第11期总第331期太阳能No.11 Total No.3312021年1月SOLAR ENERGYD0:10.19911/j.1003-0417.yn20200826.02文章编号：1003-0417(2021)11-6411以广州市为例的城市建筑屋顶光伏利用潜力的多元评价陈子龙，王芳，冯艳芬(广州大学地理科学与遥感学院，广州510006)摘要：评价城市建筑屋顶光伏利用潜力是城市太阳能利用的关键，而估算城市建筑屋顶的光伏有效利用面积是开展城市建筑屋顶光伏利用潜力评价的重点。本文以广州市为例，从物理潜力、地理潜力、技术潜力这3个方面对城市建筑屋顶光伏利用潜力进行了多元评价。为了提高建筑屋顶光伏有效利用面积的估算精度，本研究基于太阳的位置，利用Hillshade模型估算了被阴影遮挡的建筑屋顶面积：对于城市中高大植被对建筑屋顶的影响，还引入了归一化植被指数NDVI)来计算植被覆盖度，分析了受植被遮挡的建筑屋顶的面积：最后，为了能够使安装于建筑屋顶上的光伏发电系统达到最佳发电效果，采用仿真软件对屋顶光伏发电系统中光伏组件的最佳安装倾角和前后排光伏阵列的最佳间距进行了计算，并对城市建筑屋顶光伏利用的发电潜力进行了估算。研究结果表明：2010-2015年期间，广州市的年太阳辐射量在3943.35~5007.85MJ/m2之间，且夏、秋两季的太阳辐射量充足：整个广州市可用于安装屋顶光伏发电系统的建筑屋顶有效利用面积约为10142×10m2,光伏发电系统的年发电量约为84.73×103kWh,可减少约844.76×10t的碳排放量。开展城市建筑屋顶光伏利用潜力多元评价可为科学准确地把握城市太阳能利用提供可靠依据，并为安装于城市建筑屋顶的光伏发电系统的规划提供科学依据与方法支持，对发展城市光伏智能建筑、改善城市环境具有积极意义。关键词：城市建筑：屋顶：光伏发电系统：有效利用面积：遮挡：阴影：光伏利用潜力：多元评价中图分类号：TP27文献标志码：A0引言积估算及光伏利用潜力评价已开展了大量研究。太阳能利用是实现城市新能源发展、促进节比如，文献[3-8]通过利用人口、土地及建筑等能减排的重要手段，其中，利用城市建筑屋顶安统计数据对建筑屋顶的有效利用面积进行了估装光伏发电系统是城市太阳能利用的主要方式，算。其中：WIGINTON等)利用人口数据估算对降低建筑能耗、提高城市可持续能源利用率、人均屋顶面积后，对建筑屋顶光伏利用潜力进行促进城市的低碳能源发展均具有重要作用。因了评价：IZQUIERDO等通过将人口、建筑物此，科学开展城市建筑屋顶光伏利用潜力评价显数量和土地利用等统计信息与经验占比系数相结得尤为重要，屋顶光伏有效利用面积估算则是评合估算了可用的屋顶面积，并评价了建筑屋顶光价城市建筑屋顶光伏利用潜力的重点。如何提高伏利用潜力：RODRIGUEZ等提出根据总屋建筑屋顶光伏有效利用面积估算的精度已成为屋顶面积及按照城市分类确定的利用系数来估算光顶光伏领域的研究热点四。伏发电系统的可利用屋顶面积。国内外学者针对建筑屋顶的光伏有效利用面为了进一步提高估算精度，文献[9-11]引入收稿日期：2020-0826基金项目：国家自然科学基金项目“基于生物质能供给保障的农户响应及其土地利用空间优化路径”(42071262)：广东省哲学社会科学“十三五”规划项目(GD16CGL03),广州大学科研立项(YK2020016):广州市哲学社会科学发展“十三五”规划2020年度一般项目(2020GZYB90)通信作者：王芳(1973一)，女，博士、教授，主要从事地理信息与遥感应用的研究与教学方面的工作。