以廣州市為例的城市建筑屋頂光伏利用潛力的多元評(píng)價(jià)

陳子龍，王 芳，馮艷芬

(廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

太陽(yáng)能利用是實(shí)現(xiàn)城市新能源發(fā)展、促進(jìn)節(jié)能減排的重要手段，其中，利用城市建筑屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)是城市太陽(yáng)能利用的主要方式，對(duì)降低建筑能耗、提高城市可持續(xù)能源利用率、促進(jìn)城市的低碳能源發(fā)展均具有重要作用[1]。因此，科學(xué)開(kāi)展城市建筑屋頂光伏利用潛力評(píng)價(jià)顯得尤為重要，屋頂光伏有效利用面積估算則是評(píng)價(jià)城市建筑屋頂光伏利用潛力的重點(diǎn)。如何提高建筑屋頂光伏有效利用面積估算的精度已成為屋頂光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑屋頂?shù)墓夥行Ю妹娣e估算及光伏利用潛力評(píng)價(jià)已開(kāi)展了大量研究。比如，文獻(xiàn)[3-8]通過(guò)利用人口、土地及建筑等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)建筑屋頂?shù)挠行Ю妹娣e進(jìn)行了估算。其中：WIGINTON等[3]利用人口數(shù)據(jù)估算人均屋頂面積后，對(duì)建筑屋頂光伏利用潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；IZQUIERDO等[4]通過(guò)將人口、建筑物數(shù)量和土地利用等統(tǒng)計(jì)信息與經(jīng)驗(yàn)占比系數(shù)相結(jié)合估算了可用的屋頂面積，并評(píng)價(jià)了建筑屋頂光伏利用潛力；RODRIGUEZ等[5]提出根據(jù)總屋頂面積及按照城市分類(lèi)確定的利用系數(shù)來(lái)估算光伏發(fā)電系統(tǒng)的可利用屋頂面積。

為了進(jìn)一步提高估算精度，文獻(xiàn)[9-11]引入了利用率與影響因素來(lái)進(jìn)行屋頂光伏有效利用面積的估算。其中：國(guó)際能源署(IEA)[9]使用地基面積與屋頂和立面總面積之比所確定的利用率，對(duì)歐洲的建筑屋頂光伏有效利用面積進(jìn)行了估算；PENG等[10]使用總屋頂面積與總占地面積之比將占地面積轉(zhuǎn)換為總屋頂面積，然后通過(guò)分析日光適應(yīng)性和建筑適應(yīng)性因素，估算了中國(guó)香港地區(qū)的建筑屋頂光伏有效利用面積。

隨著地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，文獻(xiàn)[1-2，12-19]研究了基于遙感影像及相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提取建筑屋頂?shù)奶卣餍畔?，為提高建筑屋頂光伏利用潛力評(píng)價(jià)的精度提供了新方法。其中：李勇[12]提出利用高性能計(jì)算技術(shù)和有效的數(shù)據(jù)分塊方案，基于航空立體影像獲取的數(shù)字地表模型(DSM)數(shù)據(jù)作為太陽(yáng)輻射模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提取了建筑屋頂?shù)奶卣餍畔?，?duì)不同類(lèi)型的建筑屋頂進(jìn)行了光伏利用潛力分析；BERGAMASCO等[13]利用航空影像，并考慮陰影遮擋后，提高了屋頂可利用面積的估算精度；KO等[2]利用建筑高度數(shù)據(jù)進(jìn)行了建筑陰影分析，從而可以更精確地得出可利用的建筑屋頂面積，并以此評(píng)價(jià)了中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的建筑屋頂光伏利用潛力。

