淺談工業廠房光伏屋頂構造形態對發電效益的影響

樊建利 （西安墻體材料研究設計院有限公司，陜西 西安 710061）

在當今能源危機和環境保護的背景下，光伏發電作為一種清潔、可再生的能源形式，受到了廣泛的關注和應用。而工業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光伏發電效益具有重要的影響。因此，研究工業廠房光伏屋頂構造形態對發電效益的影響，對于光伏發電系統的優化和提高具有重要的理論和實踐意義。然而，當前研究對于工業廠房光伏屋頂構造形態與發電效益的關系還存在一定的不足之處：一方面，對于不同形態的工業廠房光伏屋頂的發電性能研究還較為有限，缺乏系統性和全面性的研究結果；另一方面，現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造形態對發電效益的影響。

1 工業廠房光伏屋頂構造形態分類

1.1 單面傾斜屋頂

單面傾斜屋頂是工業廠房中常見的一種光伏屋頂構造形態，通常由一面傾斜的屋頂構成，使光伏組件能夠最大限度接收和利用太陽能。這種構造形態的光伏屋頂具有簡單、經濟、實用的特點，適用于大多數工業廠房的屋頂安裝。在單面傾斜屋頂的設計中，需要考慮到屋頂的傾斜角度、朝向以及光伏組件的布局。傾斜角度的選擇應根據所在地的經緯度、太陽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輻射。同時，屋頂的朝向也是關鍵因素，通常選擇朝陽方向，以確保光伏組件能夠在白天的大部分時間接收到太陽光。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電容量。而交錯排列則適用于屋頂較小的情況，能夠充分利用有限的空間，提高光伏發電效率[1]。此外，還可以考慮在屋頂的不同位置安裝不同類型的光伏組件，以進一步提高發電效益。除了光伏組件的布局，單面傾斜屋頂的構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廠房光伏屋頂中的一種常見構造形態。與傳統的單面傾斜屋頂相比，雙面傾斜屋頂在光伏發電方面具有更高的效率和更廣闊的應用空間。雙面傾斜屋頂的設計理念是在屋頂的兩面都安裝太陽能光伏板，使得太陽光能夠同時照射到兩面的光伏板上。這樣一來，不僅可以增加光伏發電的總體產能，還可以最大限度利用太陽能資源。雙面傾斜屋頂可以根據實際需求和場地條件調整傾斜角度，以獲得最佳發電效果。在實際應用中，雙面傾斜屋頂常常采用透明或半透明太陽能光伏板，這樣可以充分利用屋頂下方的散射光，進一步提高光伏發電的效率[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，從而進一步提升光伏發電的效率。雙面傾斜屋頂的優勢不僅在于提高發電效率，還在于其適應性和靈活性。雙面傾斜屋頂可以靈活應用于各種類型的工業廠房，無論是大型工業園區還是小型獨立廠房，都可以根據實際情況進行設計和安裝。此外，雙面傾斜屋頂的可持續性也得到了廣泛認可，其設計和施工過程中注重環保和節能原則，符合可持續發展的要求。

1.3 平面屋頂

平面屋頂是一種常見的工業廠房光伏屋頂構造形態，其特點是屋頂平整，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構，通常使用混凝土或鋼材作為屋頂的承重結構，然后覆蓋防水材料。光伏系統可以直接安裝在平頂上，通過支架固定在屋頂表面。平頂光伏系統的安裝相對簡單，不需要進行大規模的調整和改變，因此適用于已建成的工業廠房。此外，平頂光伏系統還可以利用屋頂的空間，增加工廠的發電能力，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構。它的傾斜角度通常在5°～15°之間，并可根據光照情況和發電需求進行調整。輕微傾斜屋頂一般使用鋼材或鋁材作為支撐結構，并覆蓋防水材料。光伏系統可以通過支架固定在屋頂，使太陽能電池板能夠傾斜面對陽光，最大限度吸收太陽能。輕微傾斜屋頂光伏系統的安裝相對簡單，同時還可以提高光伏系統的發電效率[3]。

1.4 其他構造形態

除了前面提到的斜坡屋頂、平面屋頂和棚架屋頂外，工業廠房光伏屋頂還有一些其他的構造形態：①彎曲屋頂。這種構造形態適用于那些有特殊設計需求的工業廠房。彎曲屋頂的設計可以使光伏組件更好地適應工業廠房的建筑形態，同時還可以增加光伏組件的安裝面積，提高發電效率；②穹頂屋頂。穹頂屋頂是一種圓頂或拱形的屋頂結構，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。穹頂屋頂的設計不僅美觀，還能夠在一定程度上提高工業廠房的通風和采光效果；③帶有太陽能追蹤系統的屋頂。太陽能追蹤系統可以根據太陽的位置自動調整光伏組件的角度，以最大限度捕捉太陽能。這種構造形態適用于工業廠房光伏系統對發電效率有較高要求的場景，可以提供更高的發電量；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構。

2 構造形態對發電效益的影響

2.1 光照接收效率

光照接收效率是工業廠房光伏屋頂構造形態對發電效益最直接的影響因素之一。不同的構造形態會影響光線在光伏屋頂上的反射、折射和吸收情況，進而影響光伏電池的發電效率。光伏屋頂的平整度對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，提高發電效率。相反，如果光伏屋頂存在凹凸不平的情況，光線會在不同的角度上反射和折射，導致部分光線無法被光伏電池接收，從而降低發電效率。此外，光伏屋頂的傾角也會對光照接收效率產生影響。根據太陽高度角的變化，不同傾角的光伏屋頂可以最大限度接收到太陽直射光。一般來說，如果光伏屋頂的傾角與所在地的緯度相等，太陽直射光會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導致光線的反射和折射增加，影響發電效率。

