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陈子龙,王芳,冯艳芬.以广州市为例的城市建筑屋顶光伏利用潜力的多元评价[J].太阳能,(11):64-74.
太阳能利用是实现城市新能源发展、促进节能减排的重要手段，其中，利用城市建筑屋顶安装光伏发电系统是城市太阳能利用的主要方式，对降低建筑能耗、提高城市可持续能源利用率、促进城市的低碳能源发展均具有重要作用[1]。因此，科学开展城市建筑屋顶光伏利用潜力评价显得尤为重要，屋顶光伏有效利用面积估算则是评价城市建筑屋顶光伏利用潜力的重点。如何提高建筑屋顶光伏有效利用面积估算的精度已成为屋顶光伏领域的研究热点[2]。
国内外学者针对建筑屋顶的光伏有效利用面积估算及光伏利用潜力评价已开展了大量研究。比如，文献[3-8]通过利用人口、土地及建筑等统计数据对建筑屋顶的有效利用面积进行了估算。其中：WIGINTON等[3]利用人口数据估算人均屋顶面积后，对建筑屋顶光伏利用潜力进行了评价；IZQUIERDO等[4]通过将人口、建筑物数量和土地利用等统计信息与经验占比系数相结合估算了可用的屋顶面积，并评价了建筑屋顶光伏利用潜力；RODRIGUEZ等[5]提出根据总屋顶面积及按照城市分类确定的利用系数来估算光伏发电系统的可利用屋顶面积。
为了进一步提高估算精度，文献[9-11]引入了利用率与影响因素来进行屋顶光伏有效利用面积的估算。其中：国际能源署(IEA)[9]使用地基面积与屋顶和立面总面积之比所确定的利用率，对欧洲的建筑屋顶光伏有效利用面积进行了估算；PENG等[10]使用总屋顶面积与总占地面积之比将占地面积转换为总屋顶面积，然后通过分析日光适应性和建筑适应性因素，估算了中国香港地区的建筑屋顶光伏有效利用面积。
随着地理信息系统和遥感技术的发展和应用，文献[1-2，12-19]研究了基于遥感影像及相关的实测数据来提取建筑屋顶的特征信息，为提高建筑屋顶光伏利用潜力评价的精度提供了新方法。其中：李勇[12]提出利用高性能计算技术和有效的数据分块方案，基于航空立体影像获取的数字地表模型(DSM)数据作为太阳辐射模型的数据基础，并提取了建筑屋顶的特征信息，对不同类型的建筑屋顶进行了光伏利用潜力分析；BERGAMASCO等[13]利用航空影像，并考虑阴影遮挡后，提高了屋顶可利用面积的估算精度；KO等[2]利用建筑高度数据进行了建筑阴影分析，从而可以更精确地得出可利用的建筑屋顶面积，并以此评价了中国台湾地区的建筑屋顶光伏利用潜力。
通过上述研究可以发现，影响城市建筑屋顶光伏有效利用面积估算的因素非常多，在研究方法和影响因素分析方面仍有待进一步探索，以提高估算精度。因此，本研究以广州市为研究区域，利用城市建筑物的矢量数据，从物理潜力、地理潜力和技术潜力这3个方面开展了城市建筑屋顶光伏利用潜力多元评价的研究。研究中引入了建筑阴影遮挡和植被遮挡概念以提高屋顶光伏有效利用面积的估算精度，并通过仿真软件对安装于建筑屋顶的光伏发电系统中光伏组件的最佳安装倾角和前后排光伏阵列的最佳间距进行了计算，进而估算出城市建筑屋顶光伏利用的发电潜力，以期为安装于城市建筑屋顶的光伏发电系统的规划和发展提供方法探索和数据支撑。
1研究区域的概况和研究方法
1.1研究区域的概况
广州市地处我国南部地区、位于广东省南部。广州市全市共下辖11个区，总面积为km2，建成区面积为.11km2。年，广州市常住人口为.59万人，城镇人口为.34万人，城镇化率达到86.46%[20-21]。
庞大的城市建筑数量和集聚的人口使广州市成为用电需求量极高的城市。年，广州市的年用电量达到了.58亿kWh[21]。随着光伏建筑一体化逐渐兴起，采用分布式光伏发电方式的光伏智能建筑势必将成为类似于广州市这种大城市建筑形式的发展趋势，并且此种建筑形式能进一步推动光伏发电系统在城市中的应用。
1.2研究方法
