【《太阳能电池在居住建筑中的布置设计分析》14000字（论文）】

太阳能电池在居住建筑中的布置设计研究目录TOC\o"1-2"\h\u40281绪论 1293661.1研究背景与研究意义 1283421.2太阳能利用的发展现状 1327371.3光伏建筑的发展概况 384601.4本文内容 5212332光伏建筑中太阳能电池的关键技术 67052.1太阳能电池效率分析 6209322.2最大功率追踪技术 6318902.3系统的并网与离网特性 7233162.4光伏建筑美学设计 9285412.5光伏器件清洁问题 10318472.6本章小结 10105993影响太阳能电池设计的主要因素 12206433.1太阳能电池电能质量 1250943.2太阳能电池朝向与倾角 1351563.3太阳能电池的阴影遮挡 1557673.4逆变器的选型与安装 1688263.5太阳能电池成本分析 18122863.6本章小结 20295104基于PVsyst的太阳能电池布置设计分析 2197664.1PVsyst软件介绍 2158344.2基于PVsyst的太阳能电池布置设计 21273294.3阴影遮挡与系统效率分析 26307594.4光伏并网系统分析 338404.5本章小结 3467515结论与展望 35297865.1结论 35283095.2未来展望 3530092参考文献 36--PAGE1-1绪论1.1研究背景与研究意义能源对经济发展和社会进步至关重要。当今世界，随着人口的增长和经济的迅速发展，传统的化石能源已经被消耗殆尽REF_Ref29455\w\h[1]。太阳能作为转换电力的新能源之一，取之不尽用之不竭REF_Ref32599\w\h[2]，既可以缓解煤、石油、天然气等传统能源的压力，又可以减少二氧化碳的排放保护环境，尤其在电网扩建较为困难的偏远农村，太阳能更是众多新能源中的最佳选择。在太阳能得到大力发展的大背景下，光伏建筑作为利用太阳能的形式之一，具有诸多优点，近年来正得到迅猛发展。首先，安装在房顶或建筑立面的太阳能设备不占用土地资源，与建筑外形通过统一设计完美契合，具有一定观赏性。在集合住宅建筑中，还可避免个体使用者“各自为营”的状况，使建筑技术与建筑艺术相辅相成。其次，光伏建筑主要利用太阳能电池板发电，产能过程无污染，不会像传统能源一样产生二氧化碳等温室气体REF_Ref32694\w\h[3]。另外，在居住建筑中，建筑采暖、空调以及通风系统耗能约占建筑能耗的五成左右，光伏建筑产生的电能和热能可以直接用于采暖系统和空调系统，这节省了传统电力冬夏季在取暖消暑上的消耗REF_Ref8\w\h[4]。尤其在我国用电高峰期的夏季，光伏建筑发电量达到最大的时间恰与用电高峰期相吻合，这就在一定程度上缓解了电网压力REF_Ref93\w\h[5]。在土地资源紧张和能源匮乏的今天，光伏建筑将新能源与传统建筑巧妙结合，已成为建筑行业的新生力量。在光伏建筑中，太阳能电池作为主要的电能转换装置，其在光伏建筑中的摆放位置、大小间距和朝向倾角都对光伏建筑的发电量有不小的影响，本文将针对这一问题，研究太阳能电池在居住建筑中的布局设计。1.2太阳能利用的发展现状1.2.1国外太阳能发展现状近年来，世界各国太阳能产业发展迅速。欧洲各国一直积极推动太阳能技术的发展，主要包括太阳能热利用技术和太阳能发电技术。到21世纪末，欧洲太阳能热产量达到48.3万亿焦耳，太阳能发电总量达到2518百万千瓦时REF_Ref165\r\h[6]。美国从1973年以来，一直致力于太阳能的发展，累计投资8亿多美元，制定政府级阳光发电计划并将光伏发电列入公共电力计划，截至2019年美国太阳能发电装机容量以达77.7GW，美国政府仍预计在2021年新增39.1GW。此外美国更是研制出效率接近50%的太阳能电池，且有数不胜数的光伏电厂REF_Ref256\r\h[7]。例如由Exelon能源公司开发，第一太阳能公司FirstSolar承建，投资13.6亿美元的南加州羚羊谷太阳能农场如图1.1所示：图1.1美国羚羊谷太阳能农场日本作为二战后快速发展的国家，自上世纪60年代起就开始对太阳能电池进行研究并批量生产，在石油危机之后，日本分别启动“阳光计划”和“新阳光计划”，使日本在太阳能领域多年领跑于世界。截至2018年底，日本光伏装机容量达55.5GW并计划在2030年增至155GW，提供全国发电量的15%。中国周边的一些国家如印度、韩国等截至目前累计装机容量分别为41.6GW，15.6GWREF_Ref311\r\h[8]。