淺談工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的影響

樊建利 （西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710061）

在當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的背景下，光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。而工業(yè)廠房作為城市中能源消耗較大的建筑物之一，其屋頂空間的利用對(duì)光伏發(fā)電效益具有重要的影響。因此，研究工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的影響，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化和提高具有重要的理論和實(shí)踐意義。然而，當(dāng)前研究對(duì)于工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)與發(fā)電效益的關(guān)系還存在一定的不足之處：一方面，對(duì)于不同形態(tài)的工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)陌l(fā)電性能研究還較為有限，缺乏系統(tǒng)性和全面性的研究結(jié)果；另一方面，現(xiàn)有研究多集中在光伏組件的選型和布置上，忽視了光伏屋頂本身的構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的影響。

1 工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)分類

1.1 單面傾斜屋頂

單面傾斜屋頂是工業(yè)廠房中常見的一種光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)，通常由一面傾斜的屋頂構(gòu)成，使光伏組件能夠最大限度接收和利用太陽(yáng)能。這種構(gòu)造形態(tài)的光伏屋頂具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)，適用于大多數(shù)工業(yè)廠房的屋頂安裝。在單面傾斜屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)中，需要考慮到屋頂?shù)膬A斜角度、朝向以及光伏組件的布局。傾斜角度的選擇應(yīng)根據(jù)所在地的經(jīng)緯度、太陽(yáng)高度角等因素來確定，以確保光伏組件能夠在最佳角度接收太陽(yáng)輻射。同時(shí)，屋頂?shù)某蛞彩顷P(guān)鍵因素，通常選擇朝陽(yáng)方向，以確保光伏組件能夠在白天的大部分時(shí)間接收到太陽(yáng)光。在光伏組件的布局方面，單面傾斜屋頂通常采用平行或交錯(cuò)排列的方式。平行排列適用于屋頂較大的情況，能夠提供更大的光伏發(fā)電容量。而交錯(cuò)排列則適用于屋頂較小的情況，能夠充分利用有限的空間，提高光伏發(fā)電效率[1]。此外，還可以考慮在屋頂?shù)牟煌恢冒惭b不同類型的光伏組件，以進(jìn)一步提高發(fā)電效益。除了光伏組件的布局，單面傾斜屋頂?shù)臉?gòu)造也需要考慮到防水、排水等問題。

1.2 雙面傾斜屋頂

雙面傾斜屋頂是工業(yè)廠房光伏屋頂中的一種常見構(gòu)造形態(tài)。與傳統(tǒng)的單面傾斜屋頂相比，雙面傾斜屋頂在光伏發(fā)電方面具有更高的效率和更廣闊的應(yīng)用空間。雙面傾斜屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)理念是在屋頂?shù)膬擅娑及惭b太陽(yáng)能光伏板，使得太陽(yáng)光能夠同時(shí)照射到兩面的光伏板上。這樣一來，不僅可以增加光伏發(fā)電的總體產(chǎn)能，還可以最大限度利用太陽(yáng)能資源。雙面傾斜屋頂可以根據(jù)實(shí)際需求和場(chǎng)地條件調(diào)整傾斜角度，以獲得最佳發(fā)電效果。在實(shí)際應(yīng)用中，雙面傾斜屋頂常常采用透明或半透明太陽(yáng)能光伏板，這樣可以充分利用屋頂下方的散射光，進(jìn)一步提高光伏發(fā)電的效率[2]。此外，雙面傾斜屋頂還可以通過合理的排列方式，使得光伏板之間的遮擋程度最小化，從而進(jìn)一步提升光伏發(fā)電的效率。雙面傾斜屋頂?shù)膬?yōu)勢(shì)不僅在于提高發(fā)電效率，還在于其適應(yīng)性和靈活性。雙面傾斜屋頂可以靈活應(yīng)用于各種類型的工業(yè)廠房，無論是大型工業(yè)園區(qū)還是小型獨(dú)立廠房，都可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝。此外，雙面傾斜屋頂?shù)目沙掷m(xù)性也得到了廣泛認(rèn)可，其設(shè)計(jì)和施工過程中注重環(huán)保和節(jié)能原則，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

