太　阳　能 第 11 期　总第 331 期 2021 年 11 月 No.11　Total No.331 Nov., 2021 SOLAR ENERGY DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20200826.02 文章编号：1003-0417(2021)11-64-11 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 ～ 5007.85 MJ/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 10142×104 m2， 光伏发电系统的年发电量约为 84.73×108 kWh，可减少约 844.76×104 t 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：A 0 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 [3] 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 [1] 促进城市的低碳能源发展均具有重要作用 。因 了评价；IZQUIERDO 等 [4] 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 [5] 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 [2]。 伏发电系统的可利用屋顶面积。 为了进一步提高估算精度，文献 [9-11] 引入 国内外学者针对建筑屋顶的光伏有效利用面 收稿日期：2020-08-26 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—)，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 64 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 1 研究区域的概况和研究方法 了利用率与影响因素来进行屋顶光伏有效利用面 1.1 研究区域的概况 [9] 积的估算。其中：国际能源署 (IEA) 使用地基 广州市地处我国南部地区、位于广东省南部。 面积与屋顶和立面总面积之比所确定的利用率， 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 7434 km2， 算；PENG 等 [10] 使用总屋顶面积与总占地面积 建成区面积为 1249.11 km2。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 1323.34 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%[20-21]。 庞大的城市建筑数量和集聚的人口使广州市 港地区的建筑屋顶光伏有效利用面积。 成为用电需求量极高的城市。2019 年，广州市的 随着地理信息系统和遥感技术的发展和应用， 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 [21]。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 光伏智能建筑势必将成为类似于广州市这种大城 屋顶光伏利用潜力评价的精度提供了新方法。其 市建筑形式的发展趋势，并且此种建筑形式能进 中：李勇 [12] 提出利用高性能计算技术和有效的数 一步推动光伏发电系统在城市中的应用。 据分块方案，基于航空立体影像获取的数字地表 1.2 研究方法 模型 (DSM) 数据作为太阳辐射模型的数据基础， 1.2.1 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 [13] 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 Dir tot 是所有 屋顶可利用面积的估算精度；KO 等 [2] 利用建筑 太阳图扇区中直接太阳辐射量 Dir θ,α( 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 θ 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。 Dirtot=∑Dirθ,α 通过上述研究可以发现，影响城市建筑屋顶 (1) Dirθ,α 可表示为： 光伏有效利用面积估算的因素非常多，在研究方 Dirθ,α=SConst β m(θ)SunDurθ,α SunGapθ,αcos(AngInθ,α) (2) 法和影响因素分析方面仍有待进一步探索，以提 式中：S Const 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 1367 W/m2，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；β 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(θ) 为相 筑阴影遮挡和植被遮挡概念以提高屋顶光伏有效 对的光路径长度；SunDur θ,α 为以质心位于 θ 与 α 利用面积的估算精度，并通过仿真软件对安装于 交点处的天空扇区表示的持续时间；SunGap θ,α 为 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 θ 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， AngInθ,α 为天空扇区中位于 θ 与 α 交点处的质心与 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 1.2.2 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 65 技 术 应 用 太 阳 辐射量的屋顶空间的可用性，即估算可用于安装 合像元中植被所占像元的百分比，其表达式为： NIR–NDVI0 (5) NDVIv–NDVI0 式中：NDVI v 和 NDVI0 分别为纯植被和纯裸 光伏发电系统的屋顶有效利用面积。 fv= 1) 建筑的阴影遮挡分析。在非城市环境中， 建筑周围几乎没有障碍，而在高楼林立的城市地 土时的 NDVI 值，本文以研究区域中 NDVI 值的最 区，建筑会受到周围楼宇的阴影遮挡。建筑阴影 大值和最小值分别作为 NDVIv 和 NDVI0 的值 [22]。 遮挡分析是针对建筑屋顶因受到周围楼宇阴影遮 1.2.3 光伏利用的技术潜力 挡而影响其接收太阳辐射的光伏有效利用面积的 光伏利用的技术潜力是指光伏发电系统的安 分析。该分析由 Hillshade 模型来完成，需要考虑 装技术及光伏组件的发电量潜力。此方面的潜力 建筑高度等因素，先要根据建筑物标高计算山体 需要从光伏组件的最佳安装倾角、前后排光伏阵 阴影 (Hillshade) 值；而计算输出栅格中每个像元 列的最佳间距、光伏组件倾斜面上接收的太阳辐 的 Hillshade 值，则需要知道太阳的高度角和 α 值 [1]。 射量和光伏组件发电量这几个方面进行分析计算。 Hillshade 模型可表示为： 1) 光伏组件最佳安装倾角的确定。可利用 Hillshade=255{[cos(Zenithrad)cos(Sloperad)]+ 公式或仿真软件模拟得到光伏组件的最佳安装倾 [sin(Zenithrad)sin(Sloperad)cos(Azimuthrad)cos(Aspectrad)]} 角。当采用公式计算时，可通过计算光伏组件倾 (3) 斜面上接收的最大年太阳辐射量来确定光伏组件 式 中：Zenith rad 为 太 阳 天 顶 角 的 弧 度 数， 的最佳安装倾角。而采用 PVsyst 6.4.3 仿真软件 rad；Slope rad 为 某 一 点 的 坡 度 弧 度 数，rad； 模拟光伏组件的最佳安装倾角时，可通过调整光 Azimuth rad 为太阳光线方向角的弧度数，rad； 伏组件安装倾角的度数，使转