1.2.2国内太阳能发展现状我国地理位置优越，太阳能资源丰富，适合进行太阳能的开发利用。我国对太阳能的利用肇始于上世纪70年代，此后，政府将太阳能纳入国家计划并给予相应的物资支持。我国对太阳能的利用主要分为热利用和光伏发电两种方式。在热利用方面最常见的就是家家户户都安装使用的太阳能热水器，截至2020年底，我国太阳能热利用面积已达15.2亿平米；在光伏发电方面，我国虽然起步晚且许多技术被西方国家封锁，但随着近年来太阳能行业的发展，也取得了显著的成就REF_Ref383\r\h[9]。上世纪90年代末，我国建立起世界海拔最高、装机容量最大的发电站，装机容量为100KW；2010年我国太阳能装机容量比上一年增长一倍，2020年装机容量达206GW，并预计在2050年将太阳能发电量提升至全国总发电量的5%。根据统计数据计算，自2013年启动开始，截止2018年底，中国光伏装机总量达到174.19GW，年复合增长率超过73％，较之2012年的6.5GW增长约26倍REF_Ref449\w\h[10]。如图1.2所示：图1.2中国光伏累计装机量分析图我国对太阳能的利用虽然起步晚，但随着社会的发展，我国太阳能技术正日趋成熟，太阳能产品的质量不断提升，产量逐年增加，样式也更加多元化。目前太阳能已可以代替部分常规能源，太阳能的利用也成为我国发展资源节约型、环境友好型社会的重要措施。1.3光伏建筑的发展概况光伏建筑（BuildingIntegratedPhotovoltaic），简称BIPV，是指将光伏板等材料作为一种建筑材料，在构成建筑一部分的同时，又起到发电的作用来为建筑内部供给一部分电力的系统。相对于直接将光伏板摆在房顶上的传统发电形式，光伏建筑更加节省空间也更加具有观赏性，现已成为建筑行业的一种新趋势。光伏板与产品结合的最早应用可以追溯到卫星和国际空间站上，到后来，BIPV技术广泛的应用于航天领域中，例如机遇号着陆火星表面时，探测车采用的半片及串并联线路设计即为典型的太阳能产品，如图1.3所示：图1.3机遇号探测火星在21世纪的今天，光伏建筑的发展已经愈发成熟，已经不局限于固定的单一产品，而是发展的更加全面广泛，现已和人们居住的建筑相互结合。如图1.4为尚德生态大楼，建筑主要采用光伏幕墙和光伏屋顶，墙面略微倾斜，朝向坐北朝南，且兼具发电量和观赏性。图1.4尚德生态大楼光伏建筑通过铺设光伏方阵将太阳能电池与建筑材料相结合，实现了大型建筑尤其是高耗能建筑的电力自给，是未来建筑行业和太阳能行业的重要发展方向，当今世界，太阳能行业的发展如日中天，光伏建筑必将成为21世纪最受重视的新兴产业REF_Ref762\r\h[11]。但由于光伏建筑事业还处于起步阶段，一些国家相关法律法规不健全，太阳能电池在居住建筑中的摆放布局等问题亟待解决。1.4本文内容本文主要针对太阳能电池在居住建筑中的布局设计展开研究，第一章对太阳能和光伏建筑的发展现状进行综述；第二章分析光伏建筑中太阳能电池的关键技术和光伏板的清洁问题；第三章对影响光伏板发电量的主要因素做理论分析并进行光伏建筑的模型设计；第四章运用PVsyst软件对模型进行建模仿真并分析阴影遮挡对太阳能电池发电量的影响。

2光伏建筑中太阳能电池的关键技术太阳能作为分布广泛储量巨大的一种绿色新型能源，近年来得到了广泛的应用，太阳能光伏发电是利用太阳能最科学最合理的方法之一。本章节将就太阳能电池的效率做简要分析，重点讨论光伏发电中的最大功率追踪技术、太阳能发电系统中的并网离网特性和光伏板的清洁问题。2.1太阳能电池效率分析光伏电能来源于太阳能电池。太阳能电池工作的原理是利用光生伏打效应来直接或间接地产生电能，太阳能电池的转化效率就是电池的输出功率占入射光功率百分数REF_Ref948\w\h[12]。太阳能电池的转换效率为：（2.1）式中，为开路电压，为短路电流，为填充因子，为入射光功率密度。太阳能电池在光电能量转换过程中，由于光的反射和折射造成的能量损失以及开路电压、短路电流等因素的影响，实际转换效率要远低于理论转换效率REF_Ref1177\w\h[13]。除了公式中的参数外，太阳能电池的转换效率还与以下两个因素有关：（1）光照强度。太阳能电池作为太阳能转换为电能的主要装置，在一般情况下（25℃，大气质量AM1.5），其转换效率随光照强度的增强而提高。（2）电池的材料。不同的材料对光的吸收系数不同，禁带宽度不同，量子效率也不同，电池效率也各有差异。商用太阳能电池的最大转换效率为20-21%，在实验室可以达到25%的效率；太阳能电池模块的总效率在15%-17%之间，在实际操作条件下低于标称效率REF_Ref1275\w\h[14]。