1.3 平面屋頂

平面屋頂是一種常見的工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)，其特點(diǎn)是屋頂平整，沒有明顯的傾斜角度。平面屋頂可以分為兩種類型：平頂和輕微傾斜屋頂。平頂是一種完全平整的屋頂結(jié)構(gòu)，通常使用混凝土或鋼材作為屋頂?shù)某兄亟Y(jié)構(gòu)，然后覆蓋防水材料。光伏系統(tǒng)可以直接安裝在平頂上，通過支架固定在屋頂表面。平頂光伏系統(tǒng)的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整和改變，因此適用于已建成的工業(yè)廠房。此外，平頂光伏系統(tǒng)還可以利用屋頂?shù)目臻g，增加工廠的發(fā)電能力，提高能源利用效率。另外，輕微傾斜屋頂是一種稍微傾斜的屋頂結(jié)構(gòu)。它的傾斜角度通常在5°～15°之間，并可根據(jù)光照情況和發(fā)電需求進(jìn)行調(diào)整。輕微傾斜屋頂一般使用鋼材或鋁材作為支撐結(jié)構(gòu)，并覆蓋防水材料。光伏系統(tǒng)可以通過支架固定在屋頂，使太陽(yáng)能電池板能夠傾斜面對(duì)陽(yáng)光，最大限度吸收太陽(yáng)能。輕微傾斜屋頂光伏系統(tǒng)的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)還可以提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率[3]。

1.4 其他構(gòu)造形態(tài)

除了前面提到的斜坡屋頂、平面屋頂和棚架屋頂外，工業(yè)廠房光伏屋頂還有一些其他的構(gòu)造形態(tài)：①?gòu)澢蓓?。這種構(gòu)造形態(tài)適用于那些有特殊設(shè)計(jì)需求的工業(yè)廠房。彎曲屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)可以使光伏組件更好地適應(yīng)工業(yè)廠房的建筑形態(tài)，同時(shí)還可以增加光伏組件的安裝面積，提高發(fā)電效率；②穹頂屋頂。穹頂屋頂是一種圓頂或拱形的屋頂結(jié)構(gòu)，不僅可以提供更大的安裝面積，還可以增加光伏組件的采光面積。穹頂屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)不僅美觀，還能夠在一定程度上提高工業(yè)廠房的通風(fēng)和采光效果；③帶有太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)的屋頂。太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)的位置自動(dòng)調(diào)整光伏組件的角度，以最大限度捕捉太陽(yáng)能。這種構(gòu)造形態(tài)適用于工業(yè)廠房光伏系統(tǒng)對(duì)發(fā)電效率有較高要求的場(chǎng)景，可以提供更高的發(fā)電量；④綠色屋頂。綠色屋頂是一種將植物種植在屋頂表面的屋頂結(jié)構(gòu)。

2 構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的影響

2.1 光照接收效率

光照接收效率是工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益最直接的影響因素之一。不同的構(gòu)造形態(tài)會(huì)影響光線在光伏屋頂上的反射、折射和吸收情況，進(jìn)而影響光伏電池的發(fā)電效率。光伏屋頂?shù)钠秸葘?duì)光照接收效率有較大影響，平整的光伏屋頂可以有效減少光線的反射和折射，使更多光線能直接照射到光伏電池上，提高發(fā)電效率。相反，如果光伏屋頂存在凹凸不平的情況，光線會(huì)在不同的角度上反射和折射，導(dǎo)致部分光線無法被光伏電池接收，從而降低發(fā)電效率。此外，光伏屋頂?shù)膬A角也會(huì)對(duì)光照接收效率產(chǎn)生影響。根據(jù)太陽(yáng)高度角的變化，不同傾角的光伏屋頂可以最大限度接收到太陽(yáng)直射光。一般來說，如果光伏屋頂?shù)膬A角與所在地的緯度相等，太陽(yáng)直射光會(huì)垂直照射到光伏電池上，從而獲得最高的光照接收效率[4]。需要注意的是，傾角過大或過小都會(huì)導(dǎo)致光線的反射和折射增加，影響發(fā)電效率。