1.2.1光伏利用的物理潜力光伏利用的物理潜力是指太阳能量所到达目标地面的总和，可由太阳辐射量模型来表达。给定位置的总直接太阳辐射量Dirtot是所有太阳图扇区中直接太阳辐射量Dirθ,α(质心位于天顶角θ和太阳方位角α交点处)的总和，其表达式为：
1.2.2光伏利用的地理潜力
光伏利用的地理潜力是指能够得到足够太阳辐射量的屋顶空间的可用性，即估算可用于安装光伏发电系统的屋顶有效利用面积。
1)建筑的阴影遮挡分析。在非城市环境中，建筑周围几乎没有障碍，而在高楼林立的城市地区，建筑会受到周围楼宇的阴影遮挡。建筑阴影遮挡分析是针对建筑屋顶因受到周围楼宇阴影遮挡而影响其接收太阳辐射的光伏有效利用面积的分析。该分析由Hillshade模型来完成，需要考虑建筑高度等因素，先要根据建筑物标高计算山体阴影(Hillshade)值；而计算输出栅格中每个像元的Hillshade值，则需要知道太阳的高度角和α值[1]。Hillshade模型可表示为：
2)植被遮挡分析。在城市环境中，低矮的建筑被其周边高大植被遮挡的情况很容易被忽视，为了更加精确地估算建筑屋顶的光伏有效利用面积，植被遮挡分析十分必要。植被遮挡分析是指因植被遮挡从而对屋顶接收的太阳辐射产生影响的分析，主要通过归一化植被指数(NDVI)分析得到的植被覆盖度来体现，计算得到的NDVI为像元NDVI值。
式中：NIR为近红外波段的反射值；R为红外波段的反射值。
本文中NDVI值的取值范围为-1≤NDVI≤1，其中：NDVI为负值时，表示地面覆盖为云、水、雪等；NDVI为零时，表示有岩石或祼土等；NDVI为正值时，表示有植被覆盖，且此时NDVI值越高，说明植被覆盖度越高。像元植被覆盖度fv是指混合像元中植被所占像元的百分比，其表达式为：
式中：NDVIv和NDVI0分别为纯植被和纯裸土时的NDVI值，本文以研究区域中NDVI值的最大值和最小值分别作为NDVIv和NDVI0的值[22]。
1.2.3光伏利用的技术潜力
光伏利用的技术潜力是指光伏发电系统的安装技术及光伏组件的发电量潜力。此方面的潜力需要从光伏组件的最佳安装倾角、前后排光伏阵列的最佳间距、光伏组件倾斜面上接收的太阳辐射量和光伏组件发电量这几个方面进行分析计算。
1)光伏组件最佳安装倾角的确定。可利用公式或仿真软件模拟得到光伏组件的最佳安装倾角。当采用公式计算时，可通过计算光伏组件倾斜面上接收的最大年太阳辐射量来确定光伏组件的最佳安装倾角。而采用PVsyst6.4.3仿真软件模拟光伏组件的最佳安装倾角时，可通过调整光伏组件安装倾角的度数，使转位系数(transpositionfactor，TF)和集电平面全局(globaloncollectorplane)这2个参数达到最大，使最佳损耗(lossbyrespecttooptimum)为0%，此时得到的光伏组件安装倾角即为光伏组件的最佳安装倾角。
2)前后排光伏阵列最佳间距的计算。根据光伏组件最佳安装倾角，采用GB—《光伏发电站设计规范》[23]中规定的保证冬至日当天09:00-15:00(当地真太阳时)时段内前、后排光伏组件互不遮挡的最小间距公式来计算前后排光伏阵列的最佳间距。前后排光伏阵列最佳间距D的表达式为：
2城市建筑屋顶光伏利用潜力分析
根据广州市的行政区划及其地理区位特点，将广州市整体划分为5大区域进行分析。其中：将越秀区、海珠区、荔湾区、天河区、白云区5个中心城区定义为广州市区，作为1个区域分析；将番禺区和南沙区划分为1个区域分析；将增城区和黄埔区划分为1个区域分析；从化区和花都区均单独作为1个区域分析。
2.1光伏利用的物理潜力分析
根据WRDC的数据，对-年广州市的月太阳辐射量、不同季节太阳辐射量和年总太阳辐射量等数据进行统计分析。-年广州市不同季节时的太阳辐射量统计如表1所示。
由表1可以看出，在1年的4个季节中，广州市的太阳辐射量主要集中在夏、秋两季，而
