基于BIM的建筑光伏系統模型設計與熱輻射仿真分析

李 巖,劉元芳,姜業超,林 雪

(黑龍江東方學院建筑工程學院,哈爾濱 150066)

0 引言

近年來,光伏建筑已逐漸成為可持續發展的重要組成部分,實現了建筑與能源的高度融合,極大推動了建筑產業的節能環保發展[1]。但在光伏建筑設計與建造過程中存在一系列的復雜問題,比如如何最大限度地利用太陽能、確保光伏建筑與建筑本身的協調性等[2]。為解決這些問題,建筑信息模型(Building Information Mdeling, BIM)技術與太陽熱輻射模擬手段逐漸成為光伏建筑領域的研究熱點[3]。BIM技術可集成多種信息及數據,通過可視化的方式展示出來[4]。在光伏建筑設計中,BIM技術可在初始階段優化太陽能電池板的位置、朝向及傾角,通過與關聯性軟件的結合模擬出不同光照條件下的太陽能輻射情況效果,依據模擬數據調整光伏建筑設計方案,達到提高能源利用效率的目的[5]。建筑光伏系統包括儲能、發電、逆變等環節,單純依靠BIM建筑模型很難全面實現深入設計[6]。本研究基于建筑光伏系統的BIM模型,建立光伏-發電-儲能一體化模型,給出光伏發電量的估算方法。結合Ecotect軟件對設計的光伏系統模型進行太陽熱輻射模擬,分析建筑光伏系統在不同天氣條件情況下的發電量,為實際工程提供有效參考。

1 光伏建筑電氣模型設計

在傳統的光伏建筑電氣分析中,建筑物的龐大規模、多樣形狀、復雜結構等影響了電氣化特性分析的精準性及動態性。應用BIM技術可簡化建筑電氣分析,利用空間數據集成、可視化交互等手段完成對建筑物的光伏發電系統設計及分析。

1.1 BIM模型建立

以海南地區某學校教學樓的光伏系統為例,圖1基于Revit軟件給出了該教學樓及其光伏系統的BIM模型與建筑結構剖面圖。

圖1 某教學樓及其光伏系統BIM模型建立Fig.1 BIM model of a teaching building and its photovoltaic system

1.2 光伏陣列模型建立

光伏板物理特性類似傳統的PN結,可利用PN結模型對光伏板結構進行等效,如圖2所示。其中,D表示光伏板等效二極管,Rsh和Rs分別表示光伏板等效并、串聯電阻,Id與Ish分別表示流過Rsh和Rs的電流,Iph表示光電效應電流,Uo和Io分別表示光伏板的輸出電壓、電流。

圖2 光伏板等效模型 Fig.2 Photovoltaic panel equivalent model

利用基爾霍夫電流定律得到等效模型的輸出電流方程:

Io=Iph-Id-Ish

(1)

其中,Iph、Id可利用光電效應特性分別表示為:

(2)

式(2)中,Isc表示在溫度25 ℃、光輻射照度1000 W/m2(標準測試條件)下測得的電路內部短路電流,一般視為定值。Ki=0.0032 A/℃表示溫度系數。T、Tref=298 K分別表示實際與標準測試條件下光伏板的表面溫度。S、Sref=1000 W/m2分別為表示實際與標準測試條件下光伏板受到的光輻射照度。Isa表示二極管飽和電流。q表示電子電荷量。K表示玻爾茲曼常數。1≤L≤2表示PN結理想因子。

將式(2)代入式(1),得到光伏板正向輸出特性方程:

(3)

考慮到該教學樓的總用電負荷約為60.7 kW,選擇輸出為320 W/36 V的多晶光伏板組件,共需要190塊。通過建立光伏陣列串并聯模型給出鋪設形式。

結合圖2中給出的光伏板等效模型,分別在圖3中給出圖1(a)中所示的n相光伏板串聯與k相光伏板并聯等效模型:

圖3 光伏板串并聯等效模型Fig.3 Series parallel equivalent model of photovoltaic panels

在圖3(a)中考慮每相光伏板中通過電流Ii(i=1,2…,n)均滿足Ii=Io,且串聯后的總輸出電壓為Uo,在忽略各光伏板間品質差異的情況下得到每相輸出電壓均滿足Ui=U/n。結合式(3)進一步推導出n相光伏板串聯后的總輸出特性方程:

(4)

同理,在圖3(b)中設k相光伏板總輸出電流為Io,輸出電壓為Uo,則每相光伏板的通過電流均滿足Ij=Io/k(j=1,2…,k)。根據式(3)給出k相光伏板并聯后的總輸出特性方程:

(5)

聯合式(4)與式(5),得到整體光伏陣列的輸出特性方程:

(6)

選用的光伏板開路電壓Voc=44.87 V,結合光伏系統逆變側的限幅電壓VM=1680 V,可粗略得到光伏陣列的串聯數量約為VM/Voc≈38塊?？紤]到光伏系統逆變器的限制電流IM=45 A,結合光伏板短路電流Isc可粗略得到光伏陣列的并聯數量約為IM/Isc≈5組。

