公路隧道光伏薄膜遮陽(yáng)棚的透光率選型及光伏效益估算

夏鵬曦， 段儒禹， 汪主洪， 于 麗， *

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

在車(chē)輛進(jìn)出隧道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常劇烈的明暗變化，造成人眼難以適應(yīng)，將其稱(chēng)為“黑洞”“白洞”效應(yīng)。設(shè)置光伏薄膜遮陽(yáng)棚可以達(dá)到緩慢減少隧道入口照度的效果，避免入口段的“黑洞”效應(yīng)，另外也能發(fā)揮其薄膜材料的光伏發(fā)電功能。光伏發(fā)電具有生態(tài)環(huán)保、節(jié)約能源、安全可靠、架設(shè)方便等特點(diǎn)。高海拔地區(qū)的日照強(qiáng)度較大，太陽(yáng)能資源豐富，但生態(tài)環(huán)境十分脆弱，充分利用光伏資源可以減少污染。

太陽(yáng)能電池主要分為晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池。晶體硅電池在穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化率方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、市場(chǎng)范圍廣，但是傳統(tǒng)的晶體硅價(jià)格高昂。薄膜太陽(yáng)能電池厚度較薄，價(jià)格低廉，隨著光伏與建筑相結(jié)合的發(fā)展，薄膜電池將有更廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

楊公俠等[3]進(jìn)行了遮陽(yáng)棚的模型試驗(yàn)以確定透光率和其他有關(guān)參數(shù)，并分季節(jié)進(jìn)行實(shí)測(cè)。翁季等[4]從安全和節(jié)能的角度分析了隧道洞口設(shè)置減光措施的必要性，并簡(jiǎn)述了其在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)注意的要點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了在隧道洞口設(shè)置半透明張力結(jié)構(gòu)的遮陽(yáng)棚有利于緩解駕駛?cè)说牟贿m，節(jié)約電能。Drakou等[6]進(jìn)一步對(duì)在隧道洞口設(shè)置減光設(shè)施的安全性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。趙錫森等[7]對(duì)薄膜遮陽(yáng)棚的透光率組合進(jìn)行了模擬，其組合方式具有短距離、多組合等特點(diǎn)，但是結(jié)合光伏發(fā)電的特點(diǎn)可知在隧道洞口設(shè)置光伏薄膜遮陽(yáng)棚對(duì)其規(guī)模具有一定的要求，并且以往的透光率組合過(guò)于復(fù)雜，在施工上會(huì)造成極大的不便。張世平等[2]對(duì)光伏薄膜遮陽(yáng)棚設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，但是沒(méi)有對(duì)不同透光率的組合進(jìn)行探討，其選用的透光率組合工況初始段透光率為0.4、末尾段透光率為0.15的方案會(huì)出現(xiàn)初段照度太大、2段遮陽(yáng)棚相接處照度變化劇烈的問(wèn)題，且在光伏發(fā)電效果的估算中沒(méi)有考慮到具體的光照環(huán)境?；诖耍褂肈IALUX數(shù)值模擬的方式對(duì)比CIE視覺(jué)照度適應(yīng)曲線(xiàn)，探討在不同季節(jié)、不同行車(chē)速度下光伏薄膜遮陽(yáng)棚透光率的不同組合形式；通過(guò)調(diào)研分析獲得光伏材料布置方位的方法，并通過(guò)理論推導(dǎo)得到考慮具體輻射量的光伏薄膜遮陽(yáng)棚的太陽(yáng)能發(fā)電量以及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算方法，以期為光伏薄膜遮陽(yáng)棚的透光率選型設(shè)計(jì)以及光伏效益估算提供參考。

1 遮陽(yáng)棚設(shè)計(jì)

1.1 確定遮陽(yáng)棚的透光率及組合形式

1.1.1 遮陽(yáng)棚尺寸設(shè)計(jì)

