太阳能光电建筑设计中的日照分析

王宝华 田介花 贾艳刚（中电电气（南京）太阳能研究院，江苏 南京 211100）

1 引言

随着光伏发电技术的进步，光伏发电系统逐步从小型独立发电系统向大规模并网电站发展，从偏远地区向城市发展，从荒漠电站向光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics，简称BIPV）发展[1]。

随着国家“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”等相关政策的实施，BIPV 成为太阳能发电的主要利用形式之一。BIPV 是指光伏发电系统安装在现有建筑物上，或者将光伏发电系统与新建筑物同时设计、施工和安装，既能满足光伏发电功能，又能与建筑物有机结合[2]。

与荒漠电站相比，BIPV 设计过程中，光伏阵列不可避免的受到周围高大障碍物或建筑物本身的遮挡，如何选择合适的安装区域？另外电池阵列安装倾角范围从0-90°，如何选择最优安装倾角？

本文以某市博物馆方案设计为例，运用Ecotect 生态建筑大师为研究工具[3]，通过分析遮阳、太阳能辐射来展开BIPV 方案设计过程，利用软件精确的定量分析，对系统装机容量、光伏方阵设计等统筹优化，为BIPV的方案设计提供科学依据。

2 项目概况

安装地点位于北纬29.3°，东经117.2°。从图1 看出，周围无障碍物遮挡，但存在建筑物自身遮挡的问题。

图1 某市博物馆航拍图

根据美国航空航天局（NASA）气象数据（图2），该区域平均峰值日照时数3.60 小时，太阳能资源丰富，适宜安装太阳能发电系统。

图2 安装地点气象数据

3 分析

3.1 建立模型

根据建筑图纸和现场勘查，建立模型（如图3），朝向为南偏东20°。

图3 模型

3.2 阴影分析

周围无高大建筑物，不需要研究周围建筑对博物馆屋顶光伏发电系统的影响；但由于建筑物自身特点，屋顶各部分高度不一，需要对博物馆自身进行阴影遮挡分析。

利用已建立的模型（图3），运用Ecotect中的“遮挡及日照时间分析模块”，可以精确直观地显示遮挡阴影，其中分析日期定为阴影最长日——冬至日，时间为光伏发电有效时间——上午9 时至下午15 时，图4 是厂房遮挡阴影分析结果。从分析结果中，可以直观看出建筑屋顶适合安装光伏阵列的区域。

图4 阴影分析

3.3 安装倾角分析

太阳能电池阵列的安装倾角，在0°～90°的范围内根据目的设定，例如需要综合考虑上网电量、可实现装机容量、发电效率、安装成本等因素。

目前已安装的光伏发电系统，安装倾角多参照安装所在地纬度。本文利用Ecotect的太阳能辐射量分析，输入安装所在地的经纬度，并绘制不同倾角、正南朝向的阵列，进行太阳能辐射量分析。图5 是博物馆区域一年中9 时至15 时的不同倾角的累积辐射量分析。图中显示，安装倾角20°至25°，全年累积太阳能辐射量相差不大，考虑屋顶系统不便于清理组件，可通过增加安装倾角以增强组件利用雨水的自清洁能力，该系统的组件阵列的安装倾角设计为25°。

图5 安装地点不同倾角阵列的太阳能辐射量

3.4 阵列间距分析

在组件排布方案中，电池阵列间距也需要计算分析。两阵列之间的垂直距离过小，前面的阵列对后面的阵列形成遮挡；距离过大，则造成安装面积的浪费。两阵列之间的垂直距离以冬至日当天9 时至15 时太阳电池方阵不被遮挡为一般原则。

光伏系统方案设计中，设计师一般采用计算方法，得出光伏方阵阵列间距D。计算公式如下：

式中：φ 为纬度（在北半球为正、南半球为负），H 为光伏方阵阵列或遮挡物与可能被遮挡组件底边高度差。

本系统中，取纬度φ=25°，H=1395mm，得D=2465mm。示意图如图6。

图6 光伏阵列间距示意图

运用Ecotect软件对阵列间距进行对比分析。设置纬度φ=29°，H=1395mm，设置时间为冬至日9 时至15 时。分析结果如图7，图中显示了高度1395mm的阵列在冬至日9 时至15 时产生的阴影范围，阴影长度为（5455-2990=2465）mm，即为两阵列间距D的取值。与公式计算结果比较，公式计算结果和软件模拟结果一致。

图7 光伏阵列间距分析图

3.5 阵列排布效果图

根据以上对安装倾角、阵列间距等的分析，对屋面系统进行阵列排布，效果图如图8、图9所示。图中部分屋顶无遮挡，但未安装电池组件，是由于这些屋顶采用玻璃幕墙，考虑建筑美观及建筑采光等因素，不便于安装电池阵列。方案中电池组件尺寸为1580mm×808mm×35mm，共计2836 块。单块组件180Wp，装机容量为510.48KWp。

图8 光伏阵列排布效果图

图9 光伏阵列排布效果图

4 结语

全球能源问题和气候问题的日益严峻，告诫我们开发利用新能源已经刻不容缓。BIPV 是应用太阳能发电的主要形式之一，对其进行研究具有重要的应用价值。本文综合考虑光伏系统和建筑设计两个方面，探索BIPV 设计思路和设计方法，从而对BIPV 建筑的科学性、合理性等方面做出有益指导。

[1]郝国强，陈鸣波.光伏建筑一体化(BIPV)并网电站的应用与发展[J].上海节能，2006(6)：66-70.

[2]沈 辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]严钧,赵能,梁智尧.Ecotect 在建筑方案设计中的应用研究[J].高等建筑教育，2009,18 (3)：140-144.