因此，在进行光伏阵列的安装时，要尽可能使太阳光全部照射在\o"添加到收藏夹"太阳能电池板上。2.2最大功率追踪技术在太阳能电池发电过程中，很多参数会影响太阳能电池的P-V特性，其中包括电池板型号、大小、温度、太阳辐照度等，当太阳能电池组的型号和参数确定后，光伏阵列系统所提供的功率主要随着太阳辐照度和温度的变化而变化。为了使从光伏阵列到负载的能量传输达到最大化，需强制工作点位于最大功率点（Maximumpowerpoint,MPP）。因此，欲使光伏系统的效率最大化，必须对光伏阵列的最大功率点进行跟踪REF_Ref2323\w\h[15]。如图2.1所示为太阳能电池的P-V特性曲线，根据电导增量法可知当功率对电压的导数为零时，得到最大功率点（MPP）。一般来说，为了达到最大运行功率点，调节光伏输出电压，使其在/斜率为正时增大，在/斜率为负时减小。提供最大功率点连续提取的控制由以下给出：（2.2）式中，是提供最大功率的最佳电压，是比例增益，是两个工作点之间的功率变化，是两个工作点之间的电压变化REF_Ref2375\w\h[16]。图2.1P-V特性曲线2.3系统的并网与离网特性太阳能光伏发电系统分为光伏并网发电系统和光伏离网发电系统。光伏并网发电系统直接与国家电网相连接，离网光伏系统不连接电网自发自用。2.3.1光伏并网系统特性并网光伏发电系统将光伏发电系统与国家电网整合在一起，运用逆变器将光伏所发的直流电转换为交流电，科学合理地分配光伏系统的发电量。当太阳辐照强时，光伏系统在供给交流负载的同时，将多余的电力流入电网；当太阳辐照弱时，由光伏系统和国家电网共同供给交流负载。此外，若系统负载中存在直流负载，可由光伏系统直接供给。并网系统结构图如图2.2所示：图2.2并网系统结构图光伏并网系统的优势主要有：将光伏系统与电网相连，蓄电池的使用量减少，避免蓄电池的二次污染，系统的故障概率降低，节省大量建设资源，发电成本降低，太阳能光伏发电的综合效益提升；采取分布式安装方式，因地制宜，可自动、灵活地接入或退出电网，提升了电力系统的防御能力，降低了电路损耗，使用电环境更安全。具有调峰作用，提升了电力系统的运行稳定性REF_Ref2607\w\h[17]。2.3.2光伏离网系统特性光伏离网系统一般包括太阳能电池组组成的光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器和交直流负载等。具体结构如图2.3所示：图2.3离网光伏系统结构图光伏方阵在光照充足时光伏系统将太阳能转化为电能，通过\t"/item/%E7%A6%BB%E7%BD%91%E5%9E%8B%E5%85%89%E4%BC%8F%E5%8F%91%E7%94%B5%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"控制器直接给直流负载供电并通过逆变器转换为交流电给交流负载供电，同时额外的电量储存到蓄电池组中；在光照较弱时，由光伏系统和蓄电池组共同为支流负载供电，并由蓄电池组通过逆变器转换为交流电为交流负载供电。离网光伏发电系统不受地域的限制，只要有阳光照射的地方就可以安装使用，有很强的实用性。与并网系统相比，离网系统具有如下特点：可实现对蓄电池组恒压恒流充电过程的自动管理；具有最大功率追踪功能，可发挥太阳能电池的最大效率；输出电压稳定，抗扰能力强；保护功能完善，具有过充、过放、输出过压、过流等多种保护REF_Ref2790\w\h[18]。离网系统与并网系统相比，虽然应用范围广泛，但在居住建筑中，独立的光伏系统的发电量往往不能满足用户需求，存在断电的风险，且独立光伏系统蓄电池需求大，维护成本高，因此不适用于一般的居住建筑。2.4光伏建筑美学设计在进行光伏建筑的设计时必须首先现场勘察，且安装好系统之后必须进行调试工作REF_Ref2921\r\h[19]。具体流程如图2.4所示：图2.4光伏建筑设计流程光伏建筑作为建筑的一种，除了需要具备光伏系统的发电作用和作为建筑的支撑作用以及适合居住的特性之外，观赏性也尤为重要。在光伏建筑中，光伏组件主要有光伏幕墙、光伏玻璃、太阳能空调、光伏屋顶等。在设计时，光伏幕墙与普通的墙体一样，要以支撑固定作用为主，兼顾吸收太阳能起到发电的作用，因此可以在设计时设计成斜体，但不宜过度倾斜，以便最大限度地达到预期效果，并为后续的光伏玻璃的铺设做好基础；在铺设光伏玻璃时，要考虑建筑物的朝向、光伏幕墙的倾斜程度以及当地的纬度，选择出最佳的光伏玻璃的倾斜角度和设计出合理的布局；光伏屋顶的设计也需要综合考虑以上因素和电池的型号大小规模等，也要使建筑具有一定的观赏性REF_Ref3094\r\h[20]。