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，影響城市建筑屋頂光伏有效利用面積估算的因素非常多，在研究方法和影響因素分析方面仍有待進(jìn)一步探索，以提高估算精度。因此，本研究以廣州市為研究區(qū)域，利用城市建筑物的矢量數(shù)據(jù)，從物理潛力、地理潛力和技術(shù)潛力這3個(gè)方面開(kāi)展了城市建筑屋頂光伏利用潛力多元評(píng)價(jià)的研究。研究中引入了建筑陰影遮擋和植被遮擋概念以提高屋頂光伏有效利用面積的估算精度，并通過(guò)仿真軟件對(duì)安裝于建筑屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的最佳安裝傾角和前后排光伏陣列的最佳間距進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而估算出城市建筑屋頂光伏利用的發(fā)電潛力，以期為安裝于城市建筑屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃和發(fā)展提供方法探索和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域的概況和研究方法

1.1 研究區(qū)域的概況

廣州市地處我國(guó)南部地區(qū)、位于廣東省南部。廣州市全市共下轄11個(gè)區(qū)，總面積為7434 km2，建成區(qū)面積為1249.11 km2。2019年，廣州市常住人口為1530.59萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口為1323.34萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到86.46%[20-21]。

龐大的城市建筑數(shù)量和集聚的人口使廣州市成為用電需求量極高的城市。2019年，廣州市的年用電量達(dá)到了1005.58億kWh[21]。隨著光伏建筑一體化逐漸興起，采用分布式光伏發(fā)電方式的光伏智能建筑勢(shì)必將成為類(lèi)似于廣州市這種大城市建筑形式的發(fā)展趨勢(shì)，并且此種建筑形式能進(jìn)一步推動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中的應(yīng)用。

1.2 研究方法

1.2.1 光伏利用的物理潛力

光伏利用的物理潛力是指太陽(yáng)能量所到達(dá)目標(biāo)地面的總和，可由太陽(yáng)輻射量模型來(lái)表達(dá)。

給定位置的總直接太陽(yáng)輻射量Dirtot是所有太陽(yáng)圖扇區(qū)中直接太陽(yáng)輻射量Dirθ,α(質(zhì)心位于天頂角θ和太陽(yáng)方位角α交點(diǎn)處)的總和，其表達(dá)式為：

Dirθ,α可表示為：

式中：SConst為地球與太陽(yáng)之間平均距離處大氣層外的太陽(yáng)通量，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)，本研究取1367 W/m2，這與世界輻射數(shù)據(jù)中心(WRDC)太陽(yáng)常數(shù)保持一致；β為最短路徑(朝向天頂?shù)姆较?的大氣層透射率(所有波長(zhǎng)的平均值)；m(θ)為相對(duì)的光路徑長(zhǎng)度；SunDurθ,α為以質(zhì)心位于θ與α交點(diǎn)處的天空扇區(qū)表示的持續(xù)時(shí)間；SunGapθ,α為質(zhì)心位于θ與α交點(diǎn)處的太陽(yáng)圖扇區(qū)的孔隙度；AngInθ,α為天空扇區(qū)中位于θ與α交點(diǎn)處的質(zhì)心與表面的法線軸之間的入射角，(° )。

1.2.2 光伏利用的地理潛力

光伏利用的地理潛力是指能夠得到足夠太陽(yáng)輻射量的屋頂空間的可用性，即估算可用于安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂有效利用面積。

1)建筑的陰影遮擋分析。在非城市環(huán)境中，建筑周?chē)鷰缀鯖](méi)有障礙，而在高樓林立的城市地區(qū)，建筑會(huì)受到周?chē)鷺怯畹年幱罢趽?。建筑陰影遮擋分析是針?duì)建筑屋頂因受到周?chē)鷺怯铌幱罢趽醵绊懫浣邮仗?yáng)輻射的光伏有效利用面積的分析。該分析由Hillshade模型來(lái)完成，需要考慮建筑高度等因素，先要根據(jù)建筑物標(biāo)高計(jì)算山體陰影(Hillshade)值；而計(jì)算輸出柵格中每個(gè)像元的Hillshade值，則需要知道太陽(yáng)的高度角和α值[1]。

Hillshade模型可表示為：

式中：Zenithrad為太陽(yáng)天頂角的弧度數(shù)，rad；Sloperad為某一點(diǎn)的坡度弧度數(shù)，rad；Azimuthrad為太陽(yáng)光線方向角的弧度數(shù)，rad；Aspectrad為某一點(diǎn)的坡向弧度數(shù)，rad。