由表2可以看出，广州市5大区域的月均太阳辐射量最大值均出现在7月，高达～MJ/m2；而最小值均出现在2月，只有～MJ/m2。广州市5大区域的月均太阳辐射量在～MJ/m2之间，最大值与最小值都出现在广州市南部地区的番禺区和南沙区，而最大值出现在夏季、最小值出现在春季，这是因为番禺区和南沙区毗邻珠江口，夏季时晴天多，阳光充足，而春季时雨水多，阳光较少。通过分析广州市5大区域的年均太阳辐射量可以发现，广州市的总太阳辐射量在地域上呈现南多北少的趋势。
从表2还可以看出，广州市5大区域的年均日照小时数在.4～.2h之间，基本上呈现从东南区域向西北区域递减的趋势。但广州市区是广州市全市中日照小时数相对较低的区域，这是因为市区的大气污染较严重，霾、雾、烟、尘较多，降低了该区域的日照小时数。从5大区域1年中的日照小时数分配情况来看，月均日照小时数最小值出现在3月，只有68.5～86.4h，这主要是因为3月时广州市正处于阴雨时节，大气透明度差，中、低云层时常布满天空；而月均日照小时数最大值出现在7月，范围为.2～.2h。
2.2光伏利用的地理潜力分析
光伏利用的地理潜力分析主要包括建筑屋顶总面积估算、建筑阴影遮挡分析、不可利用屋顶面积估算、植被遮挡分析，以及建筑屋顶光伏有效利用面积估算。
2.2.2建筑阴影遮挡分析
选取1年中4个重要的时间节点(春分、夏至、秋分、冬至)，将1天中的06:00-18:00分为4个时段，并选取06:00-09:00中的08:00、09:00-12:00中的11:00、12:00-15:00中的14:00及15:00-18:00中的17:00进行建筑阴影遮挡分析。该过程需要考虑到太阳方位角和太阳高度角，以及转换因子z等因素。z用于调整水平单位与垂直单位的测量单位，由于测量单位相同，因此z取默认值1。广州市重要时间节点的太阳高度角、太阳方位角的统计结果如表3所示。通过Hillshade模型对广州市的建筑物栅格数据进行建筑阴影遮挡分析，共进行16次分析，具体如图1所示。
2)建筑密度、建筑高度、植被覆盖程度及植被分布规律是影响屋顶光伏利用的地理潜力的关键因素。广州市区的建筑密度较大，且高层建筑集中分布，因此受阴影遮挡和日照小时数不足的影响较大；位于广州市北部地区的从化区、花都区，以及位于广州市南部地区的番禺区、南沙区的建筑密度较小，且高楼较少，因此受阴影遮挡和日照小时数不足的影响较小。与广州市区相比，北部山区及南部植被茂密且分布不规律区域的植被遮挡影响更显著。
3)广州市区分布有大量商圈、居民楼、基础设施建设，属于建筑密集区，建筑物总体量大，屋顶光伏有效利用面积大，发电量最多。由于地形原因，从化区与花都区的日照小时数与太阳辐射量不及南部地区，且建筑密度小，因此光伏发电系统的发电量较少；番禺区和南沙区、黄埔区和增城区这2大区域的太阳辐射量和日照小时数都占据优势，光伏发电潜力较大。广州市北部地区受地理位置、气候的影响，屋顶光伏发电系统的安装难度和成本较高，而中部地区和南部地区影响屋顶光伏发电系统安装的因素较少。
总体来看，广州市的建筑屋顶光伏利用在夏、秋两季有较大的物理潜力，且广州市南部地区的番禺区、南沙区的物理潜力较北部地区的花都区、从化区的大；广州市中部地区和南部地区均有较可观的地理潜力和技术潜力。广州市有较可观的屋顶光伏利用潜力，合理部署屋顶光伏发电系统，不仅能够有效促进城市的节能减排，还可对发展城市光伏智能建筑、改善城市环境具有积极的推动作用。由于本文未考虑社会因素及人口和用电需求产生的影响，关于屋顶方面的分析也未考虑屋顶特征参数，因此综合这些因素的屋顶光伏利用潜力分析是未来进一步研究的重点。
作者
陈子龙，王芳，冯艳芬
单位
广州大学地理科学与遥感学院
来源
《太阳能》杂志年第11期P64—P74
DOI:10./j.-.tyn.02
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