2.2 清潔效果

清潔效果是指光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)太陽(yáng)能板清潔度的影響。在工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)慕ㄔO(shè)中，由于工業(yè)廠房通常位于城市周邊或者工業(yè)園區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，存在大量塵土和污染物。而這些污染物會(huì)附著在太陽(yáng)能板表面，影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。在光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到清潔效果的優(yōu)化。一方面，光伏屋頂?shù)膬A斜角度和方向應(yīng)合理選擇，以便在自然降雨的情況下能夠有效地沖洗太陽(yáng)能板表面的污染物；另一方面，光伏屋頂?shù)牟馁|(zhì)和表面處理應(yīng)具備自潔功能，能夠降低污染物的附著和積累。采用自潔功能材料的光伏屋頂能夠在降雨后自動(dòng)清潔，減少人工清洗的頻率和成本。例如，一些光伏屋頂采用了特殊涂層，能夠利用光線和雨水的作用，在一定程度上自動(dòng)清潔太陽(yáng)能板表面。這種自潔功能材料不僅可以提高發(fā)電效率，還能減少對(duì)環(huán)境的污染。

2.3 空氣對(duì)流效應(yīng)

在工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)臉?gòu)造形態(tài)中，空氣對(duì)流效應(yīng)的影響是不可忽視的。光伏屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)該合理考慮空氣對(duì)流的流動(dòng)情況，以提高發(fā)電效益。一方面，光伏屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)該充分利用氣流的流動(dòng)，減少熱量的積聚。在設(shè)計(jì)中，可以增設(shè)通風(fēng)口或風(fēng)道，促進(jìn)熱空氣的排出，同時(shí)引入新鮮的空氣。這樣可以降低光伏屋頂溫度，減少光伏組件的溫度升高，從而提高發(fā)電效率；另一方面，光伏屋頂?shù)臉?gòu)造形態(tài)也應(yīng)該考慮到風(fēng)的影響。在設(shè)計(jì)中，可以采用適當(dāng)?shù)膬A角和表面紋理，以減小風(fēng)阻，提高光伏屋頂?shù)姆€(wěn)定性。此外，還可以在光伏組件的表面增加微小的凹凸紋理，以增加光的散射，提高光的吸收效率[5]。

2.4 施工和維護(hù)難度

施工和維護(hù)難度是工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益的另一個(gè)重要影響因素。不同的構(gòu)造形態(tài)會(huì)帶來不同的施工和維護(hù)難度，進(jìn)而影響光伏系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。施工難度是一個(gè)需要考慮的因素。在選擇光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)時(shí)，必須考慮施工過程中的安全性和便利性。一些構(gòu)造形態(tài)可能需要更復(fù)雜的安裝過程以及更多的人力和時(shí)間。例如，某些屋頂形態(tài)可能需要在施工過程中進(jìn)行大量切割和調(diào)整，這將增加施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。而另一些形態(tài)可能更簡(jiǎn)單易行，能夠快速安裝，減少施工時(shí)間和成本。另外，維護(hù)難度也是一個(gè)需要考慮的因素。光伏系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要定期維護(hù)和檢修，以確保正常的發(fā)電效果。不同的構(gòu)造形態(tài)會(huì)對(duì)維護(hù)工作產(chǎn)生不同的影響。例如，某些形態(tài)可能需要更頻繁的清潔和檢查，而其他形態(tài)可能更容易積灰或受到污染。