2)植被遮擋分析。在城市環(huán)境中，低矮的建筑被其周邊高大植被遮擋的情況很容易被忽視，為了更加精確地估算建筑屋頂?shù)墓夥行Ю妹娣e，植被遮擋分析十分必要。植被遮擋分析是指因植被遮擋從而對(duì)屋頂接收的太陽(yáng)輻射產(chǎn)生影響的分析，主要通過(guò)歸一化植被指數(shù)(NDVI)分析得到的植被覆蓋度來(lái)體現(xiàn)，計(jì)算得到的NDVI為像元NDVI值。

NDVI的計(jì)算式為：

式中：NIR為近紅外波段的反射值；R為紅外波段的反射值。

本文中NDVI值的取值范圍為-1≤NDVI≤1，其中：NDVI為負(fù)值時(shí)，表示地面覆蓋為云、水、雪等；NDVI為零時(shí)，表示有巖石或祼土等；NDVI為正值時(shí)，表示有植被覆蓋，且此時(shí)NDVI值越高，說(shuō)明植被覆蓋度越高。像元植被覆蓋度f(wàn)v是指混合像元中植被所占像元的百分比，其表達(dá)式為：

式中：NDVIv和NDVI0分別為純植被和純裸土?xí)r的NDVI值，本文以研究區(qū)域中NDVI值的最大值和最小值分別作為NDVIv和NDVI0的值[22]。

1.2.3 光伏利用的技術(shù)潛力

光伏利用的技術(shù)潛力是指光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝技術(shù)及光伏組件的發(fā)電量潛力。此方面的潛力需要從光伏組件的最佳安裝傾角、前后排光伏陣列的最佳間距、光伏組件傾斜面上接收的太陽(yáng)輻射量和光伏組件發(fā)電量這幾個(gè)方面進(jìn)行分析計(jì)算。

1)光伏組件最佳安裝傾角的確定?？衫霉交蚍抡孳浖M得到光伏組件的最佳安裝傾角。當(dāng)采用公式計(jì)算時(shí)，可通過(guò)計(jì)算光伏組件傾斜面上接收的最大年太陽(yáng)輻射量來(lái)確定光伏組件的最佳安裝傾角。而采用PVsyst 6.4.3仿真軟件模擬光伏組件的最佳安裝傾角時(shí)，可通過(guò)調(diào)整光伏組件安裝傾角的度數(shù)，使轉(zhuǎn)位系數(shù)(transposition factor，TF)和集電平面全局(global on collector plane)這2個(gè)參數(shù)達(dá)到最大，使最佳損耗(loss by respect to optimum)為0%，此時(shí)得到的光伏組件安裝傾角即為光伏組件的最佳安裝傾角。

2)前后排光伏陣列最佳間距的計(jì)算。根據(jù)光伏組件最佳安裝傾角，采用GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]中規(guī)定的保證冬至日當(dāng)天09:00-15:00(當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí))時(shí)段內(nèi)前、后排光伏組件互不遮擋的最小間距公式來(lái)計(jì)算前后排光伏陣列的最佳間距。

前后排光伏陣列最佳間距D的表達(dá)式為：

式中：L為光伏陣列傾斜面的長(zhǎng)度，m；γ為光伏陣列的傾角(即光伏組件的最佳安裝傾角)，(° )；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋?° )。

3)光伏組件傾斜面上每小時(shí)接收的太陽(yáng)輻射量Gtt的計(jì)算。

Gtt可表示為：

式中：Gbt為光伏組件傾斜面每小時(shí)接收的直射太陽(yáng)輻射量，MJ/m2；Gdt為光伏組件傾斜面每小時(shí)接收的漫射太陽(yáng)輻射量，MJ/m2；Gr為光伏組件傾斜面每小時(shí)反射的太陽(yáng)輻射量，MJ/m2。

