亓偉孫英君王鴻燕江云婷程英偉
(1.山東建筑大學測繪地理信息學院,山東濟南250101;2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 濟南 250101;3.山東農業(yè)工程學院國土資源與測繪工程學院,山東濟南250100)
由于全球范圍內爆發(fā)的各種環(huán)境、氣候、資源、能源問題,使得人類對新型清潔能源的需求越來越強烈。近年來,科學家們對各種新能源的研究越來越深入,其中太陽能以其清潔、高效、量多、易獲取等優(yōu)點得到了一致認可,其技術的利用也越加成熟[1]。太陽能熱水器、太陽能電池板路燈以及光伏一體化節(jié)能建筑等都是對太陽能進行的有效開發(fā)利用。目前,關于太陽能的研究分為建筑物、區(qū)域和城市等3個尺度。而基于有限的建筑物表面,最大限度地利用太陽能已經成為當前智慧城市智慧能源發(fā)展中的有效措施,而建筑物屋頂太陽輻射估算是合理規(guī)劃光伏轉化設備及環(huán)保建筑材料的前提。建筑物尺度的太陽輻射評估方法比較成熟,但對區(qū)域、城市尺度屋頂可獲取的太陽能輻射的評估不夠,而且受地域影響沒有統(tǒng)一的算法及評估模型[2]。
國內外對太陽能輻射的研究尺度大到洲級、國家級,小到城市區(qū)域級別,然而城市建筑物尺度級別的研究相當有限。Huld等[3]將太陽能輻射數據及影響因子融合到GIS系統(tǒng)中,使用太陽能評估模型PVGIS(Photovoltaic Geographical Information System)對整個歐盟區(qū)域的太陽能儲量進行了估算;Izquierdo等[4]對西班牙的建筑物頂部太陽能系統(tǒng)進行潛力評估。Wiginton等[5]預測了加拿大安大略省局部區(qū)域房頂太陽能儲量,認為其用電需求的30%可以通過光電系統(tǒng)予以滿足。Vardimon[6]使用一套完整的覆蓋以色列的地理信息數據,對可用建筑物頂部面積進行評估,得出其頂部光伏電力生產潛能達到國家電力消費的32%的結論。劉光旭等[7]根據2000年的1∶25萬江蘇省土地利用圖,使用空間分析功能,對江蘇省屋頂面積進行了估算。郭曉琳[8]利用GIS和ENVI技術,根據屋頂面積與人口密度的高度相關性,利用回歸分析推導出徐州市屋頂面積。徐福圓[9]以谷歌地球(Google Erath)遙感影像圖為基礎數據,提出了一種基于區(qū)域與邊緣線段分析相結合的建筑物外形提取方法,對建筑物屋頂進行提取并估算其面積,進而預估屋頂可開發(fā)光伏容量。呂揚等[10]將遙感反演與GIS三維空間分析相結合,建立了城市建筑物尺度的太陽能資源潛力估算方法和模型,并在新疆烏魯木齊城區(qū)某建筑群進行進行了應用。Huang等[11]利用激光點云數據對上海陸家嘴地區(qū)建筑物特征進行提取,通過采用大氣晴朗指數改進的短波太陽能輻射模型估算了該地區(qū)建筑物屋頂的太陽能潛力。周文臻等[12]利用福建省的數字高程模型DEM(Digital Elevation Model)數據,定量地分析了坡度坡向對天文輻射分布的影響規(guī)律,同時探討數字高程模型對天文輻射產生的空間尺度效應。崔日鮮[13]基于山東境內17個氣象站1961—2012年逐日日照時數資料,分析了山東省的全年和四季太陽總輻射的時空變化特征。
激光雷達LiDAR(Light Detection and Ranging)是一種集多種技術于一身的主動式雷達探測技術系統(tǒng)。利用機載 LiDAR技術獲取目標三維信息的方法,已在測繪工程、環(huán)境科學、城市規(guī)劃建設等諸多領域得到廣泛應用。文章基于LiDAR數據,對山東建筑大學校內13棟覆蓋太陽能電池板的建筑,進行高精度三維信息提取,得到十分準確的建筑物輪廓信息,利用ArcGIS平臺自帶的Hillshade工具進行研究區(qū)域簡單的陰影分析,采用 Solar Radiation Analyst工具計算建筑物屋頂的太陽輻射,進而分析其變化特征。