2.5光伏器件清洁问题在安装光伏板等器件后，还需考虑包括光伏板的清洁问题REF_Ref3143\w\h[21]。诸如光伏玻璃，太阳能空调等室内光伏器件，一般进行人工擦拭或冲洗，而光伏板这种大面积的室外器件目前有以下三种清洁方式：（1）人工清洗/人工用工具清洗：人工拿水管冲洗，在进行擦拭。优点：清洗干净。缺点：清洗时间漫长，人员不好管理，浪水水资源，安全系数低，人员踩踏电池板容易造成隐裂。（2）机械化清洗车：一般清洗车体积庞大，在光伏行与行之间进行清洗，冲刷。优点：省人工。缺点：对现场安装间距有要求，且清洗不均匀。（3）智能光伏板清洁机器人：由机器人进行清扫清洗。优点：省时省力，清洗均匀，节约水资源，一次投入可以使用3-7年的时间，清洗周期，清洗次数可以按情况而定。缺点：顽固污渍难以清洗REF_Ref3195\w\h[22]。2.6本章小结本章节通过对太阳能电池效率、最大功率追踪技术、系统的并网离网特性、光伏建筑美学和光伏板的清洁问题的介绍，阐述了光照强度、光伏板清洁情况对太阳能电池发电的理论影响情况，分析了并网系统相较于离网系统的特点和优势，因此在居住建筑中进行太阳能电池布局时要选择并网系统并需要综合考虑电池特点与观赏性以及后期的清洁问题。

3影响太阳能电池设计的主要因素3.1太阳能电池电能质量3.1.1太阳能电池的分类太阳能电池板是指将单体光伏电池以一定的方式进行串并联，并进行封装构成的光伏组件，包括钢化玻璃、EVA胶膜1、电池片、EVA胶膜2、背板、接线盒以及铝合金边框REF_Ref3411\w\h[23]，如图3.1所示：图3.1太阳能光伏板的结构目前市面上的光伏电池板主要包括以下几种：（1）单晶硅光伏电池光电转换效率：15%左右，最高可达24%左右。优点：坚固耐用，使用寿命长，一般可达15年，最高可达25年。缺点：制作成本大，不能广泛普及。（2）多晶硅光伏电池光电转换效率：12%左右。优点：生产成本较低，节约材料与电耗，发展前景好，性价比高。缺点：效率低，使用寿命短。（3）非晶硅光伏电池光电转换效率：10%左右。优点：加工过程简化，节省材料与电耗，且在强光、弱光条件下均可发电。缺点：光电转换效率太低，不够稳定，随着时间的延长，其转换效率逐渐降低REF_Ref3469\w\h[24]。3.1.2太阳能电池的主要参数太阳能电池的选型对于后续的发电至关重要，是整个系统的龙头环节，不同的型号对应的发电量不同，维护维修成本不同，后续逆变器的选型以及整个系统的电压电流要求也不同，所以在进行太阳能电池选型时一定要使其型号与后续系统相匹配。太阳能电池的主要参数包括：最大标称功率（WPmax/W）、峰值电压（Vmp/V，强光时的最高电压）、峰值电流（Imp/A、强光时的最高电流）、开路电压（Voc/V，太阳能电池板的空载电压）、工作电压（太阳能电池板带负荷时所测电压）、短路电流（Isc/A）、尺寸（Size/mm）、重量（Weight/KGS）等。如图3.2所示，电池板规格类型为200W单晶，开路电压为21.5V，工作电压为18V，短路电流为11.34A，工作电流为11.11A，产品尺寸为1580*808*35mm，此光伏板为200W，重量为15KG。所有的参数均有3%的公差，重量有0.5KG的公差REF_Ref3518\w\h[25]。图3.2太阳能电池板参数3.2太阳能电池朝向与倾角太阳能是光伏板获取能量的唯一来源，太阳能光伏电池板的发电量很大程度上取决于光伏板从太阳获取的辐射量，而太阳能光伏电池板从太阳吸取的能量与很多因素有关，如建筑所在地的经纬度（纬度为主）、海拔高度、当地气候和天气条件、日照时长、光伏板的倾角、地面的反射系数、光伏板的串并联方式、光伏板的颜色和光伏板表面的清洁程度等。此外，太阳能光伏板的发电量还和当地的太阳能资源有关，当地太阳能资源越丰富，发电量越高；反之，当地太阳能资源越差，发电量越少。太阳能电池的朝向一般与建筑的朝向有着紧密联系，大多数建筑的光伏板朝向与建筑朝向一致，为了更加精确地确定太阳能电池摆放时的朝向与倾角，需要考察各地的不同情况REF_Ref3815\w\h[26]。