4)光伏組件發(fā)電量的計(jì)算。根據(jù)GB 50797—2012[23]中第6.6條的規(guī)定，計(jì)算光伏組件發(fā)電量。

光伏組件發(fā)電量Ep的計(jì)算式為：

式中：HA為光伏組件水平面接收的總太陽(yáng)輻照量，kWh/m2；PAz為光伏組件的安裝容量，kWp；Es為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽(yáng)輻照度，為常數(shù)，取1 kW/m2；K為綜合效率系數(shù)。

2 城市建筑屋頂光伏利用潛力分析

根據(jù)廣州市的行政區(qū)劃及其地理區(qū)位特點(diǎn)，將廣州市整體劃分為5大區(qū)域進(jìn)行分析。其中：將越秀區(qū)、海珠區(qū)、荔灣區(qū)、天河區(qū)、白云區(qū)5個(gè)中心城區(qū)定義為廣州市區(qū)，作為1個(gè)區(qū)域分析；將番禺區(qū)和南沙區(qū)劃分為1個(gè)區(qū)域分析；將增城區(qū)和黃埔區(qū)劃分為1個(gè)區(qū)域分析；從化區(qū)和花都區(qū)均單獨(dú)作為1個(gè)區(qū)域分析。

2.1 光伏利用的物理潛力分析

根據(jù)WRDC的數(shù)據(jù)，對(duì)2010-2015年廣州市的月太陽(yáng)輻射量、不同季節(jié)太陽(yáng)輻射量和年總太陽(yáng)輻射量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2010-2015年廣州市不同季節(jié)時(shí)的太陽(yáng)輻射量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1可以看出，在1年的4個(gè)季節(jié)中，廣州市的太陽(yáng)輻射量主要集中在夏、秋兩季，而冬季的太陽(yáng)輻射量比春季的高，這主要是因?yàn)閺V州市的地理位置使其春季時(shí)的太陽(yáng)輻射量較少。2010-2015年期間，廣州市的年太陽(yáng)輻射量在3943.35～5007.85 MJ/m2之間。

表1 2010-2015年廣州市不同季節(jié)時(shí)的太陽(yáng)輻射量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of solar radiation in Guangzhou in different season from 2010 to 2015

利用ArcMap 10.2軟件對(duì)2010-2015年廣州市5大區(qū)域的太陽(yáng)輻射量進(jìn)行計(jì)算，得到了這6年間廣州市5大區(qū)域的月均太陽(yáng)輻射量和月均日照小時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，廣州市5大區(qū)域的月均太陽(yáng)輻射量最大值均出現(xiàn)在7月，高達(dá)507～553 MJ/m2；而最小值均出現(xiàn)在2月，只有215～247 MJ/m2。廣州市5大區(qū)域的月均太陽(yáng)輻射量在215～553 MJ/m2之間，最大值與最小值都出現(xiàn)在廣州市南部地區(qū)的番禺區(qū)和南沙區(qū)，而最大值出現(xiàn)在夏季、最小值出現(xiàn)在春季，這是因?yàn)榉畢^(qū)和南沙區(qū)毗鄰珠江口，夏季時(shí)晴天多，陽(yáng)光充足，而春季時(shí)雨水多，陽(yáng)光較少。通過(guò)分析廣州市5大區(qū)域的年均太陽(yáng)輻射量可以發(fā)現(xiàn)，廣州市的總太陽(yáng)輻射量在地域上呈現(xiàn)南多北少的趨勢(shì)。

從表2還可以看出，廣州市5大區(qū)域的年均日照小時(shí)數(shù)在1773.4～1938.2 h之間，基本上呈現(xiàn)從東南區(qū)域向西北區(qū)域遞減的趨勢(shì)。但廣州市區(qū)是廣州市全市中日照小時(shí)數(shù)相對(duì)較低的區(qū)域，這是因?yàn)槭袇^(qū)的大氣污染較嚴(yán)重，霾、霧、煙、塵較多，降低了該區(qū)域的日照小時(shí)數(shù)。從5大區(qū)域1年中的日照小時(shí)數(shù)分配情況來(lái)看，月均日照小時(shí)數(shù)最小值出現(xiàn)在3月，只有68.5～86.4 h，這主要是因?yàn)?月時(shí)廣州市正處于陰雨時(shí)節(jié)，大氣透明度差，中、低云層時(shí)常布滿天空；而月均日照小時(shí)數(shù)最大值出現(xiàn)在7月，范圍為216.2～236.2 h。

