淺談屋頂光伏可用面積評估方法

陽海燕 黃子銘 劉冰潔

摘要：光伏產(chǎn)業(yè)是一個(gè)具有全球競爭力和差異化的產(chǎn)業(yè)，面臨激烈的國際競爭。來自不同國家的公司在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量和成本控制方面都取得了各自獨(dú)特的競爭優(yōu)勢。與此同時(shí)，各國在光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略和優(yōu)先事項(xiàng)上存在差異，光伏與建筑的結(jié)合是光伏應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一，以光伏為代表的綠色建筑中清潔能源應(yīng)用的快速發(fā)展。根據(jù)技術(shù)實(shí)踐，對不同建筑類型的光伏系統(tǒng)可安裝面積進(jìn)行了調(diào)查，推導(dǎo)出了屋頂光伏可用面積評估方法，為推廣光伏應(yīng)用提供了計(jì)算依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏;面積;評估方法;分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20241204

在我國光伏發(fā)電規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的背景下，實(shí)際運(yùn)行過程中仍存在問題。隨著研究和技術(shù)的進(jìn)步，光伏組件的效率不斷提高，制造成本逐漸降低。光伏是一種可再生的能源，使用光伏發(fā)電可以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，減少化石燃料的消耗和排放，減少能源短缺帶來的負(fù)面影響。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是符合可持續(xù)性和環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)業(yè)鏈的完整性和垂直整合、強(qiáng)大的國際競爭力和發(fā)展趨勢的差異性、行業(yè)波動(dòng)性和周期性。了解這些特性對于了解光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢、制定戰(zhàn)略和評估具有重要意義。

一、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景分析

（一）光伏行業(yè)發(fā)展形勢

我國政府通過一系列政策積極支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提供了廣闊的市場空間和穩(wěn)定的投資環(huán)境。其中包括對光伏網(wǎng)絡(luò)電價(jià)的補(bǔ)貼、補(bǔ)貼光伏產(chǎn)業(yè)的資金等。政策的實(shí)施促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并吸引了大量的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)投資。

光伏技術(shù)不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，在改進(jìn)光伏組件材料、提高太陽能電池效率和優(yōu)化制造工藝方面取得重大進(jìn)展。特別是隨著單晶硅、多晶硅、薄膜和PERC等光伏電池新技術(shù)的引入，光伏發(fā)電效率顯著提高，同時(shí)降低了成本。預(yù)計(jì)在未來幾年，隨著技術(shù)的成熟和大規(guī)模生產(chǎn)的推進(jìn)，成本將進(jìn)一步降低，企業(yè)的競爭力將進(jìn)一步提高。

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可再生能源的日益關(guān)注，以及國家能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，光伏行業(yè)的市場需求持續(xù)增長。此外，光伏發(fā)電具有分散設(shè)計(jì)和低碳發(fā)電的優(yōu)勢，滿足了人們對可持續(xù)發(fā)展和綠色生活的需求。

隨著國際市場競爭的加劇，我國在市場份額和技術(shù)水平上占據(jù)著重要地位。只有不斷提高技術(shù)水平，積極開放國際市場，光伏產(chǎn)業(yè)才能在競爭中保持領(lǐng)先地位。

（二）太陽能光伏電池組件選擇及安裝

根據(jù)電氣需求，選擇太陽能光伏電池組件，其主要由逆變器、光伏電池板以及蓄電池三部分組成，光伏電池板作為核心設(shè)備，關(guān)系到光伏新能源生成效率和質(zhì)量，因此需要結(jié)合項(xiàng)目自身情況，選擇合適的光伏電池板。目前比較常用的主要有三種，單晶硅、復(fù)合晶硅以及多晶硅，主要性能如表1所示。

根據(jù)表1對三種太陽能光伏電池板性能對比，盡管單晶硅類型的電池板成本相對較高，但是光電轉(zhuǎn)換方面優(yōu)于其他兩種電池板，并且使用壽命也較長，更適用于電力節(jié)能使用，因此選擇單晶硅類型的電池板作為光伏新能源發(fā)電設(shè)備。

由于光伏項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)空間面積大，且無遮擋，采光條件好，因此將組件的安裝采用并聯(lián)的方式將太陽能電池板、蓄電池和逆變器電源線路連接在一起，并接入建筑電氣總線。由于太陽能電池板的安裝方位和傾斜角度直接關(guān)系到太陽能光伏發(fā)電效率，因此在安裝過程中要對太陽能電池板安裝方位和角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

正常情況下，一天當(dāng)中中午的太陽能輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，但是中午太陽入射角比較低，東、南、西、北四個(gè)方位中南向更容易獲得最強(qiáng)的太陽能輻射，但是在正南方向所獲得的太陽能輻射往往不是最強(qiáng)的，偏東西或者偏西南向更容易獲得最大限度的太陽能輻射，這是因?yàn)樘柟庠谥鄙溥^程中，受到環(huán)境中某些因素干擾發(fā)生折射效應(yīng)，從而產(chǎn)生偏差，因此在安裝時(shí)將單晶硅太陽能電池板朝向偏東西或者西南25°，以此保證太陽能電池板能夠最大限度獲得太陽能輻射。光伏電池板安裝傾角需要根據(jù)項(xiàng)目地理位置，光伏電池板安裝傾斜角度決定著發(fā)電的有效面積，光伏電池板傾角與太陽能入射角存在著一定的線性關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1? 光伏電池板傾角與太陽入射角關(guān)系