2.2 清潔效果

清潔效果是指光伏屋頂構造形態對太陽能板清潔度的影響。在工業廠房光伏屋頂的建設中，由于工業廠房通常位于城市周邊或者工業園區，周邊環境復雜，存在大量塵土和污染物。而這些污染物會附著在太陽能板表面，影響光伏系統的發電效率。在光伏屋頂構造形態設計中，應考慮到清潔效果的優化。一方面，光伏屋頂的傾斜角度和方向應合理選擇，以便在自然降雨的情況下能夠有效地沖洗太陽能板表面的污染物；另一方面，光伏屋頂的材質和表面處理應具備自潔功能，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，在一定程度上自動清潔太陽能板表面。這種自潔功能材料不僅可以提高發電效率，還能減少對環境的污染。

2.3 空氣對流效應

在工業廠房光伏屋頂的構造形態中，空氣對流效應的影響是不可忽視的。光伏屋頂的設計應該合理考慮空氣對流的流動情況，以提高發電效益。一方面，光伏屋頂的結構應該充分利用氣流的流動，減少熱量的積聚。在設計中，可以增設通風口或風道，促進熱空氣的排出，同時引入新鮮的空氣。這樣可以降低光伏屋頂溫度，減少光伏組件的溫度升高，從而提高發電效率；另一方面，光伏屋頂的構造形態也應該考慮到風的影響。在設計中，可以采用適當的傾角和表面紋理，以減小風阻，提高光伏屋頂的穩定性。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 施工和維護難度

施工和維護難度是工業廠房光伏屋頂構造形態對發電效益的另一個重要影響因素。不同的構造形態會帶來不同的施工和維護難度，進而影響光伏系統的運營和維護成本。施工難度是一個需要考慮的因素。在選擇光伏屋頂構造形態時，必須考慮施工過程中的安全性和便利性。一些構造形態可能需要更復雜的安裝過程以及更多的人力和時間。例如，某些屋頂形態可能需要在施工過程中進行大量切割和調整，這將增加施工的難度和風險。而另一些形態可能更簡單易行，能夠快速安裝，減少施工時間和成本。另外，維護難度也是一個需要考慮的因素。光伏系統在運行過程中需要定期維護和檢修，以確保正常的發電效果。不同的構造形態會對維護工作產生不同的影響。例如，某些形態可能需要更頻繁的清潔和檢查，而其他形態可能更容易積灰或受到污染。

3 工業廠房光伏屋頂構造形態優化策略

3.1 提高光照接收效率

優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。在工業廠房光伏屋頂的構造中，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屋頂。同時，根據當地的緯度和太陽高度角等因素，調整光伏板的角度，使其能夠最大限度接收到陽光的輻射能量。通過這種方式，可以提高光伏系統的發電效率。除了優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，能夠將經過反射的光線重新引導至光伏板上，以提高光照利用率。這種技術可以使光伏板在相同的光照條件下，獲得更高的能量轉換效率，從而增加發電量。

3.2 減少溫度效應

為了減少溫度效應對光伏板發電效率的影響，可以通過優化光伏板的散熱設計來有效降低溫度。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生的熱量傳導至空氣中，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境的熱輻射傳遞效率，將光伏板上的熱量快速散發出去，以降低溫度；同時，這種散熱涂層還能夠提高光伏板的光吸收能力，增加發電效率。太陽能冷卻技術是一種利用太陽能將熱能轉化為冷能的方法，可以降低工業廠房光伏屋頂的溫度。其中一種常用的太陽能冷卻技術是利用太陽能吸收式制冷系統。這種系統通過太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能，然后通過制冷機或吸收式制冷機將熱能轉化為冷能，從而降低光伏屋頂的溫度[6]。

3.3 減少陰影效應

在工業廠房光伏屋頂的構造形態優化中，合理選擇光伏板的安裝位置是減少陰影效應的關鍵策略之一。通過科學的位置選擇，可以最大限度減少陰影對光伏板的遮擋，提高光伏系統的發電效率。在北半球，光伏板應選擇朝向南方，以最大限度接收到來自太陽的輻射能量。而傾斜角度的選擇則應根據當地的緯度和季節變化進行調整，以使光伏板能夠在不同季節中都能夠充分吸收陽光。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。根據光伏板的尺寸和布局，可以通過計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，使用陰影補償技術也是減少陰影效應的重要策略之一。陰影補償技術可以通過優化光伏系統的電路連接方式，減少陰影對光伏板組串的影響，從而提高發電效益。一種常用的陰影補償技術是使用最大功率點跟蹤（MPPT）控制器。MPPT控制器可以根據實時的光照條件調整光伏系統的工作狀態，確保光伏板組串在陰影條件下仍能夠保證最佳工作點，最大限度利用太陽能資源。

4 結語

綜上所述，工業廠房光伏屋頂的構造形態對發電效益有著重要的影響。合理設置光伏屋頂的傾角和朝向，以及避免陰影遮擋，都能夠提高發電效益。因此，在設計和建設工業廠房光伏屋頂時，需要綜合考慮這些因素，以實現光伏發電的最大效益。