表2 2010-2015年期間，廣州市5大區(qū)域的月均太陽(yáng)輻射量和月均日照小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics results of monthly average solar radiation and monthly average sunshine hours in five regions of Guangzhou between 2010 and 2015

2.2 光伏利用的地理潛力分析

光伏利用的地理潛力分析主要包括建筑屋頂總面積估算、建筑陰影遮擋分析、不可利用屋頂面積估算、植被遮擋分析，以及建筑屋頂光伏有效利用面積估算。

2.2.1 廣州市建筑屋頂總面積的估算

廣州市建筑屋頂總面積的估算是基于百度地圖的應(yīng)用程序接口(API)下載的廣州市建筑物輪廓矢量數(shù)據(jù)(2018年)。由于所獲取的建筑物輪廓矢量數(shù)據(jù)實(shí)際為建筑物的占地面積，因此本研究根據(jù)文獻(xiàn)[8]引入屋頂面積利用系數(shù)，取值為0.86，通過(guò)ArcMap 10.2軟件的幾何計(jì)算，可得出廣州市建筑屋頂總面積約為12050.59×104m2。其中：廣州市區(qū)的建筑屋頂總面積約為7769.25×104m2；番禺區(qū)和南沙區(qū)的建筑屋頂總面積約為2015.06×104m2；增城區(qū)和黃埔區(qū)的建筑屋頂總面積約為1785.55×104m2；從化區(qū)的建筑屋頂總面積約為39.8×104m2；花都區(qū)的建筑屋頂總面積約為440.93×104m2。

2.2.2 建筑陰影遮擋分析

選取1年中4個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)(春分、夏至、秋分、冬至)，將1天中的06:00-18:00分為4個(gè)時(shí)段，并選取06:00-09:00中的08:00、09:00-12:00中的11:00、12:00-15:00中的14:00及15:00-18:00中的17:00進(jìn)行建筑陰影遮擋分析。該過(guò)程需要考慮到太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角，以及轉(zhuǎn)換因子z等因素。z用于調(diào)整水平單位與垂直單位的測(cè)量單位，由于測(cè)量單位相同，因此z取默認(rèn)值1。廣州市重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。通過(guò)Hillshade模型對(duì)廣州市的建筑物柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑陰影遮擋分析，共進(jìn)行16次分析，具體如圖1所示。

表3 廣州市重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics results of solar altitude and solar azimuth at important time nodes in Guangzhou

圖1 建筑陰影遮擋分析圖Fig. 1 Analysis drawing of building shadow occlusion

從圖1可以分析得出廣州市建筑物受陰影遮擋影響的分布情況，分析結(jié)果展示如圖2所示。

圖2 廣州市建筑物受陰影遮擋影響的分析結(jié)果Fig. 2 Analysis results of buildings affected by shadow occlusion in Guangzhou

通過(guò)分析圖2可知，廣州市受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為1670.76×104m2，約占建筑屋頂總面積的13%。其中：廣州市區(qū)受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為1060.95×104m2；從化區(qū)受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為6282.40 m2；花都區(qū)受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為19.32×104m2；增城區(qū)和黃埔區(qū)受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為367.42×104m2；番禺區(qū)和南沙區(qū)受建筑陰影遮擋影響的屋頂面積約為222.45×104m2。

2.2.3 不可利用屋頂面積的估算

冬至日09:00-15:00之間日照小時(shí)數(shù)小于3 h的建筑屋頂屬于不滿足日照小時(shí)數(shù)條件的屋頂，可稱(chēng)為不可利用屋頂[18]。廣州市不滿足日照小時(shí)數(shù)條件的屋頂分布情況如圖3所示。

