浅谈工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益的影响

樊建利 （西安墙体材料研究设计院有限公司，陕西 西安 710061）

在当今能源危机和环境保护的背景下，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛的关注和应用。而工业厂房作为城市中能源消耗较大的建筑物之一，其屋顶空间的利用对光伏发电效益具有重要的影响。因此，研究工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益的影响，对于光伏发电系统的优化和提高具有重要的理论和实践意义。然而，当前研究对于工业厂房光伏屋顶构造形态与发电效益的关系还存在一定的不足之处：一方面，对于不同形态的工业厂房光伏屋顶的发电性能研究还较为有限，缺乏系统性和全面性的研究结果；另一方面，现有研究多集中在光伏组件的选型和布置上，忽视了光伏屋顶本身的构造形态对发电效益的影响。

1 工业厂房光伏屋顶构造形态分类

1.1 单面倾斜屋顶

单面倾斜屋顶是工业厂房中常见的一种光伏屋顶构造形态，通常由一面倾斜的屋顶构成，使光伏组件能够最大限度接收和利用太阳能。这种构造形态的光伏屋顶具有简单、经济、实用的特点，适用于大多数工业厂房的屋顶安装。在单面倾斜屋顶的设计中，需要考虑到屋顶的倾斜角度、朝向以及光伏组件的布局。倾斜角度的选择应根据所在地的经纬度、太阳高度角等因素来确定，以确保光伏组件能够在最佳角度接收太阳辐射。同时，屋顶的朝向也是关键因素，通常选择朝阳方向，以确保光伏组件能够在白天的大部分时间接收到太阳光。在光伏组件的布局方面，单面倾斜屋顶通常采用平行或交错排列的方式。平行排列适用于屋顶较大的情况，能够提供更大的光伏发电容量。而交错排列则适用于屋顶较小的情况，能够充分利用有限的空间，提高光伏发电效率[1]。此外，还可以考虑在屋顶的不同位置安装不同类型的光伏组件，以进一步提高发电效益。除了光伏组件的布局，单面倾斜屋顶的构造也需要考虑到防水、排水等问题。

1.2 双面倾斜屋顶

双面倾斜屋顶是工业厂房光伏屋顶中的一种常见构造形态。与传统的单面倾斜屋顶相比，双面倾斜屋顶在光伏发电方面具有更高的效率和更广阔的应用空间。双面倾斜屋顶的设计理念是在屋顶的两面都安装太阳能光伏板，使得太阳光能够同时照射到两面的光伏板上。这样一来，不仅可以增加光伏发电的总体产能，还可以最大限度利用太阳能资源。双面倾斜屋顶可以根据实际需求和场地条件调整倾斜角度，以获得最佳发电效果。在实际应用中，双面倾斜屋顶常常采用透明或半透明太阳能光伏板，这样可以充分利用屋顶下方的散射光，进一步提高光伏发电的效率[2]。此外，双面倾斜屋顶还可以通过合理的排列方式，使得光伏板之间的遮挡程度最小化，从而进一步提升光伏发电的效率。双面倾斜屋顶的优势不仅在于提高发电效率，还在于其适应性和灵活性。双面倾斜屋顶可以灵活应用于各种类型的工业厂房，无论是大型工业园区还是小型独立厂房，都可以根据实际情况进行设计和安装。此外，双面倾斜屋顶的可持续性也得到了广泛认可，其设计和施工过程中注重环保和节能原则，符合可持续发展的要求。

1.3 平面屋顶

平面屋顶是一种常见的工业厂房光伏屋顶构造形态，其特点是屋顶平整，没有明显的倾斜角度。平面屋顶可以分为两种类型：平顶和轻微倾斜屋顶。平顶是一种完全平整的屋顶结构，通常使用混凝土或钢材作为屋顶的承重结构，然后覆盖防水材料。光伏系统可以直接安装在平顶上，通过支架固定在屋顶表面。平顶光伏系统的安装相对简单，不需要进行大规模的调整和改变，因此适用于已建成的工业厂房。此外，平顶光伏系统还可以利用屋顶的空间，增加工厂的发电能力，提高能源利用效率。另外，轻微倾斜屋顶是一种稍微倾斜的屋顶结构。它的倾斜角度通常在5°～15°之间，并可根据光照情况和发电需求进行调整。轻微倾斜屋顶一般使用钢材或铝材作为支撑结构，并覆盖防水材料。光伏系统可以通过支架固定在屋顶，使太阳能电池板能够倾斜面对阳光，最大限度吸收太阳能。轻微倾斜屋顶光伏系统的安装相对简单，同时还可以提高光伏系统的发电效率[3]。