研究區(qū)域為山東建筑大學新校區(qū)(36.68°N,117.17°E)。利用加拿大 Optech公司生產 ALTM Orion H300型機載激光雷達設備加載CS-10000數碼相機獲取實驗區(qū)域點云數據。數據包含303萬多個點。基于機載LiDAR數據得到的宿舍樓及圖書館等13棟建筑物的空間分布如圖1所示。LiDAR數據自帶高程屬性,可以非常便捷的批量提取區(qū)域建筑物三維信息,其提取流程如圖2所示。首先根據LiDAR的高程屬性建立包含建筑物等地物信息在內的數字表面模型DSM(Digital Surface Model),再將建筑物、樹木等點云信息過濾掉,生成不包含建筑物等地物信息的數字地形模型DTM(Digital Terrain Model),兩者做差得到研究區(qū)域建筑物三維模型。
圖1 建筑物分布圖
圖2 建筑物三維信息提取流程圖
1.2.1 陰影分析
在進行太陽輻射分析之前,對研究區(qū)域進行陰影分析,區(qū)分建筑物屋頂的可接受太陽輻射的能力。無陰影部分可接受太陽直接輻射、天空散射輻射、地物反射輻射,而有陰影的部分只能接受天空散射輻射與地物反射輻射。
實驗研究區(qū)域內建筑物相對較高,且研究對象為建筑物屋頂面,所研究建筑物屋頂都超過樹木,通過ArcGIS的Hillshade分析工具對實驗區(qū)建筑物進行陰影分析,得出建筑物頂部無陰影遮擋,陰影遮擋對本實驗無實際影響。
1.2.2 建筑物屋頂太陽輻射計算
影響地表太陽輻射的要素主要有3大類:地球要素、地形因素、大氣衰減等。地球要素決定了大氣圈頂層的太陽輻射,其取決于地球傾斜度(季節(jié))、緯度和太陽時角(時間)。地形因素包括高程、坡度、坡向及陰影。大氣衰減主要指大氣中的固體顆粒,液體和氣體對太陽輻射的散射和吸收。分別在地球表面將截取成太陽直接輻射、散射輻射和地物反射輻射[14-15]。
文章利用ArcGIS平臺提供的太陽輻射分析工具進行特定時間段太陽輻射制圖和分析。該工具綜合大氣效應、緯度和高程、地理要素、太陽角度的周期性變化以及周圍地物投射的陰影所帶來的影響等因素進行分析。
建筑物屋頂接收到的反射太陽輻射很少,因此總太陽輻射為太陽直接輻射與散射輻射的總和。ArcGIS中太陽直接輻射與散射輻射的計算方法[16-18]如下:
(1)太陽直接輻射計算
給定位置的(質心位于天頂角θ和方位角α處),總太陽直接輻射Dirtotal是所有太陽圖扇區(qū)中太陽直接輻射 Dirθ,α的總和,計算公式為
式中:SC為日地平均距離處大氣層外的太陽通量,稱為太陽常數[18],分析中使用的太陽常數是1 367 W/m2;β為最短路徑(朝向天頂的方向)的大氣層透射率(所有波長的平均值);m(θ)為 相對的光路徑長度,以相對于天頂路徑長度的比例形式測量;SDθ,α為以天空扇區(qū)表示的持續(xù)時間,對于大多數扇區(qū),其等于日間隔(如1個月)乘以小時間隔(如0.5 h)。對于部分扇區(qū)(接近地平線),將使用球面幾何計算持續(xù)時間;SGθ,α為太陽圖扇區(qū)的孔隙度;AIθ,α為天空扇區(qū)的質心與表面的法線軸之間的入射角。
(2)散射輻射計算
對于每個天空扇區(qū),計算質心處的散射輻射Difθ,α,并按時間間隔進行整合,再通過孔隙度和入射角進行更正,計算公式為
式中:Rglb為總正常輻射;Pdif為散射的總正常輻射通量的比例,通常在天空非常晴朗的條件下,該值約等于0.2,在天空云層極厚的條件下,該值約等于 0.7;Dur為分析的時間間隔;SGθ,α為天空扇區(qū)的孔隙度(可見天空的比例);Wθ,α為給定天空扇區(qū)與所有扇區(qū)中散射輻射的比例;AIθ,α為天空扇區(qū)的質心和截留表面之間的入射角。