wangfang@gzhu.edu.cn(C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第11期陈子龙等：以广州市为例的城市建筑屋顶光伏利用潜力的多元评价技术应用了利用率与影响因素来进行屋顶光伏有效利用面1研究区域的概况和研究方法积的估算。其中：国际能源署(IEA)网使用地基1.1研究区域的概况面积与屋顶和立面总面积之比所确定的利用率，广州市地处我国南部地区、位于广东省南部。对欧洲的建筑屋顶光伏有效利用面积进行了估广州市全市共下辖11个区，总面积为7434km2,算：PENG等o使用总屋顶面积与总占地面积建成区面积为1249.11km2.2019年，广州市常之比将占地面积转换为总屋顶面积，然后通过分住人口为1530.59万人，城镇人口为132334万人，析日光适应性和建筑适应性因素，估算了中国香城镇化率达到86.46%m-2。港地区的建筑屋项光伏有效利用面积。庞大的城市建筑数量和集聚的人口使广州市随着地理信息系统和遥感技术的发展和应用，成为用电需求量极高的城市。2019年，广州市的文献[1-2,12-19]研究了基于遥感影像及相关的实年用电量达到了1005.58亿kWh四。随着光伏建测数据来提取建筑屋顶的特征信息，为提高建筑筑一体化逐渐兴起，采用分布式光伏发电方式的屋顶光伏利用潜力评价的精度提供了新方法。其光伏智能建筑势必将成为类似于广州市这种大城中：李勇四提出利用高性能计算技术和有效的数市建筑形式的发展趋势，并且此种建筑形式能进据分块方案，基于航空立体影像获取的数字地表一步推动光伏发电系统在城市中的应用。1.2研究方法模型(DSM)数据作为太阳辐射模型的数据基础，12.1光伏利用的物理潜力并提取了建筑屋顶的特征信息，对不同类型的建光伏利用的物理潜力是指太阳能量所到达目筑屋顶进行了光伏利用潜力分析：BERGAMASCO标地面的总和，可由太阳辐射量模型来表达。等町利用航空影像，并考虑阴影遮挡后，提高了给定位置的总直接太阳辐射量Diro:是所有屋顶可利用面积的估算精度：K0等四利用建筑太阳图扇区中直接太阳辐射量Dir。(质心位于天高度数据进行了建筑阴影分析，从而可以更精确顶角0和太阳方位角α交点处)的总和，其表达地得出可利用的建筑屋顶面积，并以此评价了中式为：国台湾地区的建筑屋顶光伏利用潜力。(1)通过上述研究可以发现，影响城市建筑屋顶光伏有效利用面积估算的因素非常多，在研究方法和影响因素分析方面仍有待进一步探索，以提式中：Scm为地球与太阳之间平均距离处高估算精度。因此，本研究以广州市为研究区域，大气层外的太阳通量，称为太阳常数，本研究取利用城市建筑物的矢量数据，从物理潜力、地理1367Wm2,这与世界辐射数据中心(WRDC)太阳潜力和技术潜力这3个方面开展了城市建筑屋顶常数保持一致：B为最短路径（朝向天顶的方向）光伏利用潜力多元评价的研究。研究中引入了建的大气层透射率（所有波长的平均值）：m()为相筑阴影遮挡和植被遮挡概念以提高屋顶光伏有效利用面积的估算精度，并通过仿真软件对安装于建筑屋顶的光伏发电系统中光伏组件的最佳安装质心位于与α交点处的太阳图扇区的孔隙度：倾角和前后排光伏阵列的最佳间距进行了计算，进而估算出城市建筑屋顶光伏利用的发电潜力，表面的法线轴之间的入射角，（°）。以期为安装于城市建筑屋顶的光伏发电系统的规12.2光伏利用的地理潜力划和发展提供方法探索和数据支撑。光伏利用的地理潜力是指能够得到足够太阳(C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net