1.4 其他构造形态

除了前面提到的斜坡屋顶、平面屋顶和棚架屋顶外，工业厂房光伏屋顶还有一些其他的构造形态：①弯曲屋顶。这种构造形态适用于那些有特殊设计需求的工业厂房。弯曲屋顶的设计可以使光伏组件更好地适应工业厂房的建筑形态，同时还可以增加光伏组件的安装面积，提高发电效率；②穹顶屋顶。穹顶屋顶是一种圆顶或拱形的屋顶结构，不仅可以提供更大的安装面积，还可以增加光伏组件的采光面积。穹顶屋顶的设计不仅美观，还能够在一定程度上提高工业厂房的通风和采光效果；③带有太阳能追踪系统的屋顶。太阳能追踪系统可以根据太阳的位置自动调整光伏组件的角度，以最大限度捕捉太阳能。这种构造形态适用于工业厂房光伏系统对发电效率有较高要求的场景，可以提供更高的发电量；④绿色屋顶。绿色屋顶是一种将植物种植在屋顶表面的屋顶结构。

2 构造形态对发电效益的影响

2.1 光照接收效率

光照接收效率是工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益最直接的影响因素之一。不同的构造形态会影响光线在光伏屋顶上的反射、折射和吸收情况，进而影响光伏电池的发电效率。光伏屋顶的平整度对光照接收效率有较大影响，平整的光伏屋顶可以有效减少光线的反射和折射，使更多光线能直接照射到光伏电池上，提高发电效率。相反，如果光伏屋顶存在凹凸不平的情况，光线会在不同的角度上反射和折射，导致部分光线无法被光伏电池接收，从而降低发电效率。此外，光伏屋顶的倾角也会对光照接收效率产生影响。根据太阳高度角的变化，不同倾角的光伏屋顶可以最大限度接收到太阳直射光。一般来说，如果光伏屋顶的倾角与所在地的纬度相等，太阳直射光会垂直照射到光伏电池上，从而获得最高的光照接收效率[4]。需要注意的是，倾角过大或过小都会导致光线的反射和折射增加，影响发电效率。

2.2 清洁效果

清洁效果是指光伏屋顶构造形态对太阳能板清洁度的影响。在工业厂房光伏屋顶的建设中，由于工业厂房通常位于城市周边或者工业园区，周边环境复杂，存在大量尘土和污染物。而这些污染物会附着在太阳能板表面，影响光伏系统的发电效率。在光伏屋顶构造形态设计中，应考虑到清洁效果的优化。一方面，光伏屋顶的倾斜角度和方向应合理选择，以便在自然降雨的情况下能够有效地冲洗太阳能板表面的污染物；另一方面，光伏屋顶的材质和表面处理应具备自洁功能，能够降低污染物的附着和积累。采用自洁功能材料的光伏屋顶能够在降雨后自动清洁，减少人工清洗的频率和成本。例如，一些光伏屋顶采用了特殊涂层，能够利用光线和雨水的作用，在一定程度上自动清洁太阳能板表面。这种自洁功能材料不仅可以提高发电效率，还能减少对环境的污染。

2.3 空气对流效应

在工业厂房光伏屋顶的构造形态中，空气对流效应的影响是不可忽视的。光伏屋顶的设计应该合理考虑空气对流的流动情况，以提高发电效益。一方面，光伏屋顶的结构应该充分利用气流的流动，减少热量的积聚。在设计中，可以增设通风口或风道，促进热空气的排出，同时引入新鲜的空气。这样可以降低光伏屋顶温度，减少光伏组件的温度升高，从而提高发电效率；另一方面，光伏屋顶的构造形态也应该考虑到风的影响。在设计中，可以采用适当的倾角和表面纹理，以减小风阻，提高光伏屋顶的稳定性。此外，还可以在光伏组件的表面增加微小的凹凸纹理，以增加光的散射，提高光的吸收效率[5]。