3 工業(yè)廠房光伏屋頂構(gòu)造形態(tài)優(yōu)化策略

3.1 提高光照接收效率

優(yōu)化光伏板的布局和角度是提高光照接收效率的重要策略之一。在工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)臉?gòu)造中，合理安排光伏板的布局可以最大限度利用可用空間，并使光照能夠均勻覆蓋整個(gè)屋頂。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥群吞?yáng)高度角等因素，調(diào)整光伏板的角度，使其能夠最大限度接收到陽(yáng)光的輻射能量。通過這種方式，可以提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。除了優(yōu)化光伏板的布局和角度外，使用次表面反射鏡或反射膜也是一種有效策略。次表面反射鏡或反射膜可以放置在光伏板上方，能夠?qū)⒔?jīng)過反射的光線重新引導(dǎo)至光伏板上，以提高光照利用率。這種技術(shù)可以使光伏板在相同的光照條件下，獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率，從而增加發(fā)電量。

3.2 減少溫度效應(yīng)

為了減少溫度效應(yīng)對(duì)光伏板發(fā)電效率的影響，可以通過優(yōu)化光伏板的散熱設(shè)計(jì)來有效降低溫度。一種常見的策略是在光伏板的背面增加散熱片或散熱管，以增加散熱面積，提高散熱效果。這樣可以有效地將光伏板上產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至空氣中，降低光伏板的溫度。此外，還可以在光伏板的表面涂覆特殊的散熱涂層。這種涂層能夠增加光伏板與周圍環(huán)境的熱輻射傳遞效率，將光伏板上的熱量快速散發(fā)出去，以降低溫度；同時(shí)，這種散熱涂層還能夠提高光伏板的光吸收能力，增加發(fā)電效率。太陽(yáng)能冷卻技術(shù)是一種利用太陽(yáng)能將熱能轉(zhuǎn)化為冷能的方法，可以降低工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)臏囟取Ｆ渲幸环N常用的太陽(yáng)能冷卻技術(shù)是利用太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為冷能，從而降低光伏屋頂?shù)臏囟萚6]。

3.3 減少陰影效應(yīng)

在工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)臉?gòu)造形態(tài)優(yōu)化中，合理選擇光伏板的安裝位置是減少陰影效應(yīng)的關(guān)鍵策略之一。通過科學(xué)的位置選擇，可以最大限度減少陰影對(duì)光伏板的遮擋，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。在北半球，光伏板應(yīng)選擇朝向南方，以最大限度接收到來自太陽(yáng)的輻射能量。而傾斜角度的選擇則應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥群图竟?jié)變化進(jìn)行調(diào)整，以使光伏板能夠在不同季節(jié)中都能夠充分吸收陽(yáng)光。另外，合理的間距可以避免光伏板之間的陰影相互遮擋，從而減少陰影效應(yīng)。根據(jù)光伏板的尺寸和布局，可以通過計(jì)算和模擬來確定最佳間距。除了合理選擇光伏板的安裝位置外，使用陰影補(bǔ)償技術(shù)也是減少陰影效應(yīng)的重要策略之一。陰影補(bǔ)償技術(shù)可以通過優(yōu)化光伏系統(tǒng)的電路連接方式，減少陰影對(duì)光伏板組串的影響，從而提高發(fā)電效益。一種常用的陰影補(bǔ)償技術(shù)是使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器。MPPT控制器可以根據(jù)實(shí)時(shí)的光照條件調(diào)整光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保光伏板組串在陰影條件下仍能夠保證最佳工作點(diǎn)，最大限度利用太陽(yáng)能資源。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)廠房光伏屋頂?shù)臉?gòu)造形態(tài)對(duì)發(fā)電效益有著重要的影響。合理設(shè)置光伏屋頂?shù)膬A角和朝向，以及避免陰影遮擋，都能夠提高發(fā)電效益。因此，在設(shè)計(jì)和建設(shè)工業(yè)廠房光伏屋頂時(shí)，需要綜合考慮這些因素，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大效益。