原创《国外光伏建筑一体化太阳能利用潜力综述》
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摘 要：建筑产业是一个高消费、高能耗、高污染的产业,其行业现状是难以满足可持续发展要求,太阳能等可再生能源替代传统能源与建筑相结合,对于当前存在的资源危机、环境污染及可再生能源的开发和利用有着重要意义.本文通过对国外相关文献进行阅读、梳理与总结,对国外光伏建筑一体化太阳能利用潜力进行评估综述,对于光伏建筑一体化的研究与推广,可再生能源在建筑上的应用具有十分重要的意义.
关键词：光伏建筑；太阳能；利用潜力；研究综述；
一引言
目前,建筑节能措施对太阳能等可再生能源的利用往往侧重于被动式的建筑围护结构节能技术,对主动式利用太阳能技术的光伏建筑一体化等建筑节能环节和措施有所忽略,从而使太阳能等可再生能源在建筑上的应用未能发挥出最大潜力,造成了一定程度上的资源浪费.通过对国外相关文献进行阅读、梳理与总结,发现国外对光伏建筑一体化的应用潜力评估研究早于国内,且较为成熟.下面对国外的光伏建筑一体化的应用潜力评估情况进行综述.
二国外光伏建筑一体化太阳能利用潜力研究综述
在国外,特别是德国、美国、澳大利亚、西班牙、希腊、以色列等国家,太阳能光伏技术在建筑上已经被广泛应用,为了在城市中更好地推广光伏建筑,加大可再生能源在建筑中的比重,国外政府及各研究机构率先开展了太阳能光伏在建筑中应用潜力评估的研究.通过文献分析,国外主要从城市形态及BIPV的技术、经济、环境三个视角来评估建筑光伏利用的潜力.
(1)基于城市形态的光伏利用潜力评估研究
随着太阳能光伏一体化技术在城市中的发展,政府机构、城市规划师、建筑师及学者们开始从城市规划及城市设计阶段,研究城市形态、城市布局等与光伏建筑潜力之间的关系.
K．Wiginton等(2010)将地理信息系统和特定对象图像识别功能合并在一起,并制定了一个五步程序来估算涉及该地区地理分区的屋顶光伏潜力,得出该地区的潜在的光伏峰值功率输出为5. 74吉瓦,占该地区峰值电力需求的157%.这表明安大略省30%的能源需求可以通过全省范围的屋顶光伏部署得到满足[1].LucaBergamasco．Pietro Asinari( 2011)基于对空间相关图像的系统分析和处理,提出计算太阳能集成装置的全新算法来计算可用屋顶表面的光伏潜力,该算法在MATLAB中开发,用于系统化屋顶采样,能说明安装屋顶共享的可能性、间距亮度、阴影和最终安装倾斜角度[2].
对于城市布局及太阳能潜力的评估,有学者考虑整个建筑外表面的光伏可用面积．HC Roura?．A Curreli(2013)从城市布局的角度出发,讨论了街区的高宽比和城市格局的方向两个参数之间的关系,并以垂直太阳能潜力为指标从定性和定量两方面来评估不同城市布局对地中海气候的照明要求的响应,以及城市街区不同侧面的太阳能收益,且该研究选择有代表性的现有案例研究,以根据气候需求改善和调节太阳能收益[：3].JouriKantersa等(2014)进行了一系列,如设计布局、建筑密度等参数的研究,用DIVA - for- Rhino模拟评估瑞典四种常见城市街区设计的太阳能潜力,得到了在瑞典的研究条件,即只有低密度(FSI<1.25)才能实现100%或更高的太阳能覆盖率,同时,这些太阳能潜力研究可以为想要进行成本和效益分析的房地产业主提供基础文件.该研究的一个很大的局限性为太阳能进行年度与月度或小时生产和覆盖率的问题没有进一步研究[们.
准确量化建筑围护结构上产生的复杂和动态的阴影效果是预测太阳能利用效率的关键,而这反过来又可以显着影响日光和建筑物的热性能,以及PV和其他可再生能源的潜力.因此Gabriele Lobaccaroa( 2014)提出了一种基于Rhinoceros软件的参数动态化设计方法.该方法对比了同一地块上按照常规的设计方案和采用新方法的设计方案,两个方案的建筑体积一样,模拟结果显示新的方案的建筑表面可以多获得5.3～7.3%的太阳辐射量【5].同年Jouri Kantersa( 2014)从城市规划的角度考察了形态、密度、屋顶类型和方向等重要设计决策对净零能源太阳能建筑太阳能潜力的影响[6].Kyung Sun Lee(2016)比较了三个不同的城市区域,通过住房密度变化显示了太阳能潜力的范围,并提供了一种使用模拟程序评估城市规模太阳能潜力以及住房密度与城市设计之间关系的方法[7].Nahid Mohajeri等(2017)对瑞士日内瓦市的太阳能潜力进行研究,主要通过人口、建筑物数量、建筑物累计地面面积、累计街道长度,同时还包括气候条件及城市形态的因素如城市的密集程度等几个因素来预测地区的PV潜力[s].AdiVulkan．Itai Kloog等(2018)旨在估算在密集的城市地区典型的住宅建筑类型中建筑一体化光伏发电的潜在发电量,描述了一种新的城市环境中阴影时空计算算法,建筑物投射的阴影的3D建模采用了新的R包,研究具有多种建筑类型的以色列社区,模拟显示哪种建筑类型提供最大的太阳能潜力[9].