在對(duì)遮陽(yáng)棚進(jìn)行光環(huán)境設(shè)計(jì)之前，需要初步確定遮陽(yáng)棚的建模尺寸，即確定遮陽(yáng)棚外立面尺寸和合理的長(zhǎng)度范圍。公路隧道入口遮陽(yáng)棚是功能型建筑，而非景觀型建筑，因此，需在不影響遮陽(yáng)棚遮光功能的前提下對(duì)遮陽(yáng)棚進(jìn)行外立面設(shè)計(jì)。在外立面設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮以下2點(diǎn)。

1)從不影響遮光的角度考慮，遮陽(yáng)棚拱狀剖面形式應(yīng)簡(jiǎn)潔，少用或不用非遮光功能的突出式造型，以免在棚內(nèi)出現(xiàn)明暗交替的光斑而影響遮陽(yáng)棚光環(huán)境過(guò)渡效果。

2)從避免視覺(jué)沖擊角度考慮，遮陽(yáng)棚與隧道應(yīng)銜接良好，遮陽(yáng)棚剖面需與隧道斷面形狀大致相同，且遮陽(yáng)棚鋼拱架與隧道輪廓線(xiàn)不能發(fā)生錯(cuò)位。

結(jié)合上述分析，采用如圖1所示的正斷面圖。

圖1 隧道正斷面圖(單位： m)

1.1.2 遮陽(yáng)棚長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

以巴朗山隧道為例，巴朗山隧道洞口海拔高3 850 m，項(xiàng)目全長(zhǎng)約8 808 m，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)能充足，入口段經(jīng)、緯度分別為102.96°、30.88°。

由于遮陽(yáng)棚內(nèi)存在光干涉反射和衍射現(xiàn)象，用數(shù)值分析方法準(zhǔn)確計(jì)算其內(nèi)的照度值比較難，因此本文選取功能全面、應(yīng)用廣泛的DIALUX對(duì)遮陽(yáng)棚進(jìn)行光環(huán)境仿真和分析。

根據(jù)已有的洞口減光設(shè)施長(zhǎng)度的研究，來(lái)確定遮陽(yáng)棚的合理長(zhǎng)度范圍。有研究者根據(jù)適應(yīng)時(shí)間給出了關(guān)于洞口減光設(shè)置的長(zhǎng)度與行車(chē)速度的關(guān)系，見(jiàn)式(1)。

(1)

其中

Tin=0.020 4·(Eout-Ein)0.603 1。

(2)

式(1)—(2)中：Tin為駕駛員于隧道入口處所需要的視力恢復(fù)時(shí)間，s；Dtr為隧道過(guò)渡照明段長(zhǎng)度， m；vd為行車(chē)速度， km/h；Ein、Eout分別為隧道洞內(nèi)和洞外的照度，lx；Sin為隧道入口處減光隔柵段合理設(shè)計(jì)長(zhǎng)度， m。

根據(jù)實(shí)測(cè)可知，巴朗山隧道內(nèi)外照度差為70 000 lx，得到洞口減光設(shè)施長(zhǎng)度建議值(見(jiàn)表1)。在模型中分別構(gòu)建長(zhǎng)度為60、80、100 m以及有2段長(zhǎng)度相等、透光率不同的模型。為達(dá)到與實(shí)際工程相同的環(huán)境參數(shù)，設(shè)置經(jīng)、緯度分別為102.96°、30.88°，陽(yáng)光選自然光比率。遮陽(yáng)棚和隧道下設(shè)置深灰色瀝青路面，設(shè)置路面材質(zhì)的反射系數(shù)為0.27，遮陽(yáng)棚的反射率為0.3。構(gòu)建的初始遮陽(yáng)棚及隧道模型見(jiàn)圖2。

