公路隧道光伏薄膜遮阳棚的透光率选型及光伏效益估算

夏鹏曦， 段儒禹， 汪主洪， 于 丽， *

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

0 引言

在车辆进出隧道时，会产生非常剧烈的明暗变化，造成人眼难以适应，将其称为“黑洞”“白洞”效应。设置光伏薄膜遮阳棚可以达到缓慢减少隧道入口照度的效果，避免入口段的“黑洞”效应，另外也能发挥其薄膜材料的光伏发电功能。光伏发电具有生态环保、节约能源、安全可靠、架设方便等特点。高海拔地区的日照强度较大，太阳能资源丰富，但生态环境十分脆弱，充分利用光伏资源可以减少污染。

太阳能电池主要分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。晶体硅电池在稳定性和转化率方面具有独特的优势，并且应用时间长、市场范围广，但是传统的晶体硅价格高昂。薄膜太阳能电池厚度较薄，价格低廉，随着光伏与建筑相结合的发展，薄膜电池将有更广阔的发展前景[1-2]。

杨公侠等[3]进行了遮阳棚的模型试验以确定透光率和其他有关参数，并分季节进行实测。翁季等[4]从安全和节能的角度分析了隧道洞口设置减光措施的必要性，并简述了其在实际工程应用中应注意的要点。文献[5]通过试验验证了在隧道洞口设置半透明张力结构的遮阳棚有利于缓解驾驶人的不适，节约电能。Drakou等[6]进一步对在隧道洞口设置减光设施的安全性与经济性进行了研究。赵锡森等[7]对薄膜遮阳棚的透光率组合进行了模拟，其组合方式具有短距离、多组合等特点，但是结合光伏发电的特点可知在隧道洞口设置光伏薄膜遮阳棚对其规模具有一定的要求，并且以往的透光率组合过于复杂，在施工上会造成极大的不便。张世平等[2]对光伏薄膜遮阳棚设计进行了探讨，但是没有对不同透光率的组合进行探讨，其选用的透光率组合工况初始段透光率为0.4、末尾段透光率为0.15的方案会出现初段照度太大、2段遮阳棚相接处照度变化剧烈的问题，且在光伏发电效果的估算中没有考虑到具体的光照环境。基于此，使用DIALUX数值模拟的方式对比CIE视觉照度适应曲线，探讨在不同季节、不同行车速度下光伏薄膜遮阳棚透光率的不同组合形式；通过调研分析获得光伏材料布置方位的方法，并通过理论推导得到考虑具体辐射量的光伏薄膜遮阳棚的太阳能发电量以及经济效益计算方法，以期为光伏薄膜遮阳棚的透光率选型设计以及光伏效益估算提供参考。

1 遮阳棚设计

1.1 确定遮阳棚的透光率及组合形式

1.1.1 遮阳棚尺寸设计

在对遮阳棚进行光环境设计之前，需要初步确定遮阳棚的建模尺寸，即确定遮阳棚外立面尺寸和合理的长度范围。公路隧道入口遮阳棚是功能型建筑，而非景观型建筑，因此，需在不影响遮阳棚遮光功能的前提下对遮阳棚进行外立面设计。在外立面设计时，需考虑以下2点。

1)从不影响遮光的角度考虑，遮阳棚拱状剖面形式应简洁，少用或不用非遮光功能的突出式造型，以免在棚内出现明暗交替的光斑而影响遮阳棚光环境过渡效果。

2)从避免视觉冲击角度考虑，遮阳棚与隧道应衔接良好，遮阳棚剖面需与隧道断面形状大致相同，且遮阳棚钢拱架与隧道轮廓线不能发生错位。

结合上述分析，采用如图1所示的正断面图。

图1 隧道正断面图(单位： m)

1.1.2 遮阳棚长度设计

以巴朗山隧道为例，巴朗山隧道洞口海拔高3 850 m，项目全长约8 808 m，日照时间长，太阳能充足，入口段经、纬度分别为102.96°、30.88°。

由于遮阳棚内存在光干涉反射和衍射现象，用数值分析方法准确计算其内的照度值比较难，因此本文选取功能全面、应用广泛的DIALUX对遮阳棚进行光环境仿真和分析。

根据已有的洞口减光设施长度的研究，来确定遮阳棚的合理长度范围。有研究者根据适应时间给出了关于洞口减光设置的长度与行车速度的关系，见式(1)。

(1)

其中

Tin=0.020 4·(Eout-Ein)0.603 1。

(2)

式(1)—(2)中：Tin为驾驶员于隧道入口处所需要的视力恢复时间，s；Dtr为隧道过渡照明段长度， m；vd为行车速度， km/h；Ein、Eout分别为隧道洞内和洞外的照度，lx；Sin为隧道入口处减光隔栅段合理设计长度， m。