如圖1所示，當(dāng)光伏電池與太陽光入射線垂直時(shí)，光伏電池板發(fā)電有效面積越大，且發(fā)電效率越高，當(dāng)?shù)靥柟馊肷渚€角度與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢拢虼嗽诎惭b過程中將光伏電池板傾角調(diào)整為，與所在地緯度值。蓄電池組和逆變器安裝在配電箱內(nèi)，并采用并聯(lián)的方式在蓄電池組和逆變器電源線路上，接入控制器，利用控制器對太陽能光伏電池組件過放電和充放電進(jìn)行控制。

（三）太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電

考慮到電氣用電量較大，太陽能光伏發(fā)電具有一定的局限性，在夜里或者陰天時(shí)，太陽能光伏電池組件是無法進(jìn)行發(fā)電的，完全依靠太陽能光伏發(fā)電電量，無法滿足用電需求，因此此次采用并網(wǎng)光伏發(fā)電形式，即將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與供電系統(tǒng)組串在一起，共同為供電。每4～6塊光伏電池板組件為一個(gè)光伏方陣，光伏方陣的最大工作電壓需要滿足以下條件：

（1）

公式（1）中，表示光伏方陣的光伏電池板串聯(lián)數(shù)量；表示標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池板的開路電壓；表示光伏電池板開路電壓的最大溫度系數(shù)；表示光伏電池板最低溫度；表示光伏方陣的最大工作電壓。太陽光照射在光伏電池上，與電池板上的半導(dǎo)體產(chǎn)生光伏效應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢現(xiàn)象，從而產(chǎn)生光生電流。采用組串逆變的方式對逆變器進(jìn)行并網(wǎng)，每個(gè)光伏方陣串聯(lián)為1路，一個(gè)逆變器負(fù)責(zé)2～3路光伏方陣能量轉(zhuǎn)換，由逆變器將光生電流轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換公式為：

（2）

公式（2）中，表示由逆變器轉(zhuǎn)換后的光伏電流；表示光伏方陣產(chǎn)生的光生電流；表示半導(dǎo)體在反向飽和情況下的電流；表示光伏方陣的輸出電壓；表示逆變器串聯(lián)電阻。將蓄電池組接入建筑用戶變電系統(tǒng)低壓側(cè)母線，由蓄電池組存儲逆變器轉(zhuǎn)換后的光伏電流。由于太陽能光伏電池板產(chǎn)生的電流為直流電，直流電穩(wěn)定性較差，為了更好地對其進(jìn)行利用，采用優(yōu)先配電方式將其輸送到配電網(wǎng)中，當(dāng)電氣設(shè)備用電時(shí)會優(yōu)先使用蓄電池組中電能，從而起到電氣節(jié)能的作用。

二、屋頂光伏安裝面積分析

（一）不同建筑類型光伏組件可安裝部位

在技術(shù)應(yīng)用中，光伏組件可以安裝在建筑物中的主要部件是屋頂、外墻、幕墻和遮陽部件。除了住宅樓，其他所有建筑物類型的房頂上都沒有陰影，一些小占地設(shè)施以外，每個(gè)建筑物類型都可以配置光伏系統(tǒng)。但是，根據(jù)不同的建筑物形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及在外立面設(shè)計(jì)上的不同，光伏系統(tǒng)在建筑立面配置中的優(yōu)先級也不同。大多數(shù)外墻是玻璃幕墻或大型實(shí)體墻，可用于安裝光伏組件。辦公樓的主房間需要更多的照明，而相鄰的房間需要更少的照明。另外，辦公室對遮陽功能也有相應(yīng)需求，可根據(jù)遮陽能力加裝戶外遮陽組件。在城市建設(shè)中，建筑物具有獨(dú)特的建筑風(fēng)格，外墻表面元素也比較規(guī)則，一般由大面積的外墻或玻璃幕墻所構(gòu)成。內(nèi)部采光問題主要利用電力照明解決，對自然采光要求略低，可最大限度地利用建筑立面資源建立光伏組件。

（二）各類建筑光伏安裝面積估算

大型商業(yè)居住區(qū)內(nèi)，房屋的外立面形式多為干掛鋁板、干掛石材、玻璃幕墻等形式，多設(shè)置有空心房采光系統(tǒng)，其屋面形式也多為平屋面，而房屋內(nèi)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式也大多是平屋面安裝、光伏采光頂棚、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)幕墻、光電企業(yè)遮陽等形式，對商業(yè)建筑物中光伏系統(tǒng)的安裝面積估算為：

（3）

公式（3）中，K 表示控制性詳細(xì)規(guī)劃中用地的建筑密度；V 表示控制性詳細(xì)規(guī)劃中用地的容積率；β 表示建筑日照立面面積系數(shù)，取 0.28；μi 表示該種安裝方式的墻面占南、東、西墻面總面積的比例。