表1 減光設(shè)施長(zhǎng)度建議值

圖2 遮陽(yáng)棚及隧道模型

1.1.3 透光率選擇

對(duì)遮陽(yáng)棚進(jìn)行透光率初選，選取1～2種透光率組合的遮陽(yáng)棚較為合適。設(shè)計(jì)以下遮陽(yáng)材料透光率組合初步方案： 初始段遮陽(yáng)材料透光率τ始=0.5～0.3，末尾段透光率τ末=0.2～0.5，相鄰遮陽(yáng)材料透光率之間差值≤0.5。擬定的9種遮陽(yáng)棚透光率組合方案見(jiàn)表2。將遮陽(yáng)棚段的縱向平均亮度和視覺(jué)適應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確定滿(mǎn)足視覺(jué)適應(yīng)的最佳透光率組合值。

表2 不同透光率組合工況

注： “無(wú)”指初始段不布置遮陽(yáng)棚。

根據(jù)調(diào)研得到基于視覺(jué)適應(yīng)能力的隧道進(jìn)口臨界照度變化率公式[8-10]:

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4。

(3)

式中：Ltr為照度適應(yīng)值，lx；Lth為外界環(huán)境照度值，lx；t為行車(chē)時(shí)間。

把t=S/v代入式(3)中得到：

Ltr=Lth(1.9+S/v)-1.4。

(4)

因?yàn)榇杭竞颓锛镜墓庹涨闆r基本相同，所以?xún)H繪出春季、夏季、冬季行車(chē)速度為80 km/h時(shí)遮陽(yáng)棚的照度變化曲線(xiàn)和適應(yīng)曲線(xiàn)，結(jié)果如圖3所示。春季不同行車(chē)速度下遮陽(yáng)棚的照度變化曲線(xiàn)如圖4所示。春季洞口無(wú)遮陽(yáng)棚情況下照度變化曲線(xiàn)如圖5所示。

(a) 春季 (b) 夏季 (c) 冬季

圖3行車(chē)速度為80km/h時(shí)遮陽(yáng)棚的照度變化曲線(xiàn)和適應(yīng)曲線(xiàn)

Fig. 3 Illumination curves of awning when driving speed is 80 km/h

(a) 120 km/h (b) 40 km/h

圖4春季不同行車(chē)速度條件下遮陽(yáng)棚的照度變化曲線(xiàn)

Fig. 4 Illumination curves of awning under different driving speeds in spring

圖5 春季洞口無(wú)遮陽(yáng)棚時(shí)的照度變化曲線(xiàn)

由圖3—5可以得出如下結(jié)論：

1)行車(chē)距離隧道越近，遮陽(yáng)棚內(nèi)的照度越小。

2)相同行車(chē)速度下(80 km/h)，不同季節(jié)照度隨行車(chē)距離變化的曲線(xiàn)趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明季節(jié)對(duì)光伏薄膜遮陽(yáng)棚的影響比較小。

3)相同季節(jié)(春季)下，不同行車(chē)速度對(duì)適應(yīng)性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)有較大的影響，說(shuō)明行車(chē)速度對(duì)光伏薄膜遮陽(yáng)棚的透光率組合有較大的影響。

4)對(duì)比每一種工況發(fā)現(xiàn)，工況6由于在初始段照度太大，導(dǎo)致在接縫處照度變化過(guò)于劇烈，不適合適應(yīng)曲線(xiàn)。

5)春季無(wú)遮陽(yáng)棚情況下洞口照度為18 100 lx，使用遮陽(yáng)棚情況下行車(chē)速度分別為120、80、60 km/h時(shí)洞口照度分別為3 058、2 280、1 230 lx，說(shuō)明使用光伏薄膜遮陽(yáng)棚對(duì)洞口的減光效果良好。

綜合分析可知，在不同行車(chē)速度下最適合的遮陽(yáng)棚透光率組合方案見(jiàn)表3。

表3不同行車(chē)速度下最適合的遮陽(yáng)棚透光率組合方案

Table 3 Most suitable combination scheme of transmittance of awning at different driving speeds