該位置的總散射輻射 (Diftotal)為所有天空圖扇區(qū)中散射輻射(Dif)的總和,計算公式為
經過對ArcGIS的太陽輻射分析工具中散射比例和透射率的設置來實現不同天氣對太陽輻射的影響分析。散射比例是總正常輻射通量的散射部分,該值的范圍為0~1。應根據大氣條件設置該值:天空非常晴朗的條件下,典型值為0.2,而天空一般晴朗的條件下,典型值為0.3。透射率是大氣層的一種屬性,表現為到達地球表面的能量(所有波長的平均值)與大氣上邊緣接收到的能量(大氣圈外)的比率。值的范圍介于0(無透射)~1(完全透射)之間。通常,在天空非常晴朗的條件下,觀測值為0.6或0.7;在天空普通晴朗的條件下,觀測值為0.5。在計算中,多云天氣,散射比例設置為0.4,透射率設置為0.4;大雨天氣,散射比例設置為0.6,透射率設置為0.2。
選取2017年7月典型天氣狀況(大雨、多云、晴天)的3天,計算山東建筑大學宿舍樓梅園屋頂接收的太陽能輻射,比對不同天氣下太陽能輻射的差異?;趩挝幌裨慕y(tǒng)計結果見表1,單位面積的太陽輻射如圖3所示。
天氣對太陽輻射的影響是非常明顯的,天氣越糟糕,屋頂可接受的太陽輻射越少。晴天狀況下比多云陰天情況的屋頂單位面積太陽能輻射多出882.93 Wh/m2;而在全天候下雨天中太陽輻射受到的影響是非常大的,但是也可以接收到晴天狀況下58%的太陽輻射。
表1 不同天氣屋頂太陽輻射計算結果統(tǒng)計表
圖3 不同天氣屋頂單位面積太陽輻射圖
選取2017年5月10日(晴天)一天中8∶00~9 ∶00、10∶00 ~ 11∶00、12∶00 ~ 13∶00、13∶00 ~ 14∶00、14∶00~15∶00等5個時間段,計算山東建筑大學竹園宿舍樓頂的太陽能輻射,同一位置不同時刻太陽能輻射具體統(tǒng)計結果見表2,如圖4所示。通過分析統(tǒng)計結果可知,同一天同一位置不同時刻屋頂接收的太陽能輻射差異明顯,即研究區(qū)域一天之中上午至中午太陽能輻射逐漸增加,到中午12∶00~13∶00達到最大,之后逐漸減少;一天之中輻射最大值可以達到726.20 Wh/m2。
選取2016年十二個月份,利用ArcGIS經典晴天模型(默認晴天參數:散射比例為0.3,透射率為0.5)計算了山東建筑大學13棟覆蓋太陽能電池板建筑的月度太陽能輻射量,結果見表3。一年之中七月份的屋頂單位面積太陽輻射最高,可達到165.30 kWh/m2,這一個月的單位面積輻射相當于整個冬季單位面積輻射的1.77倍;十二月份屋頂單位面積輻射最低,僅有七月份的17%,達到28.14 kWh/m2。由此可以看出,一年之中七月份是接受到的太陽輻射最多。按季節(jié)統(tǒng)計的屋頂太陽輻射結果如圖5所示。夏季由于太陽高度角達到最大,從而使夏季單位面積太陽輻射最大,可達到491.33 kWh/m2;秋季次之,為 321.25 kWh/m2;春季為254.70 kWh/m2;而冬季最少,僅為93.45 kWh/m2。
表3 建筑物屋頂太陽輻射統(tǒng)計表/(×105kWh)
圖5 不同季節(jié)屋頂單位面積太陽輻射圖
基于激光雷達數據,利用ArcGIS平臺提供的太陽輻射分析工具,文章對山東建筑大學新校區(qū)內13棟建筑物屋頂太陽輻射進行了估算。主要得出以下結論:
(1)天氣對屋頂獲取的太陽輻射影響非常明顯,晴天條件下的屋頂太陽輻射是陰天條件下的1.15倍,全天候雨天可以接收到晴天58%的太陽輻射。
(2)一天之中,建筑物屋頂在不同時刻接收的太陽能輻射量差異明顯,12∶00~13∶00屋頂接收到的太陽輻射為726.20 Wh/m2,達到一天之中最高值,之后逐漸減少。
(3)建筑物屋頂太陽輻射具有明顯的季節(jié)變化,夏季屋頂太陽輻射最高可達491.33 kWh/m2;秋季屋頂太陽輻射次之,為321.25 kWh/m2;而冬季最少,僅為 93.45 kWh/m2。