基于BIM的建筑光伏系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與熱輻射仿真分析

李 巖,劉元芳,姜業(yè)超,林 雪

(黑龍江東方學(xué)院建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150066)

0 引言

近年來,光伏建筑已逐漸成為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)了建筑與能源的高度融合,極大推動(dòng)了建筑產(chǎn)業(yè)的節(jié)能環(huán)保發(fā)展[1]。但在光伏建筑設(shè)計(jì)與建造過程中存在一系列的復(fù)雜問題,比如如何最大限度地利用太陽能、確保光伏建筑與建筑本身的協(xié)調(diào)性等[2]。為解決這些問題,建筑信息模型(Building Information Mdeling, BIM)技術(shù)與太陽熱輻射模擬手段逐漸成為光伏建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。BIM技術(shù)可集成多種信息及數(shù)據(jù),通過可視化的方式展示出來[4]。在光伏建筑設(shè)計(jì)中,BIM技術(shù)可在初始階段優(yōu)化太陽能電池板的位置、朝向及傾角,通過與關(guān)聯(lián)性軟件的結(jié)合模擬出不同光照條件下的太陽能輻射情況效果,依據(jù)模擬數(shù)據(jù)調(diào)整光伏建筑設(shè)計(jì)方案,達(dá)到提高能源利用效率的目的[5]。建筑光伏系統(tǒng)包括儲(chǔ)能、發(fā)電、逆變等環(huán)節(jié),單純依靠BIM建筑模型很難全面實(shí)現(xiàn)深入設(shè)計(jì)[6]。本研究基于建筑光伏系統(tǒng)的BIM模型,建立光伏-發(fā)電-儲(chǔ)能一體化模型,給出光伏發(fā)電量的估算方法。結(jié)合Ecotect軟件對設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)模型進(jìn)行太陽熱輻射模擬,分析建筑光伏系統(tǒng)在不同天氣條件情況下的發(fā)電量,為實(shí)際工程提供有效參考。

1 光伏建筑電氣模型設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的光伏建筑電氣分析中,建筑物的龐大規(guī)模、多樣形狀、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等影響了電氣化特性分析的精準(zhǔn)性及動(dòng)態(tài)性。應(yīng)用BIM技術(shù)可簡化建筑電氣分析,利用空間數(shù)據(jù)集成、可視化交互等手段完成對建筑物的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析。

1.1 BIM模型建立

以海南地區(qū)某學(xué)校教學(xué)樓的光伏系統(tǒng)為例,圖1基于Revit軟件給出了該教學(xué)樓及其光伏系統(tǒng)的BIM模型與建筑結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖1 某教學(xué)樓及其光伏系統(tǒng)BIM模型建立Fig.1 BIM model of a teaching building and its photovoltaic system

1.2 光伏陣列模型建立

光伏板物理特性類似傳統(tǒng)的PN結(jié),可利用PN結(jié)模型對光伏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效,如圖2所示。其中,D表示光伏板等效二極管,Rsh和Rs分別表示光伏板等效并、串聯(lián)電阻,Id與Ish分別表示流過Rsh和Rs的電流,Iph表示光電效應(yīng)電流,Uo和Io分別表示光伏板的輸出電壓、電流。

圖2 光伏板等效模型 Fig.2 Photovoltaic panel equivalent model

利用基爾霍夫電流定律得到等效模型的輸出電流方程:

Io=Iph-Id-Ish

(1)

其中,Iph、Id可利用光電效應(yīng)特性分別表示為:

(2)

式(2)中,Isc表示在溫度25 ℃、光輻射照度1000 W/m2(標(biāo)準(zhǔn)測試條件)下測得的電路內(nèi)部短路電流,一般視為定值。Ki=0.0032 A/℃表示溫度系數(shù)。T、Tref=298 K分別表示實(shí)際與標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏板的表面溫度。S、Sref=1000 W/m2分別為表示實(shí)際與標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏板受到的光輻射照度。Isa表示二極管飽和電流。q表示電子電荷量。K表示玻爾茲曼常數(shù)。1≤L≤2表示PN結(jié)理想因子。

將式(2)代入式(1),得到光伏板正向輸出特性方程:

(3)