2.4 施工和维护难度

施工和维护难度是工业厂房光伏屋顶构造形态对发电效益的另一个重要影响因素。不同的构造形态会带来不同的施工和维护难度，进而影响光伏系统的运营和维护成本。施工难度是一个需要考虑的因素。在选择光伏屋顶构造形态时，必须考虑施工过程中的安全性和便利性。一些构造形态可能需要更复杂的安装过程以及更多的人力和时间。例如，某些屋顶形态可能需要在施工过程中进行大量切割和调整，这将增加施工的难度和风险。而另一些形态可能更简单易行，能够快速安装，减少施工时间和成本。另外，维护难度也是一个需要考虑的因素。光伏系统在运行过程中需要定期维护和检修，以确保正常的发电效果。不同的构造形态会对维护工作产生不同的影响。例如，某些形态可能需要更频繁的清洁和检查，而其他形态可能更容易积灰或受到污染。

3 工业厂房光伏屋顶构造形态优化策略

3.1 提高光照接收效率

优化光伏板的布局和角度是提高光照接收效率的重要策略之一。在工业厂房光伏屋顶的构造中，合理安排光伏板的布局可以最大限度利用可用空间，并使光照能够均匀覆盖整个屋顶。同时，根据当地的纬度和太阳高度角等因素，调整光伏板的角度，使其能够最大限度接收到阳光的辐射能量。通过这种方式，可以提高光伏系统的发电效率。除了优化光伏板的布局和角度外，使用次表面反射镜或反射膜也是一种有效策略。次表面反射镜或反射膜可以放置在光伏板上方，能够将经过反射的光线重新引导至光伏板上，以提高光照利用率。这种技术可以使光伏板在相同的光照条件下，获得更高的能量转换效率，从而增加发电量。

3.2 减少温度效应

为了减少温度效应对光伏板发电效率的影响，可以通过优化光伏板的散热设计来有效降低温度。一种常见的策略是在光伏板的背面增加散热片或散热管，以增加散热面积，提高散热效果。这样可以有效地将光伏板上产生的热量传导至空气中，降低光伏板的温度。此外，还可以在光伏板的表面涂覆特殊的散热涂层。这种涂层能够增加光伏板与周围环境的热辐射传递效率，将光伏板上的热量快速散发出去，以降低温度；同时，这种散热涂层还能够提高光伏板的光吸收能力，增加发电效率。太阳能冷却技术是一种利用太阳能将热能转化为冷能的方法，可以降低工业厂房光伏屋顶的温度。其中一种常用的太阳能冷却技术是利用太阳能吸收式制冷系统。这种系统通过太阳能集热器将太阳能转化为热能，然后通过制冷机或吸收式制冷机将热能转化为冷能，从而降低光伏屋顶的温度[6]。

3.3 减少阴影效应

在工业厂房光伏屋顶的构造形态优化中，合理选择光伏板的安装位置是减少阴影效应的关键策略之一。通过科学的位置选择，可以最大限度减少阴影对光伏板的遮挡，提高光伏系统的发电效率。在北半球，光伏板应选择朝向南方，以最大限度接收到来自太阳的辐射能量。而倾斜角度的选择则应根据当地的纬度和季节变化进行调整，以使光伏板能够在不同季节中都能够充分吸收阳光。另外，合理的间距可以避免光伏板之间的阴影相互遮挡，从而减少阴影效应。根据光伏板的尺寸和布局，可以通过计算和模拟来确定最佳间距。除了合理选择光伏板的安装位置外，使用阴影补偿技术也是减少阴影效应的重要策略之一。阴影补偿技术可以通过优化光伏系统的电路连接方式，减少阴影对光伏板组串的影响，从而提高发电效益。一种常用的阴影补偿技术是使用最大功率点跟踪（MPPT）控制器。MPPT控制器可以根据实时的光照条件调整光伏系统的工作状态，确保光伏板组串在阴影条件下仍能够保证最佳工作点，最大限度利用太阳能资源。

4 结语

综上所述，工业厂房光伏屋顶的构造形态对发电效益有着重要的影响。合理设置光伏屋顶的倾角和朝向，以及避免阴影遮挡，都能够提高发电效益。因此，在设计和建设工业厂房光伏屋顶时，需要综合考虑这些因素，以实现光伏发电的最大效益。