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：光伏產業是一個具有全球競爭力和差異化的產業，面臨激烈的國際競爭。來自不同國家的公司在技術創新、產品質量和成本控制方面都取得了各自獨特的競爭優勢。與此同時，各國在光伏產業的發展戰略和優先事項上存在差異，光伏與建筑的結合是光伏應用最重要的領域之一，以光伏為代表的綠色建筑中清潔能源應用的快速發展。根據技術實踐，對不同建筑類型的光伏系統可安裝面積進行了調查，推導出了屋頂光伏可用面積評估方法，為推廣光伏應用提供了計算依據。

關鍵詞：光伏;面積;評估方法;分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20241204

在我國光伏發電規模持續擴大的背景下，實際運行過程中仍存在問題。隨著研究和技術的進步，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，使用光伏發電可以減少對傳統能源的依賴，減少化石燃料的消耗和排放，減少能源短缺帶來的負面影響。光伏產業的發展方向是符合可持續性和環境保護、產業鏈的完整性和垂直整合、強大的國際競爭力和發展趨勢的差異性、行業波動性和周期性。了解這些特性對于了解光伏行業的發展趨勢、制定戰略和評估具有重要意義。

一、光伏產業發展背景分析

（一）光伏行業發展形勢

我國政府通過一系列政策積極支持光伏產業發展，提供了廣闊的市場空間和穩定的投資環境。其中包括對光伏網絡電價的補貼、補貼光伏產業的資金等。政策的實施促進了光伏產業的快速發展，并吸引了大量的經濟和技術投資。

光伏技術不斷創新和進步，在改進光伏組件材料、提高太陽能電池效率和優化制造工藝方面取得重大進展。特別是隨著單晶硅、多晶硅、薄膜和PERC等光伏電池新技術的引入，光伏發電效率顯著提高，同時降低了成本。預計在未來幾年，隨著技術的成熟和大規模生產的推進，成本將進一步降低，企業的競爭力將進一步提高。

隨著全球對環境保護和可再生能源的日益關注，以及國家能源轉型的推進，光伏行業的市場需求持續增長。此外，光伏發電具有分散設計和低碳發電的優勢，滿足了人們對可持續發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水平上占據著重要地位。只有不斷提高技術水平，積極開放國際市場，光伏產業才能在競爭中保持領先地位。

（二）太陽能光伏電池組件選擇及安裝

根據電氣需求，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備，關系到光伏新能源生成效率和質量，因此需要結合項目自身情況，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、復合晶硅以及多晶硅，主要性能如表1所示。

根據表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，但是光電轉換方面優于其他兩種電池板，并且使用壽命也較長，更適用于電力節能使用，因此選擇單晶硅類型的電池板作為光伏新能源發電設備。

由于光伏項目建設地點空間面積大，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系到太陽能光伏發電效率，因此在安裝過程中要對太陽能電池板安裝方位和角度進行合理設計。

正常情況下，一天當中中午的太陽能輻射強度最強，但是中午太陽入射角比較低，東、南、西、北四個方位中南向更容易獲得最強的太陽能輻射，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，這是因為太陽光在直射過程中，受到環境中某些因素干擾發生折射效應，從而產生偏差，因此在安裝時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項目地理位置，光伏電池板安裝傾斜角度決定著發電的有效面積，光伏電池板傾角與太陽能入射角存在著一定的線性關系，具體如圖1所示。

圖1? 光伏電池板傾角與太陽入射角關系

如圖1所示，當光伏電池與太陽光入射線垂直時，光伏電池板發電有效面積越大，且發電效率越高，當地太陽光入射線角度與當地緯度一致，因此在安裝過程中將光伏電池板傾角調整為，與所在地緯度值。蓄電池組和逆變器安裝在配電箱內，并采用并聯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行控制。

（三）太陽能光伏并網發電

考慮到電氣用電量較大，太陽能光伏發電具有一定的局限性，在夜里或者陰天時，太陽能光伏電池組件是無法進行發電的，完全依靠太陽能光伏發電電量，無法滿足用電需求，因此此次采用并網光伏發電形式，即將太陽能光伏發電系統與供電系統組串在一起，共同為供電。每4～6塊光伏電池板組件為一個光伏方陣，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數量；表示標準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；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，與電池板上的半導體產生光伏效應，產生電動勢現象，從而產生光生電流。采用組串逆變的方式對逆變器進行并網，每個光伏方陣串聯為1路，一個逆變器負責2～3路光伏方陣能量轉換，由逆變器將光生電流轉換為電能，轉換公式為：