根据实测可知，巴朗山隧道内外照度差为70 000 lx，得到洞口减光设施长度建议值(见表1)。在模型中分别构建长度为60、80、100 m以及有2段长度相等、透光率不同的模型。为达到与实际工程相同的环境参数，设置经、纬度分别为102.96°、30.88°，阳光选自然光比率。遮阳棚和隧道下设置深灰色沥青路面，设置路面材质的反射系数为0.27，遮阳棚的反射率为0.3。构建的初始遮阳棚及隧道模型见图2。

表1 减光设施长度建议值

图2 遮阳棚及隧道模型

1.1.3 透光率选择

对遮阳棚进行透光率初选，选取1～2种透光率组合的遮阳棚较为合适。设计以下遮阳材料透光率组合初步方案： 初始段遮阳材料透光率τ始=0.5～0.3，末尾段透光率τ末=0.2～0.5，相邻遮阳材料透光率之间差值≤0.5。拟定的9种遮阳棚透光率组合方案见表2。将遮阳棚段的纵向平均亮度和视觉适应曲线进行对比，来确定满足视觉适应的最佳透光率组合值。

表2 不同透光率组合工况

注： “无”指初始段不布置遮阳棚。

根据调研得到基于视觉适应能力的隧道进口临界照度变化率公式[8-10]:

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4。

(3)

式中：Ltr为照度适应值，lx；Lth为外界环境照度值，lx；t为行车时间。

把t=S/v代入式(3)中得到：

Ltr=Lth(1.9+S/v)-1.4。

(4)

因为春季和秋季的光照情况基本相同，所以仅绘出春季、夏季、冬季行车速度为80 km/h时遮阳棚的照度变化曲线和适应曲线，结果如图3所示。春季不同行车速度下遮阳棚的照度变化曲线如图4所示。春季洞口无遮阳棚情况下照度变化曲线如图5所示。

(a) 春季 (b) 夏季 (c) 冬季

图3行车速度为80km/h时遮阳棚的照度变化曲线和适应曲线

Fig. 3 Illumination curves of awning when driving speed is 80 km/h

(a) 120 km/h (b) 40 km/h

图4春季不同行车速度条件下遮阳棚的照度变化曲线

Fig. 4 Illumination curves of awning under different driving speeds in spring

图5 春季洞口无遮阳棚时的照度变化曲线

由图3—5可以得出如下结论：

1)行车距离隧道越近，遮阳棚内的照度越小。

2)相同行车速度下(80 km/h)，不同季节照度随行车距离变化的曲线趋势大致相同，说明季节对光伏薄膜遮阳棚的影响比较小。

3)相同季节(春季)下，不同行车速度对适应性曲线的变化趋势有较大的影响，说明行车速度对光伏薄膜遮阳棚的透光率组合有较大的影响。

4)对比每一种工况发现，工况6由于在初始段照度太大，导致在接缝处照度变化过于剧烈，不适合适应曲线。

5)春季无遮阳棚情况下洞口照度为18 100 lx，使用遮阳棚情况下行车速度分别为120、80、60 km/h时洞口照度分别为3 058、2 280、1 230 lx，说明使用光伏薄膜遮阳棚对洞口的减光效果良好。

综合分析可知，在不同行车速度下最适合的遮阳棚透光率组合方案见表3。

表3不同行车速度下最适合的遮阳棚透光率组合方案

Table 3 Most suitable combination scheme of transmittance of awning at different driving speeds

行车速度/(km/h)推荐遮阳棚长度/m初始段透光率末尾段透光率1201000.300.1580800.200.1040600.150.05

1.2 遮阳棚材料选择

遮阳棚的材料选择主要分为骨架材料选择和遮光材料选择。骨架材料选择建筑中常用的QC235钢，强度高且价格低廉；遮阳材料选择CdTe材料和PC板，PC板有不同的透光率，方便构建不同透光率的遮阳棚。

通过文献[1,11-12]可以得到不同方向、不同倾角下遮阳棚的辐射比例。文献[1,11-12]中提到，在设计遮阳棚时，垂直面的射入辐射量只有50%～70%，效率非常低，在设计过程中应避免光伏发电材料的浪费。因此，本文设计了拱顶周围布置光伏发电材料、其余部分使用普通绿色PC透光板的方案，如图6所示。

图6 光伏薄膜遮阳棚布置效果图

2 光伏发电分析

光伏薄膜太阳能遮阳棚的发电能力和材料接收的光辐射量与材料转化率息息相关，不同透光率的光伏薄膜组件的有效面积不同，其发电能力也不相同。考虑到辐射量与有效面积，遮阳棚的光伏发电功率可表示为