我国部分地区太阳能资源分布图如图3.3所示：图3.3太阳能资源分布图我国部分地区纬度汇总表如下所示：表3.1部分地区纬度汇总城市纬度/最佳倾角城市纬度/最佳倾角哈尔滨45.68+3杭州30.23+3长春43.90+1南昌28.67+2沈阳41.77+1福州26.08+4北京39.80+4济南36.68+6天津39.10+5郑州34.72+7呼和浩特40.78+3武汉30.63+7太原37.78+5长沙28.20+6乌鲁木齐43.78+12广州23.13-7西宁36.75+1海口20.03+12兰州36.05+8南宁22.82+5银川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14贵阳26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉萨29.70-8合肥31.85+9另外，光伏板的倾角还与光伏板的朝向有关，一般来讲，最佳倾角会随着光伏板朝向的方位角增大而逐渐减小REF_Ref3721\r\h[27]。3.3太阳能电池的阴影遮挡光伏板铺定完成后，将会按照其固有的工作方式进行发电，按照太阳的东升西落规律，光伏板每时每刻吸收的辐照都不尽相同，其中造成这种现象的因素除了光照强度的变化外，阴影遮挡也是不容忽视的重要因素之一REF_Ref4256\w\h[28]。常见的阴影遮挡有很多，主要分为三种：（1）远方遮挡远方遮挡是由于场地远方的物体对光伏方阵场区造成的遮挡损失，如远处的山脉，树木，高层建筑等。远方遮挡中障碍物需要足够远（光伏方阵面积10倍以上），且能够对光伏方阵的发电量产生影响。（2）近场遮挡近场遮挡是遮挡物在某些特定的时间段对光伏场区的某些特定的区域有遮挡影响REF_Ref4295\w\h[29]，如周围的树木，建筑，仓库等。相较于远方遮挡而言，近场遮挡的障碍物主要在建筑物附近，而非远方的高大山脉，而且近场遮挡在每天中的不同时刻就会有不同的影响。此外，对于近处遮挡来讲，季节与气候也对其影响颇深。例如，夏至太阳早升晚落，日照时间长，遮挡时间也随之增长，不过由于太阳高度高，遮挡面积相对较少；反之，在冬至，日照时间短，遮挡时间也短，但太阳高度相对较低，遮挡面积略大。近场遮挡情况如图3.4所示：图3.4附近建筑物遮挡（3）光伏板异物附着除了近场遮挡和远方遮挡，光伏板上的自身异物也对光伏板起着不小的遮挡作用。如图3.5所示，这部分异物主要是随着时间的积累，光伏板上每天堆落的灰尘、落叶、鸟粪等，尤其是雨季过后的光伏板，其上的灰尘渐渐变成一层泥，使得光伏板接收不到太阳辐照。图3.5光伏板异物3.4逆变器的选型与安装逆变器是将光伏系统所发的直流电转换为交流电进而供给交流负载的装置，逆变器的型号与规模需要根据光伏阵列的发电量来确定，因此其选型一般在光伏板的选型定量之后。以型号为SUN2000-100KTL-M0的逆变器为例，此逆变器直流侧最大输入电压为1100V，10路MPPT，可接入20个组串，每路MPPT允许的最大输入电流为26A，MPPT范围为200V~1000V，最大视在功率为110000VA，最大有功功率为110000W，具体参数如表3.2所示：表3.2逆变器SUN2000-100KTL-M0技术参数效率最大效率98.6%中国效率98.1%输入最大输入电压1100V每路MPPT最大输入电流26A每路MPPT最大短路电流40AMPPT电压范围200V~1000V额定输入电压600V输入路数20MPPT数量10输出额定输出功率100000W最大视在功率110000VA最大有功功率（cos=1）110000W额定输出电压3×220V/380V,3×230V/400V,3W+N+PE输出电压频率50Hz额定输出电流1520A(380Vac),1444A(400Vac)最大输出电流1688A(380Vac),1604A(400Vac)功率因数0.8超前--0.8滞后最大总谐波失真＜0.3%逆变器的质量千差万别，其判断依据主要为最大转换效率的大小，但其最大转换效率往往与外界条件有关，且随着时间的推移而发生变化。所以在进行逆变器选型时，要以欧洲效率为标准，在不同的输出功率下分别测量转换效率，以保证逆变器最优化。此外，逆变器的主要参数还与光伏系统的电压电流等因素有关，在选型时要注意逆变器与光伏方阵的匹配程度REF_Ref4416\w\h[30]。3.5太阳能电池成本分析光伏建筑系统主要装置包括太阳能电池、光伏玻璃、太阳能空调、蓄电池和逆变器。其中太阳能电池效率一般在15%左右，在设计时需根据电压电流情况选取合适的规格，逆变器型号与太阳能电池相匹配。下面主要介绍蓄电池的设计方法：在设计蓄电池时，必须首先了解自给天数，所谓自给天数即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍然能正常工作的天数。自给天数与诸多因素有关，在设计时一般定于2天且选择蓄电池型号为48V/(100Ah)，电池放电深度为80%，充放电效率为80%。