考慮到該教學(xué)樓的總用電負(fù)荷約為60.7 kW,選擇輸出為320 W/36 V的多晶光伏板組件,共需要190塊。通過建立光伏陣列串并聯(lián)模型給出鋪設(shè)形式。

結(jié)合圖2中給出的光伏板等效模型,分別在圖3中給出圖1(a)中所示的n相光伏板串聯(lián)與k相光伏板并聯(lián)等效模型:

圖3 光伏板串并聯(lián)等效模型Fig.3 Series parallel equivalent model of photovoltaic panels

在圖3(a)中考慮每相光伏板中通過電流Ii(i=1,2…,n)均滿足Ii=Io,且串聯(lián)后的總輸出電壓為Uo,在忽略各光伏板間品質(zhì)差異的情況下得到每相輸出電壓均滿足Ui=U/n。結(jié)合式(3)進(jìn)一步推導(dǎo)出n相光伏板串聯(lián)后的總輸出特性方程:

(4)

同理,在圖3(b)中設(shè)k相光伏板總輸出電流為Io,輸出電壓為Uo,則每相光伏板的通過電流均滿足Ij=Io/k(j=1,2…,k)。根據(jù)式(3)給出k相光伏板并聯(lián)后的總輸出特性方程:

(5)

聯(lián)合式(4)與式(5),得到整體光伏陣列的輸出特性方程:

(6)

選用的光伏板開路電壓Voc=44.87 V,結(jié)合光伏系統(tǒng)逆變側(cè)的限幅電壓VM=1680 V,可粗略得到光伏陣列的串聯(lián)數(shù)量約為VM/Voc≈38塊?？紤]到光伏系統(tǒng)逆變器的限制電流IM=45 A,結(jié)合光伏板短路電流Isc可粗略得到光伏陣列的并聯(lián)數(shù)量約為IM/Isc≈5組。

1.3 光伏儲(chǔ)蓄電池陣列模型

儲(chǔ)蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的過渡環(huán)節(jié),在電能存儲(chǔ)、能量調(diào)節(jié)、負(fù)載供電等方面發(fā)揮著重要作用,對光伏蓄電池陣列進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可增強(qiáng)建筑光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性。以HP-B250-12G型鉛酸膠體蓄電池為例,其標(biāo)稱電壓E=12 V,額定容量為Sc=250 Ah。光伏蓄電池陣列的容量Soc的計(jì)算公式如下:

Soc=(P×24×N)/(Kb×U)

(7)

其中,P=4500 kW·h、N=3(d)分別表示光伏建筑的日均耗電量和海南地區(qū)的最長陰雨天數(shù)。Kb=1.3表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全系數(shù)。U=100 V表示蓄電池陣列的額定工作電壓。將上述實(shí)際參數(shù)代入式(7)中得到光伏蓄電池陣列的容量Soc=(4500×24×3)/(1.3×100)≈2492 Ah,向上取整得到最終的蓄電池陣列容量為2500 Ah,即實(shí)際需要蓄電池的數(shù)量為10個(gè)。為保證蓄電池充放電能的均衡,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),減少因過多串聯(lián)帶來的蓄電池組等效內(nèi)阻較大的問題,按照2組并聯(lián)、每組5個(gè)串聯(lián)的形式鋪設(shè)蓄電池。

1.4 光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算模型

對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的估算可有效提升光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率并檢查所設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的合理性。光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算模型包括太陽能輻照總量、光伏矩陣總面積、光伏板轉(zhuǎn)換效率及光伏系統(tǒng)效率幾種重要參數(shù),以1 d為周期具體可表示為:

EP=HD×SA×KA×KS

(8)

其中,Ep表示光伏系統(tǒng)總發(fā)電量(W·h),HD表示一天內(nèi)光伏系統(tǒng)受到的太陽總輻射量(W·h/m2),SA表示光伏矩陣的總表面積(m2),由所選光伏板參數(shù)計(jì)算得SA=368.68 m2,KA=18%>16.49%、KS=85%分別表示光伏組件轉(zhuǎn)換因子與系統(tǒng)總轉(zhuǎn)換效率。