(5)

式中:ηi为不同透光率太阳能薄膜的光伏发电实际光电转化效率；Ht为年平均太阳总辐射量，W/m2；Si为光伏薄膜组件的有效面积，m2。

2.1 转化效率的确定

电池的实际输出功率是有误差的，在现场运行的太阳电池板往往达不到标准测试条件，输出的允许偏差是5%，因此，在光伏薄膜发电中要考虑到0.95的标准影响系数。

光伏组件温度越高，产出的电能越少。在光伏薄膜电池中，当薄膜组件内部的温度达到50～75 ℃时，其输出的电能将下降至额定功率的95%，所以在光伏薄膜发电中要考虑到0.95的温度影响系数。

光伏薄膜组件表面如果积累了大量的灰尘，同样会影响组件的能量转化率。根据相关文献可知，大量的灰尘覆盖会使组件的能量转化率降为额定功率的93%，所以在光伏薄膜发电中要考虑到0.93的覆盖影响系数。

由于所处地理位置的原因，太阳光到达遮阳棚顶面会存在一个入射角度。巴朗山隧道的经、纬度分别为102.96°、30.88°，此时太阳的入射角等于30.88°，对于光伏遮阳棚有效的太阳直射面积为L′所处的斜面，对应到地面上是L所处的平面(如图7所示)[10]。L可以通过隧道拱顶半径(5.2 m)进行几何换算后得到，则经过计算可知L=5.2+5.2/cos 30.88°≈11.2 m。

2.2 光伏辐射量的确定

光伏发电系统建成后，光伏组件接收的光辐射量决定了发电量的大小，因此，需要得到当地的光辐射量来确定发电量。由于天气等原因，当地每天的光辐射量是很难确定的。为了减少误差，应采用当地多年(至少是10年，最好是20年以上)太阳辐射量的数据取平均值。在设计光伏发电系统时，通常采用光伏发电系统计算软件附带的气象数据(如气象数据库Meteonorm、NASA等)进行预测。本文选取Meteonorm 7(见图8)作为辐射量Ht的来源。由图8可以得到巴朗山隧道出口全年光辐射量为1 249 kW·h/m2。则光伏发电功率

11.2×(0.85+0.7)×=118 292 kW·h。

(6)

式中：ηi取13%，并考虑0.95×0.95×0.13的折减系数； 50 m为单节遮阳棚长度； 0.85及0.7为去除透光部分的实际光伏吸收量。

图7 光伏薄膜遮阳棚有效计算面积

图8 Meteonorm 7计算界面图

2.3 光伏薄膜遮阳棚发电量经济性分析

光伏发电效益分析采用透光率为0.3和0.15的太阳能薄膜光伏发电利用系数，光伏薄膜单位面积发电功率为56 W和68 W。由式(6)可得所设计的太阳能薄膜遮阳棚系统的光伏发电量约为118 292 kW·h。根据相关政策[13-14]，按照CdTe光伏薄膜发电材料10年可达到额定功率的90%，可以列出10年各年发电量如表4所示，合计111.9×104kW·h。按照工业用电价格1.2元/(kW·h)，国家光伏补贴0.42元/(kW·h)，四川省光伏补贴0.18元/(kW·h)，则可计算出每年达到的经济效益=118 292×(1.2+0.42+0.18)=212 925.6元/年。

表4 每年光伏发电量

3 结论与建议

针对高海拔地区光照强度大、生态环境脆弱、光伏薄膜遮阳棚需要一定规模等特点，对光伏薄膜遮阳棚的光伏材料调研选择，采用数值模拟对透光率的组合进行计算，并估算光伏发电效率，得出如下结论。

1)光伏薄膜遮阳棚的透光率设置受季节影响不大，但受行车速度影响很大。行车速度为120、80、40 km/h时最佳透光率组合分别为初始段透光率0.3+末尾段透光率0.15、初始段透光率0.2+末尾段透光率0.1、初始段透光率0.15+末尾段透光率0.05，对应的最佳长度分别为100、80、60 m。针对初始段透光率0.4+末尾段透光率0.15的方案，由于初始段照度太大，导致在接缝处照度变化过于剧烈，不适合适应曲线。

2)光伏薄膜遮阳棚对隧道洞口的减光效果良好，行车距离隧道越近遮阳棚内的照度越小，使用遮阳棚可以大大减少洞口加强段及过渡段照明负担。

3)提出了一套考虑具体的光照环境的光伏薄膜遮阳棚发电能力计算方法，并对行车速度为120 km/h时所对应的工况进行了经济性分析，10年内的发电量达到111.9×104kW·h。