下面是有关于蓄电池的一些设计公式：（3.1）（3.2）（3.3）式中，为蓄电池容量，为单个蓄电池容量，为自给天数，为负载的日用电量，为蓄电池最大放电深度，为串联的蓄电池个数，为并联的蓄电池个数，为负载的标称电压，为蓄电池的标称电压REF_Ref4482\r\h[31]。根据河北工业大学情况，以宿舍楼为基础，设计光伏建筑。以东三宿舍楼为例，建筑占地面积约为60m×15m，即900平米左右，阳面面积约为60m×20m，即1200平米左右；横向共有14个宿舍，14块玻璃，每块玻璃面积约为2.4平米，全部可替换为光伏玻璃，纵向共有5层，中间共有4个间隔（最底层的一小部分由于位置过低，防止光伏板效率不高且及其容易磨损，所以不考虑），每个间隔的空间大约有1.6平米左右。考虑宿舍的实用性、美观性，楼顶面积大部分可用，宿舍楼阳面除去空调外机所占部分和窗户所占部分，考虑布置光伏板时的间隔，能够安装光伏板的面积约为14×4×1.6平米，约为90平米。如图3.6所示，小正方块为窗户，应用材料为光伏玻璃；纵向两层窗户之间为光伏板；楼顶为光伏阵列。图3.6宿舍楼模型整栋宿舍楼一共有大约125间宿舍，每间宿舍每天最大用电量约为3Kwh，经推算，整栋宿舍楼一天最多为400Kwh，预计太阳能分担整栋宿舍楼的1/4~1/3，即100~130Kwh左右。（1）光伏板结合宿舍楼具体情况，楼顶可用面积为55m×12m，即660平米，考虑间距和维护人员行走空间，约可放置1平米光伏板数量为50×4，即200块；阳面墙体可容纳1.6平米光伏板数量为56块。若两种光伏板所用材料相同，则整个宿舍楼光伏板总面积约为300平米，大约可以分担整栋楼发电量的1/4以上。取光伏板的转换效率为15%，规格为单位面积光伏板单位时间产生的电能为40wh左右，开路电压为24V，短路电流为6A，造价约为300元/平米，最终可确定光伏板成本大约为90000元左右。（2）光伏玻璃玻璃窗是每个宿舍必备的建筑之一，光伏玻璃不仅可以用于平时遮风挡雨通风换气，还可以用来发电来供给宿舍的一些小功率电器或者存入宿舍楼的蓄电池中。整栋宿舍楼的玻璃占地面积大约为14×5×2.4，即168平米，其成本大约为400元/平米，可采取单独的系统用于一些小功率电器REF_Ref4606\r\h[32]。（3）太阳能空调随着时代的发展，人们对周围的环境要求越来越高，空调早已成为人们生活中必不可少的一件家具，因此宿舍需要具备一台空调，而在新能源飞速发展的今天，太阳能空调就成为了首选。市面上一般的太阳能空调的造价约为2000元/台REF_Ref4658\r\h[33]。（4）蓄电池蓄电池组的设计一般根据光伏系统的最大发电量和建筑内部的最大能耗来确定，且一般应用于离网系统中。按上述过程设计，整个过程可类比为自给天数为2天，日最大负荷为100Kwh的系统。在充分考虑电池效率后，蓄电池需要储存的能量为312.5Kwh，需要的蓄电池数量为66。（5）逆变器由于光伏板发电为直流电，而负载大多为交流负载，所以要通过逆变器将直流电转换为交流电，考虑宿舍楼电压情况，选取逆变器的规格为允许最大输出电压为1.3*300V。综上，设计整个光伏宿舍楼所需总成本为光伏板成本、光伏玻璃成本、太阳能空调成本、逆变装置和控制系统成本，共369200元。3.6本章小结本章节以太阳能电池质量为基础，展开分析了太阳能电池的型号和效率、朝向与倾角和阴影遮挡对太阳能电池发电量的影响，并对现有建筑进行光伏板的布局设计和成本分析，为后续仿真做好了基础。通过本章节的研究，不难看出影响太阳能电池板发电的因素有很多，在设计光伏建筑时一定要考虑充分。此外，光伏玻璃和太阳能空调等性价比较低的光伏器件，应当合理选择。

4基于PVsyst的太阳能电池布置设计分析在分析完太阳能电发电过程中用到的关键技术、明确影响太阳能电池发电量的主要因素之后，运用PVsyst软件对宿舍楼建筑模型进行搭建选址并初步研究阴影遮挡对太阳能电池发电量的影响。4.1PVsyst软件介绍PVsyst是一套应用广泛的光伏系统仿真软件，主要用来对光伏发电系统进行建模仿真，分析影响发电量的各种因素并最终计算得出光伏发电系统的发电量，可应用于并网系统、离网系统、水泵、直流系统、储能等，软件内部有丰富的气象资源库、光伏组件和逆变器数据库及定量辅助分析工具等。PVsyst软件可模拟不同类型的光伏系统，如地面电站、屋顶电站、农光互补、跟踪支架等，计算系统发电量、系统效率PR和发电损耗，辅助光伏系统的设计与优化REF_Ref4730\w\h[34]。