行車(chē)速度/(km/h)推薦遮陽(yáng)棚長(zhǎng)度/m初始段透光率末尾段透光率1201000.300.1580800.200.1040600.150.05

1.2 遮陽(yáng)棚材料選擇

遮陽(yáng)棚的材料選擇主要分為骨架材料選擇和遮光材料選擇。骨架材料選擇建筑中常用的QC235鋼，強(qiáng)度高且價(jià)格低廉；遮陽(yáng)材料選擇CdTe材料和PC板，PC板有不同的透光率，方便構(gòu)建不同透光率的遮陽(yáng)棚。

通過(guò)文獻(xiàn)[1,11-12]可以得到不同方向、不同傾角下遮陽(yáng)棚的輻射比例。文獻(xiàn)[1,11-12]中提到，在設(shè)計(jì)遮陽(yáng)棚時(shí)，垂直面的射入輻射量只有50%～70%，效率非常低，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免光伏發(fā)電材料的浪費(fèi)。因此，本文設(shè)計(jì)了拱頂周?chē)贾霉夥l(fā)電材料、其余部分使用普通綠色PC透光板的方案，如圖6所示。

圖6 光伏薄膜遮陽(yáng)棚布置效果圖

2 光伏發(fā)電分析

光伏薄膜太陽(yáng)能遮陽(yáng)棚的發(fā)電能力和材料接收的光輻射量與材料轉(zhuǎn)化率息息相關(guān)，不同透光率的光伏薄膜組件的有效面積不同，其發(fā)電能力也不相同?？紤]到輻射量與有效面積，遮陽(yáng)棚的光伏發(fā)電功率可表示為

(5)

式中:ηi為不同透光率太陽(yáng)能薄膜的光伏發(fā)電實(shí)際光電轉(zhuǎn)化效率；Ht為年平均太陽(yáng)總輻射量，W/m2；Si為光伏薄膜組件的有效面積，m2。

2.1 轉(zhuǎn)化效率的確定

電池的實(shí)際輸出功率是有誤差的，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)電池板往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，輸出的允許偏差是5%，因此，在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.95的標(biāo)準(zhǔn)影響系數(shù)。

光伏組件溫度越高，產(chǎn)出的電能越少。在光伏薄膜電池中，當(dāng)薄膜組件內(nèi)部的溫度達(dá)到50～75 ℃時(shí)，其輸出的電能將下降至額定功率的95%，所以在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.95的溫度影響系數(shù)。

光伏薄膜組件表面如果積累了大量的灰塵，同樣會(huì)影響組件的能量轉(zhuǎn)化率。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，大量的灰塵覆蓋會(huì)使組件的能量轉(zhuǎn)化率降為額定功率的93%，所以在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.93的覆蓋影響系數(shù)。

由于所處地理位置的原因，太陽(yáng)光到達(dá)遮陽(yáng)棚頂面會(huì)存在一個(gè)入射角度。巴朗山隧道的經(jīng)、緯度分別為102.96°、30.88°，此時(shí)太陽(yáng)的入射角等于30.88°，對(duì)于光伏遮陽(yáng)棚有效的太陽(yáng)直射面積為L(zhǎng)′所處的斜面，對(duì)應(yīng)到地面上是L所處的平面(如圖7所示)[10]。L可以通過(guò)隧道拱頂半徑(5.2 m)進(jìn)行幾何換算后得到，則經(jīng)過(guò)計(jì)算可知L=5.2+5.2/cos 30.88°≈11.2 m。