2 光伏建筑熱輻射仿真分析

對光伏建筑進(jìn)行熱輻射分析,可優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑光伏分布,提高能源利用效率,改善建筑的熱舒適性,指導(dǎo)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行及維護(hù),具有重要的應(yīng)用價(jià)值。基于已建立的BIM模型與光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型,利用Ecotect軟件建立教學(xué)樓的太陽輻射模型,加入當(dāng)?shù)氐奶枤庀髷?shù)據(jù),對整體建筑的光伏系統(tǒng)所受到的熱輻射進(jìn)行典型天氣情況分析,應(yīng)用發(fā)電量估算模型給出相應(yīng)氣象情況下的光伏系統(tǒng)發(fā)電量數(shù)據(jù)。

2.1 最熱一天熱輻射分析

圖4分別給出了一年中當(dāng)?shù)刈顭嵋惶斓慕虒W(xué)樓光伏系統(tǒng)所處的溫度環(huán)境與受到的太陽輻射,具體熱輻射數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 最熱一天的教學(xué)樓光伏系統(tǒng)所受熱輻射數(shù)據(jù)Tab.1 Thermal radiation data of the photovoltaic system of the teaching building on the hottest day

圖4 一年中最熱一天的教學(xué)樓光伏系統(tǒng)所受熱輻射曲線Fig.4 Thermal radiation curve of the photovoltaic system in the teaching building on the hottest day of the year

由圖4可知,最熱一天的教學(xué)樓光伏系統(tǒng)所處溫度環(huán)境為30.82 ℃左右,且太陽輻射量集中在上午5點(diǎn)至晚上8點(diǎn),直接輻射時(shí)間較長,故可忽略由散射輻射帶來的影響。由表1可知,當(dāng)天的總輻射量達(dá)到8500.7W·h/m2,由式(8)估算得到最熱一天內(nèi)所設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的發(fā)電量約為479.508 kW·h。

2.2 光照最好一天的熱輻射分析

圖5分別給出了一年中當(dāng)?shù)毓庹兆詈靡惶斓慕虒W(xué)樓光伏系統(tǒng)所處的溫度環(huán)境與受到的太陽輻射,具體熱輻射數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光照最好一天的教學(xué)樓光伏系統(tǒng)所受熱輻射數(shù)據(jù)Tab.2 Thermal radiation data of the photovoltaic system in the teaching building on the best day

圖5 一年中光照最好一天的教學(xué)樓光伏系統(tǒng)所受熱輻射曲線Fig.5 Thermal radiation curve of the photovoltaic system in the teaching building on the best day of the year

對比圖4與圖5可知,光照一天的太陽直接輻射時(shí)長增加近1 h,室外的平均溫度也逼近最熱一天,達(dá)到了30.16 ℃。結(jié)合表2可知,光照條件最好一天中的總直接太陽輻射量升高到9981.7W·h/m2,通過計(jì)算得到總發(fā)電量為563.048 kW·h,達(dá)到最高峰值。說明光照條件的好壞是決定光伏系統(tǒng)發(fā)電量的重要因素。

3 結(jié)論

以海南某地區(qū)教學(xué)樓光伏系統(tǒng)為例,建立了其光伏-發(fā)電-儲(chǔ)能一體化模型,對教學(xué)樓光伏系統(tǒng)進(jìn)行太陽熱輻射模擬,分析其發(fā)電量情況,具體結(jié)論如下:利用Revit軟件對教學(xué)樓進(jìn)行BIM建模,給出了光伏矩陣的串并聯(lián)等效模型,計(jì)算得到光伏矩陣的鋪設(shè)規(guī)則為每38塊串聯(lián)為一組,共5組并聯(lián)?；诠夥铍姵氐膬?chǔ)能特性給出光伏儲(chǔ)蓄電池模型,計(jì)算得到蓄電池的排列規(guī)則為每5個(gè)串聯(lián)為一組,共兩組并聯(lián),給出了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量估算模型。借助Ecotect軟件搭建了教學(xué)樓光伏系統(tǒng)的太陽輻射模型,結(jié)合當(dāng)?shù)匾荒曛械牡湫吞鞖馇闆r給出了光伏建筑的發(fā)電量分析,得到光照最好一天的光伏系統(tǒng)總直接熱輻射量與發(fā)電量最多分別為9981.7 W·h/m2、563.048 kW·h,其次為最熱一天,說明光照條件是決定光伏系統(tǒng)發(fā)電量的重要因素。