太阳能小屋的设计

太阳能小屋设计

摘要：太阳能利用的重点是建筑，其应用方式包括利用太阳能为建筑物供热（生活热水、采暖）和供电，因此太阳能与建筑一体化是

未来太阳能技术的发展方向。我国已于2009 年正式启动了“太阳能屋顶计划”，但是目前已实施的太阳能屋顶上的电池板均为固定

安装，从而限制了太阳辐射量的吸收，减少了发电产量，降低了太阳能屋顶的工作效率。本文的智能太阳能屋顶模型将太阳跟踪技

术应用于屋顶太阳能电池板上，使其能够根据太阳方位的变化自动调节角度，大大提高了太阳辐射量的吸收。

关键词：太阳能屋顶；太阳跟踪技术；计算机辅助

太阳能作为迄今人类所认识的最清洁的可再生能源，其与建筑一体化将在建筑节能中起到十分重要的作用。屋顶在建筑外围结构中所接受的日照时间最长，接受的太阳辐射量也最大，具有利用太阳辐射的优越条件，同时，屋顶较开阔，便于大面积连续布置太阳能设备，因此，在城市中，建筑屋顶是太阳能利用的最佳场所。目前，许多国家已纷纷实施和推广“太阳能屋顶计划”，如有德国

十万屋顶计划、美国百万屋顶计划以及日本的新阳光计划等[2]。我国属于太阳能利用条件较好的地区，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富[3]。2009 年5 月21 日，财政部与住房和城乡建设部联合出台的《关于加快推进太阳能光伏建筑应用的实施意见》正式

启动了我国的“太阳能屋顶计划”。如今，我国已有许多太阳能光伏建筑一体化的应用实例，如国家体育馆太阳能发电系统、首都博物馆太阳能光伏系统、上海虹桥铁路客运站光伏发电项目等[4]，但是，这些建筑上的太阳能电池板都是固定安装的，很大程度上限制了太阳辐射量的吸收，从而影响了发电产量。本文将太阳跟踪技术应用于太阳能屋顶上，使用计算机进行模拟实验，并与固定式太阳能电池板各时刻的太阳辐射吸收量进行了数据对比，从而量化的显示出了这种智能太阳能屋顶的优势。

1 太阳能光伏建筑一体化

1.1 太阳能屋顶

目前，我国及国际上的屋顶太阳能光热和光电利用技术已经比较成熟。利用太阳能光热系统可以给建筑提供生活热水或是冬季的暖源；利用太阳能光电系统可以提供建筑的日常用电[5]。太阳能光伏建筑一体化指的是太阳能发电，即每座建筑就是一座发电站，发出的电首先能够满足建筑自身的需求，多余的进入电网传输出去[6]。

所谓太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，组成户用并网光伏系统。

1.2 太阳能光伏与建筑的结合方式

根据2009 年财政部、住房和城乡建设部光电建筑应用示范项目的申报和实施情况，将太阳能光伏与建筑的结合方式分为光伏

建材一体型和光伏建材型两种[7]。

（1）光伏建材一体型。光伏建材一体型太阳电池是生产厂预先把太阳电池安装在普通屋顶建材上，然后同普通屋顶建材施工一样安装在住宅上，寿命和防水性能等也同普通屋顶建材一样，只是在材料利用上有重复。

（2）光伏建材型。光伏建材型太阳电池是让钢化玻璃和铝合金框架构成的太阳电池组件本身具有建材的功能，要求防水性能良好，能直接代替建材使用。另外，为了便于维护，要求光伏建材型太阳电池的寿命与周围的建材相匹配。从发展趋势看，光伏建材型将会成为主流。

2 太阳跟踪技术

太阳能屋顶上电池板的铺设一般对平屋顶而言用覆盖式，对斜屋顶用镶嵌式。目前已实施的太阳能屋顶上的电池板阵列基本都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。为了提高太阳能屋顶的发电量，许多学者做出了研究，刘辉的智能型太阳能屋顶系统采用了南向的45°和5°两个不同的倾角安装太阳能电池板[8]，以提高对太阳辐射量的吸收。据实验，在太阳能光发电中，相

同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%[9]，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。

现如今，太阳跟踪技术已十分成熟，它能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线垂直照射太阳能电池板，显著提

高了太阳能的利用率，减少了能源的浪费。目前太阳跟踪的方式有多种，主要有光电式和机械式[10-11]。前者为被动跟踪，受环境影响

较大，尤其在多云或阴天时；后者为主动式，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机跟踪太阳，目前国内大多采用后者的方式。为了提高太阳跟踪精度，相关的研究从未间断，赵建钊的智能型太阳能跟踪系统采用了以程控跟踪为主、光电跟踪为辅的跟踪方式，同时更新了计算太阳坐标位置的数学模型，从而提高了跟踪精度[10]；侯长来的太阳跟踪装置的双模式控制系统能实现高精度全天候的自动跟踪[9]。

太阳跟踪技术的理论基础就是太阳位置的变化，也就是不同时刻太阳高度角和太阳方位角的确定。太阳高度角和太阳方位角的计算公式分别如下：

（1）

（2）

式中，hs

为太阳高度角；As

为太阳方位角；Φ为观测者所在地理纬度，不论南北，一律取正；δ为太阳赤纬；t 为时角。太阳高度角和太阳方位角如图1 所示。

3 智能太阳能屋顶的计算机模拟实验

3.1 计算机辅助建筑设计

随着信息技术的高速发展，计算机技术使建筑制造业和建筑业得以迅速现代化，建筑

师们普遍运用计算机提高效率，使之成为一种现代化的传译工具，而一些富于探索精神的

建筑师，则将新兴计算机技术作为他们探索新概念、新形式的灵感源泉。本文的智能太阳能

屋顶就是在Rhinoceros 4.0 软件平台下，使用可编程的图形化程序建模插件Grasshopper 来实现的，并通过Autodesk Ecotect Analysis

2010 与固定太阳能电池板几个时刻的太阳辐射吸收量进行对比分析，量化显示出了该智能模型在发电产量上的优势。

3.2 模型实现

本模型是一个屋顶为南向斜面的小房子，为了便于观察，后面仅拿出屋顶进行模拟实验。该屋顶已铺设好了太阳能电池板阵列，并已安装了太阳跟踪设备，当太阳位置变化时，屋顶上的各太阳能电池板就以其纵向中线为旋转轴朝向太阳做相应的东西向旋转，以保证太阳光线垂直照射，如图2~图7 所示。

图2 模型示意图3 日出时太阳能电池板朝向示意图4 上午太阳能电池板朝向示意

图5 正午太阳能电池板朝向示意图6 下午太阳能电池板朝向示意图7 日落时太阳能电池板朝向示意

4 数据对比