2.2 光伏輻射量的確定

光伏發(fā)電系統(tǒng)建成后，光伏組件接收的光輻射量決定了發(fā)電量的大小，因此，需要得到當(dāng)?shù)氐墓廨椛淞縼?lái)確定發(fā)電量。由于天氣等原因，當(dāng)?shù)孛刻斓墓廨椛淞渴呛茈y確定的。為了減少誤差，應(yīng)采用當(dāng)?shù)囟嗄?至少是10年，最好是20年以上)太陽(yáng)輻射量的數(shù)據(jù)取平均值。在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，通常采用光伏發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算軟件附帶的氣象數(shù)據(jù)(如氣象數(shù)據(jù)庫(kù)Meteonorm、NASA等)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文選取Meteonorm 7(見(jiàn)圖8)作為輻射量Ht的來(lái)源。由圖8可以得到巴朗山隧道出口全年光輻射量為1 249 kW·h/m2。則光伏發(fā)電功率

11.2×(0.85+0.7)×=118 292 kW·h。

(6)

式中：ηi取13%，并考慮0.95×0.95×0.13的折減系數(shù)； 50 m為單節(jié)遮陽(yáng)棚長(zhǎng)度； 0.85及0.7為去除透光部分的實(shí)際光伏吸收量。

圖7 光伏薄膜遮陽(yáng)棚有效計(jì)算面積

圖8 Meteonorm 7計(jì)算界面圖

2.3 光伏薄膜遮陽(yáng)棚發(fā)電量經(jīng)濟(jì)性分析

光伏發(fā)電效益分析采用透光率為0.3和0.15的太陽(yáng)能薄膜光伏發(fā)電利用系數(shù)，光伏薄膜單位面積發(fā)電功率為56 W和68 W。由式(6)可得所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能薄膜遮陽(yáng)棚系統(tǒng)的光伏發(fā)電量約為118 292 kW·h。根據(jù)相關(guān)政策[13-14]，按照CdTe光伏薄膜發(fā)電材料10年可達(dá)到額定功率的90%，可以列出10年各年發(fā)電量如表4所示，合計(jì)111.9×104kW·h。按照工業(yè)用電價(jià)格1.2元/(kW·h)，國(guó)家光伏補(bǔ)貼0.42元/(kW·h)，四川省光伏補(bǔ)貼0.18元/(kW·h)，則可計(jì)算出每年達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益=118 292×(1.2+0.42+0.18)=212 925.6元/年。

表4 每年光伏發(fā)電量

3 結(jié)論與建議

針對(duì)高海拔地區(qū)光照強(qiáng)度大、生態(tài)環(huán)境脆弱、光伏薄膜遮陽(yáng)棚需要一定規(guī)模等特點(diǎn)，對(duì)光伏薄膜遮陽(yáng)棚的光伏材料調(diào)研選擇，采用數(shù)值模擬對(duì)透光率的組合進(jìn)行計(jì)算，并估算光伏發(fā)電效率，得出如下結(jié)論。

1)光伏薄膜遮陽(yáng)棚的透光率設(shè)置受季節(jié)影響不大，但受行車(chē)速度影響很大。行車(chē)速度為120、80、40 km/h時(shí)最佳透光率組合分別為初始段透光率0.3+末尾段透光率0.15、初始段透光率0.2+末尾段透光率0.1、初始段透光率0.15+末尾段透光率0.05，對(duì)應(yīng)的最佳長(zhǎng)度分別為100、80、60 m。針對(duì)初始段透光率0.4+末尾段透光率0.15的方案，由于初始段照度太大，導(dǎo)致在接縫處照度變化過(guò)于劇烈，不適合適應(yīng)曲線(xiàn)。

2)光伏薄膜遮陽(yáng)棚對(duì)隧道洞口的減光效果良好，行車(chē)距離隧道越近遮陽(yáng)棚內(nèi)的照度越小，使用遮陽(yáng)棚可以大大減少洞口加強(qiáng)段及過(guò)渡段照明負(fù)擔(dān)。

3)提出了一套考慮具體的光照環(huán)境的光伏薄膜遮陽(yáng)棚發(fā)電能力計(jì)算方法，并對(duì)行車(chē)速度為120 km/h時(shí)所對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，10年內(nèi)的發(fā)電量達(dá)到111.9×104kW·h。