（2）

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

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

在技術應用中，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，一些小占地設施以外，每個建筑物類型都可以配置光伏系統。但是，根據不同的建筑物形式和結構特點以及在外立面設計上的不同，光伏系統在建筑立面配置中的優先級也不同。大多數外墻是玻璃幕墻或大型實體墻，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需求，可根據遮陽能力加裝戶外遮陽組件。在城市建設中，建筑物具有獨特的建筑風格，外墻表面元素也比較規則，一般由大面積的外墻或玻璃幕墻所構成。內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

大型商業居住區內，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，多設置有空心房采光系統，其屋面形式也多為平屋面，而房屋內光伏系統的設計方式也大多是平屋面安裝、光伏采光頂棚、太陽能光伏發電系統幕墻、光電企業遮陽等形式，對商業建筑物中光伏系統的安裝面積估算為：

（3）

公式（3）中，K 表示控制性詳細規劃中用地的建筑密度；V 表示控制性詳細規劃中用地的容積率；β 表示建筑日照立面面積系數，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象的關鍵方法。杭州電子科技學院的徐福元使用谷歌的免費衛星圖像所獲得的屋頂區域。首先，采用邊緣檢測技術中的閾值劃分方式對圖像進行細分。中國礦業大學的郭曉林根據提取樣本區屋頂區域時的坐標，從樣本區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。該地區的天空圖估計了整個輻射面積，并計算下一個太陽輻射樣本，簡單地測量屋頂面積，并基于其他影響因素計算了屋頂發電量的近似值。

（二）GIS功能的評估方法

地理信息系統（GIS）和地理信息系統在過去二十年中發展迅速。GIS的分析功能為評價太陽輻射提供了技術支持。劉光旭在分析江蘇省13個氣象站2000年的數據時，利用ARCGIS 9.2中的反距離輸入，對當地年平均日照時數和日照時數進行了制圖和統計分析。基于Aregis 9.2中的疊加分析，確定了太陽輻射劑量，并計算了13個城市的生活空間。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，并計算評估區域的年平均太陽輻射量。與二者相比，該方法結合了太陽能的自然特性和社會特性進行分析，得到的實驗結果更符合實際。但屋頂太陽的實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。

（三）結合遙感反演的評估方法

遙感圖像被用作已知數據來計算影響大氣遙感圖像的未知量。北京大學遙感地理信息研究院的陸揚，將定量遙感技術和GIS三維數據技術相結合，提供了一種評價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區，通過基于風云二號和風云三號衛星的大數據分析，對地表IC圖進行反演，得到太陽輻射值。平坦表面的預測是好的，但在復雜地形區域也存在一些缺點。

（四）激光雷達技術對屋頂光伏面積的潛力評估

激光雷達技術發展迅速，用戶可以使用該設備向目標物體發送光束，接收目標物體返回的信號，然后進行適當的處理以獲得所需的數據。和其他的數值檢測技術一樣，激光雷達技術也擁有高度精確的去除技術，因此能夠迅速獲取精確的數值和數字地表數據。這是基于屋頂的垂直墻面積分析太陽輻射的一種較好的技術方法。來自南京林業大學森林資源與環境保護工程學院的教授曹琳正在利用卡波村主校區作為試驗場地，運用激光雷達的點云數據、CCD多源特征融合以及面向對象分析技術，獲得個人建筑數據，并通過結合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。考慮到低建筑植被的問題，試驗結果揭示了研究區內各個季節屋頂上太陽輻射的變化規律，體現出整個季節建筑全天光照強度的變化趨勢。

四、小結

屋頂光伏使用面積的評估方式多樣，評估結果也較為理想。但是，相對于垂直墻來說，它所采取的方式比較特殊。基于水平屋頂和垂直墻壁的光伏電勢分析問題的關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，激光雷達技術的發展已經幫助科學家們提取數據和研究垂直墻面問題。在評估太陽輻射方面，激光雷達技術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云氣象衛星進行比較，評估該地區的太陽輻射研究結果，為未來的投資和發展提供重要參考。

參考文獻：

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