三、屋頂光伏可用面積評估分析

（一）提取屋頂面積的評估方法

建筑物屋頂面積的評估，是目前研究太陽輻射現(xiàn)象的關(guān)鍵方法。杭州電子科技學(xué)院的徐福元使用谷歌的免費(fèi)衛(wèi)星圖像所獲得的屋頂區(qū)域。首先，采用邊緣檢測技術(shù)中的閾值劃分方式對圖像進(jìn)行細(xì)分。中國礦業(yè)大學(xué)的郭曉林根據(jù)提取樣本區(qū)屋頂區(qū)域時(shí)的坐標(biāo)，從樣本區(qū)的天空圖中下載一張街道圖，他使用通用電子地圖提取樣本區(qū)域的屬性，使用Env15.1，然后使用ArcGIS功能處理獲得的文件。該地區(qū)的天空圖估計(jì)了整個(gè)輻射面積，并計(jì)算下一個(gè)太陽輻射樣本，簡單地測量屋頂面積，并基于其他影響因素計(jì)算了屋頂發(fā)電量的近似值。

（二）GIS功能的評估方法

地理信息系統(tǒng)（GIS）和地理信息系統(tǒng)在過去二十年中發(fā)展迅速。GIS的分析功能為評價(jià)太陽輻射提供了技術(shù)支持。劉光旭在分析江蘇省13個(gè)氣象站2000年的數(shù)據(jù)時(shí)，利用ARCGIS 9.2中的反距離輸入，對當(dāng)?shù)啬昶骄照諘r(shí)數(shù)和日照時(shí)數(shù)進(jìn)行了制圖和統(tǒng)計(jì)分析?；贏regis 9.2中的疊加分析，確定了太陽輻射劑量，并計(jì)算了13個(gè)城市的生活空間。替換公式后，可以得到屋頂面積，該面積可以安裝太陽能電池，并計(jì)算評估區(qū)域的年平均太陽輻射量。與二者相比，該方法結(jié)合了太陽能的自然特性和社會特性進(jìn)行分析，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際。但屋頂太陽的實(shí)際使用量僅占理論值的4%，需要考慮的因素仍然是未來研究的重點(diǎn)。

（三）結(jié)合遙感反演的評估方法

遙感圖像被用作已知數(shù)據(jù)來計(jì)算影響大氣遙感圖像的未知量。北京大學(xué)遙感地理信息研究院的陸揚(yáng)，將定量遙感技術(shù)和GIS三維數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，提供了一種評價(jià)城市建筑尺度光伏潛力的全新方法和模式。以烏魯木齊市某建筑群為試驗(yàn)區(qū)，通過基于風(fēng)云二號和風(fēng)云三號衛(wèi)星的大數(shù)據(jù)分析，對地表IC圖進(jìn)行反演，得到太陽輻射值。平坦表面的預(yù)測是好的，但在復(fù)雜地形區(qū)域也存在一些缺點(diǎn)。

（四）激光雷達(dá)技術(shù)對屋頂光伏面積的潛力評估

激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，用戶可以使用該設(shè)備向目標(biāo)物體發(fā)送光束，接收目標(biāo)物體返回的信號，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪垣@得所需的數(shù)據(jù)。和其他的數(shù)值檢測技術(shù)一樣，激光雷達(dá)技術(shù)也擁有高度精確的去除技術(shù)，因此能夠迅速獲取精確的數(shù)值和數(shù)字地表數(shù)據(jù)。這是基于屋頂?shù)拇怪眽γ娣e分析太陽輻射的一種較好的技術(shù)方法。來自南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院的教授曹琳正在利用卡波村主校區(qū)作為試驗(yàn)場地，運(yùn)用激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、CCD多源特征融合以及面向?qū)ο蠓治黾夹g(shù)，獲得個(gè)人建筑數(shù)據(jù)，并通過結(jié)合0.5球形的太陽輻射模型，得出單幢大廈房頂上太陽能的分布圖?？紤]到低建筑植被的問題，試驗(yàn)結(jié)果揭示了研究區(qū)內(nèi)各個(gè)季節(jié)屋頂上太陽輻射的變化規(guī)律，體現(xiàn)出整個(gè)季節(jié)建筑全天光照強(qiáng)度的變化趨勢。

四、小結(jié)

屋頂光伏使用面積的評估方式多樣，評估結(jié)果也較為理想。但是，相對于垂直墻來說，它所采取的方式比較特殊?；谒轿蓓敽痛怪眽Ρ诘墓夥妱莘治鰡栴}的關(guān)鍵是如何迅速獲得建筑物信息，以及合理考慮陰影對建筑表面太陽輻射的作用。目前，激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)幫助科學(xué)家們提取數(shù)據(jù)和研究垂直墻面問題。在評估太陽輻射方面，激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取建筑信息，通過將可接受的近地表太陽輻射與風(fēng)云氣象衛(wèi)星進(jìn)行比較，評估該地區(qū)的太陽輻射研究結(jié)果，為未來的投資和發(fā)展提供重要參考。

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