圖3 廣州市不滿足日照小時(shí)數(shù)條件的建筑屋頂分布情況Fig. 3 Distribution of building roofs in Guangzhou that do not meet conditions of sunshine hours

通過(guò)ArcMap 10.2軟件可計(jì)算出廣州市不可利用屋頂面積約為140.82×104m2。其中：廣州市區(qū)不可利用屋頂面積約為105.78×104m2；從化區(qū)不可利用屋頂面積約為6958.94 m2；花都區(qū)不可利用屋頂面積約為47953.71 m2；增城區(qū)和黃埔區(qū)不可利用屋頂面積約為15.97×104m2；番禺區(qū)和南沙區(qū)不可利用屋頂面積約為13.58×104m2。

2.2.4 植被遮擋分析

進(jìn)行植被遮擋分析，需要先對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯，然后計(jì)算NDVI值，最后計(jì)算植被覆蓋度。

植被覆蓋度小于10%時(shí)屬于極低覆蓋度，介于10%～30%時(shí)屬于低覆蓋度，介于30%～45%時(shí)屬于中低覆蓋度，介于45%～60%時(shí)屬于中高覆蓋度，大于60%時(shí)屬于高覆蓋度[24]。植被覆蓋度越高，說(shuō)明植被生長(zhǎng)狀況和生長(zhǎng)趨勢(shì)越好，越會(huì)遮擋低矮建筑屋頂?shù)年?yáng)光。植被覆蓋度與植被結(jié)構(gòu)參數(shù)存在正相關(guān)性，若植被結(jié)構(gòu)參數(shù)值越高，則屋頂獲得的太陽(yáng)輻射量就越低[25-26]。因此，本研究將植被覆蓋度大于60%的情況認(rèn)定為植被對(duì)屋頂存在遮擋影響。

通過(guò)計(jì)算可得出廣州市NDVI值的范圍在-0.27～0.64之間，進(jìn)一步計(jì)算植被覆蓋度高于60%的高度覆蓋部分，得出最終廣州市的植被遮擋分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 廣州市的植被遮擋分析結(jié)果

通過(guò)ArcMap 10.2軟件可計(jì)算出廣州市受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的總屋頂面積約為89.58×104m2。其中：廣州市區(qū)受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積約為49.22×104m2；從化區(qū)受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積約為1940.50 m2；花都區(qū)受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積約為17214.62 m2；增城區(qū)和黃埔區(qū)受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積約為19.17×104m2，番禺區(qū)和南沙區(qū)受植被遮擋影響無(wú)法安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積約為19.27×104m2。

由于廣州市的樹(shù)木多以高大喬木為主，因此該城市受植被影響較為顯著。如圖4所示，以越秀區(qū)為代表的廣州市區(qū)(如圖中b區(qū)域)的植被主要是沿街分布，且該區(qū)域的建筑物樓層都較高，因此該區(qū)域受植被影響適中；以花都區(qū)(如圖中a區(qū)域)、番禺區(qū)和南沙區(qū)(如圖中c區(qū)域)為代表的區(qū)域，均多以中低層建筑和村莊為主，建筑密度小，且植被分布規(guī)律不顯著，因此這2大區(qū)域受植被影響較大。

2.2.5 建筑屋頂光伏有效利用面積的估算

通過(guò)對(duì)不同季節(jié)的建筑陰影遮擋和植被遮擋進(jìn)行分析，并對(duì)建筑陰影遮擋和植被遮擋重疊部分的面積進(jìn)行處理，綜合計(jì)算得出廣州市可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為10142×104m2。其中：廣州市區(qū)可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為6550.3×104m2；從化區(qū)可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為38.28×104m2；花都區(qū)可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為415.08×104m2；增城區(qū)和黃埔區(qū)可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為1382.09×104m2；番禺區(qū)和南沙區(qū)可安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為1756.24×104m2。