4.2基于PVsyst的太阳能电池布置设计4.2.1居住建筑地点设定首先选取建筑物所在的地理位置为天津市，确定建筑所在地区的气象、太阳资源以及光伏板的大体倾角等，如图4.1所示：图4.1地理位置的选取在选取地理位置后，可查看建筑物所在的经纬度以及海拔高度，如图4.2所示：地点名称为天津，纬度为北纬39.1°，经度为东经117.17°，海拔高度为5m。图4.2地理位置详图建立基本的建筑模型，输入建筑物的长宽高，确顶建筑物的体积大小及其形状，具体如图4.3所示：图4.3基本模型4.2.2太阳能电池系统布置设计在设计楼顶的光伏板时，需要设置一个斜体的屋顶面，一方面是可以铺设光伏板，另一方面是为了添加辐射接收面，其中需要注意，屋顶的面积理论上不能小于建筑物顶部的面积，为了覆盖全面，一般设置屋顶的面积略微大于光伏板的面积，而辐射接受面的面积略小于屋顶的面积，所以在布置过程中，定义光伏屋顶的宽为16米，顶部长为61米，倾斜角度为45°，辐射接收面宽为10米，长为59米，数量为一块，角度为45°。为了与建筑的模型相匹配，设置光伏板的倾角为45°，方位角为南偏东70°。如图4.4所示：图4.4光伏板的倾角和朝向按照前面章节的预算，设置光伏板面积为300平米，型号选择110Wp，29V的光伏电池。在光伏组件的规格设置完之后，下方会自动生成逆变器的数据，保证逆变器与太阳能电池二者的系统相匹配。如图4.5所示：图4.5光伏板型号与面积的选择光伏板选定以后，对其进行布置，其主要为角度和摆放，考虑到天津市建筑和街道特点，取建筑朝向为南偏西20°，最终建立的模型如图4.6所示：图4.6建筑模型4.2.3初始设计仿真结果及分析在经过模型的建立和光伏板的定型之后，进行初步仿真，得到的结果如图4.7所示：第一部分为仿真参数，包含项目地点、光伏组件的型号和装机容量等；第二部分为计算结果，如图所示年发电量为31.2Mwh，平均日等效满发小时数为2.33小时，每千瓦的发电量为852Kwh/Kw，系统效率为82.7%。图4.7仿真界面散点图表示每天的上网电量和当天方阵斜面总辐射量的关系，横坐标为一天内的方阵斜面日总辐射量，纵坐标为上网电量，在图中可以看出上网电量和辐射量基本呈现线性关系，且当光伏方阵吸收300Kw辐照度时，并网电量为30Kwh，表明光伏板效率在10%左右，但是当辐照量过高，曲线会趋于饱和平稳，过载是还会导致某些点偏离曲线。点击右侧的Report按钮，生成报告，可以查看其中的一些损耗，主要有相对透射率损失、远方遮挡损失、组件弱光损失、组件温度损失、组件出场品质损失、失配损失、直流线损、逆变器效率损失、逆变器过载损失、逆变器低载损失、过压损失、低压损失、集水损耗、近场遮挡损失等（以遮挡损失为主）。具体情况如图4.8所示：图4.8能量流图一年中每个月的集水损耗、系统损耗和净产量情况如下，系统损耗在任何时期都存在且每个月之间相差不多，而集水损耗则主要集中在降雨量较大的月份，在干旱少雨的冬季集水损耗相对较小，这也恰与生活常识相吻合。具体情况如图4.9所示：图4.9损耗及产量对比设定好参数以后，仿真出以上数据，包括年发电量和月发电量。通过结果可以看出在日照时间长和强度大的5、6、7月份发电量最大，而在冬季的11、12、1月份发电量明显下降，具体情况如图4.10所示：图4.10发电量情况4.3阴影遮挡与系统效率分析4.3.1远方遮挡由于远方遮挡的障碍物距离过远且体型较大，而且远方遮挡最主要的障碍物就是远处的山脉，所以在仿真中主要通过勾勒地平线来设置。导入软件内部的数据来定义远处的地平线情况，具体如图4.11所示：图4.11数据导入太阳轨迹图的横坐标为方位角，纵坐标为高度角，图中的地平线曲线（红色线条）由一组由不同太阳高度角和太阳方位角的点所组成，可以看到地平线出现了高低起伏的情况，此时远方遮挡设定完成，具体如图4.12所示：图4.12太阳轨迹图设置完远方遮挡以后，再次对系统进行仿真，此时系统的发电量和系统效率都略微下降，在能量流图中，我们可以明显看到图中多了一项远方遮挡，即远方遮挡使系统的能量产生了损耗，但影响不大，在1.25%左右。具体情况如图4.13和4.14所示：图4.13加入远方遮挡后的仿真界面图4.14加入远方遮挡后的能量流图4.3.2近场遮挡近场遮挡不需要对地平线进行设置，只需在建筑物周围加一些其他的可以影响光伏板发电的障碍物，如树木和其他建筑物等。结合宿舍楼情况，主要障碍物为树木和南方的东一宿舍楼以及东方的东五宿舍楼。其中建筑的大小与东三宿舍楼相同。