1.3 光伏儲蓄電池陣列模型

儲蓄電池作為光伏發電系統中的過渡環節,在電能存儲、能量調節、負載供電等方面發揮著重要作用,對光伏蓄電池陣列進行合理設計可增強建筑光伏系統的穩定性與靈活性。以HP-B250-12G型鉛酸膠體蓄電池為例,其標稱電壓E=12 V,額定容量為Sc=250 Ah。光伏蓄電池陣列的容量Soc的計算公式如下:

Soc=(P×24×N)/(Kb×U)

(7)

其中,P=4500 kW·h、N=3(d)分別表示光伏建筑的日均耗電量和海南地區的最長陰雨天數。Kb=1.3表示儲能系統的安全系數。U=100 V表示蓄電池陣列的額定工作電壓。將上述實際參數代入式(7)中得到光伏蓄電池陣列的容量Soc=(4500×24×3)/(1.3×100)≈2492 Ah,向上取整得到最終的蓄電池陣列容量為2500 Ah,即實際需要蓄電池的數量為10個。為保證蓄電池充放電能的均衡,結合實際工程經驗,減少因過多串聯帶來的蓄電池組等效內阻較大的問題,按照2組并聯、每組5個串聯的形式鋪設蓄電池。

1.4 光伏系統發電量估算模型

對光伏系統發電量的估算可有效提升光伏系統轉換效率并檢查所設計光伏系統的合理性。光伏系統發電量估算模型包括太陽能輻照總量、光伏矩陣總面積、光伏板轉換效率及光伏系統效率幾種重要參數,以1 d為周期具體可表示為:

EP=HD×SA×KA×KS

(8)

其中,Ep表示光伏系統總發電量(W·h),HD表示一天內光伏系統受到的太陽總輻射量(W·h/m2),SA表示光伏矩陣的總表面積(m2),由所選光伏板參數計算得SA=368.68 m2,KA=18%>16.49%、KS=85%分別表示光伏組件轉換因子與系統總轉換效率。

2 光伏建筑熱輻射仿真分析

對光伏建筑進行熱輻射分析,可優化設計建筑光伏分布,提高能源利用效率,改善建筑的熱舒適性,指導光伏系統的運行及維護,具有重要的應用價值?；谝呀⒌腂IM模型與光伏系統設計模型,利用Ecotect軟件建立教學樓的太陽輻射模型,加入當地的太陽氣象數據,對整體建筑的光伏系統所受到的熱輻射進行典型天氣情況分析,應用發電量估算模型給出相應氣象情況下的光伏系統發電量數據。

2.1 最熱一天熱輻射分析

圖4分別給出了一年中當地最熱一天的教學樓光伏系統所處的溫度環境與受到的太陽輻射,具體熱輻射數據如表1所示。

表1 最熱一天的教學樓光伏系統所受熱輻射數據Tab.1 Thermal radiation data of the photovoltaic system of the teaching building on the hottest day

圖4 一年中最熱一天的教學樓光伏系統所受熱輻射曲線Fig.4 Thermal radiation curve of the photovoltaic system in the teaching building on the hottest day of the year

由圖4可知,最熱一天的教學樓光伏系統所處溫度環境為30.82 ℃左右,且太陽輻射量集中在上午5點至晚上8點,直接輻射時間較長,故可忽略由散射輻射帶來的影響。由表1可知,當天的總輻射量達到8500.7W·h/m2,由式(8)估算得到最熱一天內所設計光伏系統的發電量約為479.508 kW·h。

2.2 光照最好一天的熱輻射分析

圖5分別給出了一年中當地光照最好一天的教學樓光伏系統所處的溫度環境與受到的太陽輻射,具體熱輻射數據如表2所示。

表2 光照最好一天的教學樓光伏系統所受熱輻射數據Tab.2 Thermal radiation data of the photovoltaic system in the teaching building on the best day

圖5 一年中光照最好一天的教學樓光伏系統所受熱輻射曲線Fig.5 Thermal radiation curve of the photovoltaic system in the teaching building on the best day of the year

對比圖4與圖5可知,光照一天的太陽直接輻射時長增加近1 h,室外的平均溫度也逼近最熱一天,達到了30.16 ℃。結合表2可知,光照條件最好一天中的總直接太陽輻射量升高到9981.7W·h/m2,通過計算得到總發電量為563.048 kW·h,達到最高峰值。說明光照條件的好壞是決定光伏系統發電量的重要因素。

3 結論

以海南某地區教學樓光伏系統為例,建立了其光伏-發電-儲能一體化模型,對教學樓光伏系統進行太陽熱輻射模擬,分析其發電量情況,具體結論如下:利用Revit軟件對教學樓進行BIM建模,給出了光伏矩陣的串并聯等效模型,計算得到光伏矩陣的鋪設規則為每38塊串聯為一組,共5組并聯。基于光伏蓄電池的儲能特性給出光伏儲蓄電池模型,計算得到蓄電池的排列規則為每5個串聯為一組,共兩組并聯,給出了光伏系統的發電量估算模型。借助Ecotect軟件搭建了教學樓光伏系統的太陽輻射模型,結合當地一年中的典型天氣情況給出了光伏建筑的發電量分析,得到光照最好一天的光伏系統總直接熱輻射量與發電量最多分別為9981.7 W·h/m2、563.048 kW·h,其次為最熱一天,說明光照條件是決定光伏系統發電量的重要因素。