2.3 光伏利用的技術(shù)潛力分析

為了使屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在有限的建筑屋頂光伏有效利用面積內(nèi)能量輸出最大化，必須使用高效光伏組件。鑒于中國(guó)香港地區(qū)的地理位置與廣州市具有相似性，參考針對(duì)中國(guó)香港地區(qū)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿M(jìn)行研究的文獻(xiàn)[10]，本研究采用型號(hào)為STP260S的單晶硅光伏組件作為標(biāo)準(zhǔn)模塊。該光伏組件中單片單晶硅太陽(yáng)電池的尺寸(長(zhǎng)×寬)為156 mm×156 mm，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下的最大功率為260 W；光伏組件的尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為1640 mm×992 mm×35 mm。由于本研究中光伏發(fā)電系統(tǒng)是安裝于民用住宅屋頂，因此單個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量一般不超過(guò)30 kW。

通過(guò)PVsyst 6.4.3仿真軟件模擬得到廣州市屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的最佳安裝傾角為20°、極限遮光角為18.5°，單個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地率為0.51?？紤]到前排光伏陣列可能會(huì)產(chǎn)生局部陰影從而影響到后排光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率，因此利用公式計(jì)算得到前后排光伏陣列的最佳間距為1.94 m。剔除最佳間距內(nèi)不安裝光伏組件的屋頂面積，計(jì)算得到本研究區(qū)域內(nèi)共可安裝光伏組件約3187.7×104塊，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為8288.03 MWp。

若采用單晶硅光伏組件，其光電轉(zhuǎn)換效率取16%；根據(jù)文獻(xiàn)[27]，光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率取0.84。由于廣州市位于北半球，太陽(yáng)方位角默認(rèn)為0°。根據(jù)PVsyst 6.4.3仿真軟件模擬，得到廣州市光伏組件傾斜面上接收的太陽(yáng)輻射量為1217 kWh/m2。經(jīng)計(jì)算得出，廣州市屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為8288.03 MWp時(shí)，其年發(fā)電量約為84.73×108kWh，以每千瓦時(shí)光伏發(fā)電可減少0.997 kg碳排放量計(jì)算，共可減少約844.76×104t碳排放量。其中：廣州市區(qū)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量約為54.72×108kWh，可減少約545.57×104t碳排放量；從化區(qū)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量約為0.32×108kWh，可減少約3.19×104t碳排放量；花都區(qū)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量約為3.47×108kWh，可減少約37.76×104t碳排放量；增城區(qū)和黃埔區(qū)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量約為12.23×108kWh，可減少約121.97×104t碳排放量；番禺區(qū)和南沙區(qū)的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量約為14.67×108kWh，可減少約146.28×104t碳排放量。

3 討論

綜合所有分析結(jié)果來(lái)看，廣州市建筑屋頂光伏利用在夏、秋兩季有較大的物理潛力，且廣州市南部地區(qū)的番禺區(qū)、南沙區(qū)的物理潛力較北部地區(qū)的花都區(qū)、從化區(qū)的大；廣州市中部地區(qū)和南部地區(qū)均有較可觀的地理潛力和技術(shù)潛力。研究結(jié)果顯示，廣州市可用于安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的建筑屋頂光伏有效利用面積約為10142×104m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量約為84.73×108kWh，共可減少約844.76×104t碳排放量。因此，廣州市有較可觀的建筑屋頂光伏利用潛力，合理部署屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠有效促進(jìn)城市的節(jié)能減排，還對(duì)發(fā)展城市光伏智能建筑、改善城市環(huán)境具有積極意義。

目前，本文的研究并未考慮社會(huì)因素及人口和用電需求產(chǎn)生的影響，關(guān)于屋頂?shù)姆治鑫纯紤]屋頂形狀的差異。因此，綜合考慮人口、經(jīng)濟(jì)、屋頂特征參數(shù)等因素，并分析人口密度與建筑的關(guān)系，計(jì)算得到建筑物的用電量需求，進(jìn)而分析屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的供需關(guān)系，是未來(lái)屋頂光伏利用潛力進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文從物理潛力、地理潛力和技術(shù)潛力這3個(gè)方面對(duì)廣州市建筑屋頂光伏利用潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)合總太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)和ArcMap 10.2軟件，分析得出廣州市及其各個(gè)區(qū)域的太陽(yáng)輻射量、日照小時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)；利用Hillshade模型、NDVI值和植被覆蓋度等，對(duì)建筑及植被的陰影遮擋進(jìn)行了分析，并計(jì)算了廣州市的建筑屋頂光伏有效利用面積；同時(shí)，通過(guò)軟件仿真模擬及相關(guān)公式估算得到廣州市安裝的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量。主要結(jié)論如下：

