室內(nèi)采光限度值增大時，WWR的增大將會帶來顯著的采光收益。

③與外置光伏板結(jié)構(gòu)相比，在滿足基本采光要求的情況下，當光伏百葉結(jié)構(gòu)AOB為15°時，其全年發(fā)電量均高于AOB為90°的情況。此外，光伏百葉結(jié)構(gòu)既能滿足采光要求，又能逐月改變AOB值，以獲取全年最大發(fā)電量。