(2)基于BIPV技术、经济、环境的潜力评估研究
除了以城市形态、城市规划的视角,部分国外学者对建筑中光伏系统的利用潜力评估研究,还考虑了建筑光伏太阳能容量、电力贡献率、全生命周期经济成本、投资回收期、碳排放回收期等技术经济与环境指标层面的利用潜力.
J．Ordofn? ez等(2010)通过计算可以安装在建筑物屋顶上的并网光伏阵列的能量容量,使用统计构建数据以及从Google EarthTM获得的数字城市地图来测量总人口中建筑物的代表性样本的有用屋顶表面积,计算了西班牙八个省的每一个的能量生成潜力.通过总能耗和总电力贡献的计算表明,能满足西班牙所有能源需求的78. 89%[10].Martin Mitscher等(2012)通过巴西五个典型代表小型屋顶设施分析并网分布式太阳能光伏发电在三种不同利率情况下的经济竞争力.分析利率发展、电价发展、光伏系统下降等影响巴西PV竞争力的因素,并提出应用学习曲线来评估PV行业成本降低潜力[11].
随着技术成本的下降,建筑一体化光伏发电和建筑应用光伏(BIPV和BAPV)可以有效且具有成本竞争力地在城市环境中提供电力.isis Portolan dos Santos等(2012)为评估光伏在建筑上的应用潜力,测量并比较了薄膜非晶硅和传统晶体硅太阳能光伏技术的年产量性能,并提出了太阳能光伏套件,并评估这些光伏套件替代品的季节性能源生成潜力[12].Julieta SchallenbergRodr?´guez (2013)提出来利用成本资源曲线的经济评估确定地区和岛屿屋顶上光伏潜力的方法,并用于加那利群岛进行了验证[13].Stephen Berry“．Did Whaley(2015)以南澳公园绿色村庄为研究对象,检测和分析每座住宅的能源和电力,通过研究太阳能辐射发电量、系统效率、高峰需求管理及极端气候事件的长度影响峰值电力需求的幅度等来表明光伏系统对家庭住宅的季节性贡献及额外收益.Vivian W.Y．Tam等(2017)以澳大利亚八个主要城市为样本进行调查,分八个步骤探讨了不同类型电网连接系统的生命周期成本的比较,考察了生命周期成本效益,并选择重要参数进行敏感性分析.发现其生命周期成本效益与25年期间住宅居民人数和？肖耗量相关,光伏太阳能系统容量越高,可获得的生命周期成本节省越高[15].Moien A Omar(2018)以运行了三年的光伏家庭系统为研究对象,对其运行两年的数据进行测量,通过最终年产量、月产量、日产量等主要参数的计算,研究了系统的技术性能,通过各动态经济指标的计算,对光伏家庭系统的经济可行性进行评估.最终以确定家庭光伏系统在技术及经济上的可行性[16].
光伏建筑一体化是一项非常复杂的任务,需要一种动态的整体方法,以平衡与能源绩效,经济,环境,空间／城市,功能,美学和社会方面相关的相互关联．VesnaKosor17等(2018)提出了一种多标准决策(MCDM)方法,用于选择最佳PV集成设计变量,定义了光伏整合到新加坡现有公共高层住宅建筑中的一般模型,并概述了与之相关的挑战和益处[17].Mahelet G．Fikru (2018)提出急需的太阳能住宅生态学框架,以了解能源？肖耗,能源生产,储存和对清洁能源的依赖之间的关系.引入了成本最小化和效用最大化模型,该模型提供了一次性成本最小化和效用最大化选择,为光伏建筑一体化的经济潜力研究奠定基础[18].Ricardo Mateus等(2018)研究了一个独立的单户住宅建筑的维护,基础,成本最优和零能耗四种改造方案.分析不同能源改造情景的环境和生命周期成本,评估太阳能系统对实现三个能级性能水平的贡献,该研究还显示了因使用每种能源系统而产生的有吸引力的经济和碳回收时间[19].以往学者的研究广泛探索和开发了屋顶光伏系统投资回收期的生命周期能源评估和成本分析.Yan Li．Chunlu Liu(2018)提出了一种新方法,该方法结合了生命周期成本(LCC)方法和像素方法,用于可视化建设光伏项目的经济潜力.设计师和施工经理可以在设计和构建潜在光伏项目的经济方面的可视化中受益,结果有助于明智地建设光伏项目和有效利用可再生能源[20].
三结论及建议
从以上研究可以发现,为了更好地利用城市中的太阳能、缓解城市中能源危机、降低建筑能耗,评估城市中建筑光伏利用潜力已成为研究热点.根据以上国外研究现状可以从两方面概括太阳能光伏建筑利用潜力的评估研究.其一,以城市建筑为研究对象,利用GIS等工具进行城市形态的建筑光伏利用潜力研究；其二,以区域住宅及民用建筑为研究对象,对建筑屋顶的技术、经济、环境利用潜力进行定性及定量评估.
同时与住宅建筑相比,公共建筑应用光伏发电系统往往更具优势,一方面,公共建筑拥有更为宽广与平整的屋顶,具备放置光伏电池板的条件；另一方面,公共建筑所适用的商业电价要远高于居民电价,分布式光伏发电更能凸显其经济性.因此,根据前人研究的不足,以后的研究可立足于城市住宅以外的公共建筑角度,对整个建筑表面的太阳能利用潜力进行评估,充分发挥太阳能等可再生能源在城市中的利用潜力,缓解城市建设领域的能耗需求.
太阳能论文参考资料：
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