1) 2010-2015年期間，廣州市的年太陽(yáng)輻射量在3943.35～5007.85 MJ/m2之間，屬于太陽(yáng)能資源Ⅲ類(lèi)地區(qū)，呈現(xiàn)自東南區(qū)域向西北區(qū)域遞減的趨勢(shì)。其中：番禺區(qū)和南沙區(qū)位于廣州市南部、毗鄰珠江口，該區(qū)域的年均太陽(yáng)輻射量高達(dá)4687 MJ/m2，是廣州市太陽(yáng)能資源最豐富的區(qū)域；花都區(qū)及從化區(qū)均位于廣州市的北部山區(qū)，該區(qū)域的年均太陽(yáng)輻射量則低至4389 MJ/m2。廣州市的月均太陽(yáng)輻射量及月均日照小時(shí)數(shù)在地域上均存在較明顯的差異，中部和南部地區(qū)的月均太陽(yáng)輻射量和月均日照小時(shí)數(shù)都要高于北部地區(qū)，番禺區(qū)和南沙區(qū)、黃埔區(qū)和增城區(qū)這2大區(qū)域的年均太陽(yáng)輻射量和年均日照小時(shí)數(shù)在總體上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2)建筑密度、建筑高度、植被覆蓋程度及植被分布規(guī)律是影響屋頂光伏利用的地理潛力的關(guān)鍵因素。廣州市區(qū)的建筑密度較大，且高層建筑集中分布，因此受陰影遮擋和日照小時(shí)數(shù)不足的影響較大；位于廣州市北部地區(qū)的從化區(qū)、花都區(qū)，以及位于廣州市南部地區(qū)的番禺區(qū)、南沙區(qū)的建筑密度較小，且高樓較少，因此受陰影遮擋和日照小時(shí)數(shù)不足的影響較小。與廣州市區(qū)相比，北部山區(qū)及南部植被茂密且分布不規(guī)律區(qū)域的植被遮擋影響更顯著。

3)廣州市區(qū)分布有大量商圈、居民樓、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，屬于建筑密集區(qū)，建筑物總體量大，屋頂光伏有效利用面積大，發(fā)電量最多。由于地形原因，從化區(qū)與花都區(qū)的日照小時(shí)數(shù)與太陽(yáng)輻射量不及南部地區(qū)，且建筑密度小，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較少；番禺區(qū)和南沙區(qū)、黃埔區(qū)和增城區(qū)這2大區(qū)域的太陽(yáng)輻射量和日照小時(shí)數(shù)都占據(jù)優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電潛力較大。廣州市北部地區(qū)受地理位置、氣候的影響，屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝難度和成本較高，而中部地區(qū)和南部地區(qū)影響屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的因素較少。

總體來(lái)看，廣州市的建筑屋頂光伏利用在夏、秋兩季有較大的物理潛力，且廣州市南部地區(qū)的番禺區(qū)、南沙區(qū)的物理潛力較北部地區(qū)的花都區(qū)、從化區(qū)的大；廣州市中部地區(qū)和南部地區(qū)均有較可觀的地理潛力和技術(shù)潛力。廣州市有較可觀的屋頂光伏利用潛力，合理部署屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅能夠有效促進(jìn)城市的節(jié)能減排，還可對(duì)發(fā)展城市光伏智能建筑、改善城市環(huán)境具有積極的推動(dòng)作用。由于本文未考慮社會(huì)因素及人口和用電需求產(chǎn)生的影響，關(guān)于屋頂方面的分析也未考慮屋頂特征參數(shù)，因此綜合這些因素的屋頂光伏利用潛力分析是未來(lái)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。