树木的一些参数如下图4.15所示：图4.15数木参数设置完树的参数后，将其摆放在恰当的位置，在添加东一和东五宿舍楼以及整体的角度偏移后，其建筑模型的全景图和俯视图如图4.16和图4.17所示：图4.16全景图图4.17俯视图从两幅图中可以看出树木和建筑物位于光伏板所在建筑物的周围，与实际情况大体相符，而辐射接收面也恰好略小于屋顶的面积，整个建筑位于方位为南偏东70°。此时进行阴影模拟和动画。由于周围建筑物和光伏板所在建筑等高，而大树主要分布在西侧，所以对与光伏板来讲，基本没有造成遮挡影响，线性损失也极小，仅有0.1%左右。具体如图4.18所示：图4.18近场遮挡损失模拟结果由于遮挡物不是很明显，不妨给障碍物加大一些尺寸，以便于更好地看出近处遮挡对光伏系统的影响，将前方的建筑物高度增加一倍，再进行仿真，此时可以很明显地看出阴影遮挡的现象，从太阳升起（到达一定高度）之时，辐射接受面从左侧开始被遮挡，在下午两点左右达到最大遮挡面积，之后又开始衰减，直到日落，遮挡过程贯穿全天，且线性损耗高达60%。结果如图4.19和图4.20所示：图4.19近场遮挡损失模拟（过程）图4.20近场遮挡损失模拟（过程）在加入近场遮挡以后，可以看到发电量下降明显，有一部分仿真点甚至已经偏离，系统出现了过载的情况，系统效率更是下降至65.6%。仿真结果如图4.21所示：图4.21仿真结果（近场遮挡后）再次点击右侧的报告，查看能量流图，发现能量流图中又多了一项近处遮挡，由于前方障碍物遮挡较为严重，近场遮挡造成的损失要远远高于远处遮挡，高达19%，如图4.22所示：图4.22能量流图（近场遮挡后）4.3.3系统效率系统效率PR是指光伏系统自身内部的效率，但在光伏组件定性定量之后，它又与外界因素有关，在4.4.1和4.4.2中可以看出遮挡对系统效率影响较为明显，下面是系统效率的有关参数和计算公式：=--（4.1）=（4.2）PR=/（4.3）式中，为峰值日照小时数，为光伏方阵日照小时数，为输送到电网的满发小时数，为方阵吸收损失，为系统损失REF_Ref6301\w\h[35]。4.4光伏并网系统分析一般的光伏建筑系统仅仅由离网的光伏系统供电不足以支撑整个建筑的能耗，因此大多数安装在建筑上的太阳能电池系统都采用并网形式。为了更好地了解并网系统与离网系统的区别，离网系统地仿真界面和并网系统地仿真界面分别如图4.23和图4.24所示：图4.23独立光伏系统图4.24并网光伏系统如图4.24所示，并网系统包括光伏板设置、系统设置、详细损耗、地平线设置、近场遮挡等。用户需求为离网系统特有参数，这是由于整个系统的电量均来源于光伏系统，所以光伏系统的规模要满足用户的需求，设计者必须根据用户的需求量来调整太阳能电池板的型号、数量和面积；而并网光伏系统中，太阳能电池板所发的电全部并入到电网当中，然后共同供给建筑或居民住宅，对用户需求方面不需要额外的设置，若光伏系统发电不能满足用户需求，会由电网补足，不会出现发电量不能供给用户端的情况，也正是由于电网的存在，大大提高了并网光伏系统的稳定性。因此，为了满足居住建筑中的巨大能耗，保证供电的可靠性，在设计时需要选择并网系统。4.5本章小结本章节通过运用PVsyst进行建模仿真，以太阳能电池板的朝向和倾角为基础，重点研究了阴影遮挡对太阳能电池发电量和系统效率的影响，其中，近场遮挡对整个系统的发电量和系统效率影响最为显著。因此，在研究太阳能电池在居住建筑中的布局时，必须提前考虑建筑周围的障碍物可能造成的影响，以免实际发电量与预估情况不符。

5结论与展望5.1结论本文叙述了太阳能的发展现状和应用前景，分析了太阳能光伏系统中用到的最大功率追踪等关键技术，调研了影响太阳能电池发电的主要因素，包括其型号、朝向位置、倾角、阴影遮挡、清洁等，设计了太阳能电池具体在一个建筑中的布局设计，并运用软件仿真了阴影遮挡对太阳能发电系统的影响，具体结果如下：在设计光伏建筑时，并网光伏系统比离网光伏系统更能满足居住建筑的能耗。不同型号的太阳能电池发电量不同，但一般差别不大；太阳能电池板的发电量主要取决于当地的太阳能辐照情况；太阳能电池板的朝向位置应与建筑方位一致，最佳倾角需根据当地纬度差别设计，兼顾美观与发电量。阴影遮挡尤其是近场遮挡和异物会造成局部阴影，对太阳能电池板发电量影响较大。5.2未来展望本文主要研究太阳能电池在居住建筑中的布置设计并针对阴影遮挡对建筑模型进行发电量的仿真，考虑因素较为局限，诸如气象条件、环境温度等因素尚未涉及，且仿真过程只有宿舍楼一种，过于局限单调，这些因素对系统的影响程度及原理仍有待研究。光伏建筑作为新世纪发展起来的产物，具有良好的前景。

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