基于ArcGIS的城市屋顶太阳能应用潜力评估.pdf
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1、低温建筑技术-建筑技术Jun.2023 No.300DOI:10.13905/ki.dwjz.2023.6.022基于ArcGIS的城市屋顶太阳能应用潜力评估ASSESSMENT OF THE POTENTIAL APPLICATION OF URBAN ROOFTOP SOLAR ENERGY BASEDON ArcGIS齐中琨,沈朝,王芳(哈尔滨工业大学建筑学院,寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨 150090)QI Zhongkun,SHEN Chao,WANG Fang(School of Architecture,Harbin Institute of Tec
2、hnology;Key Laboratory of Cold Region Urban and Rural Human SettlementEnvironment Science and Technology,Ministry of Industry and Information Technology,Harbin 150090,China)【摘要】随着光伏技术的发展,屋顶光伏系统在城市中发挥着越来越重要的作用,而评估城市建筑屋顶太阳能资源,寻求光伏设备最佳安装地点,是屋顶光伏系统开发利用的基础,但由于城市建筑数量庞大,气象观测设备不足,无法直接得到所有屋顶的观测数据,故亟需利用已有观测数据
3、来估计其他地点太阳辐射量的方法。文中基于ArcGIS中的太阳辐射模拟工具,以哈尔滨市南岗区中心城区为例,获取了研究区域建筑屋顶海拔高度栅格数据,并采用气象站点日太阳辐射实测数据,对太阳辐射模拟计算所需的大气透过率T与散射率D进行了公式拟合,最后采用拟合公式对南岗区中心城区内所有建筑物进行模拟分析,导出了当地建筑屋顶太阳能分布地图,可探究建筑物屋顶太阳辐射分布及由于建筑物高度不同产生的阴影互相遮挡的影响。结果表明南岗区2021年建筑物屋顶太阳总辐射值为1287.79kW h/m2,且由于阴影遮挡产生的辐射损失约为7.63%,其中有91.4%投影面积的建筑屋顶年累计太阳辐射量超过1000kW h/
4、m2。【关键词】ArcGIS;太阳辐射模拟;参数拟合;屋顶光伏潜力评估【中图分类号】TU984【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2023)6-0096-06Abstract:With the development of photovoltaic technology,rooftop photovoltaic systems are playing an importantrole in cities.The solar energy resources on the roofs of urban buildings are assessed to determine the o
5、ptimal installation location for photovoltaic equipment,which is the foundation for the development and utilization of rooftop photovoltaic systems.However,due to the large number of urban buildings and insufficient meteorological observationequipment,it is not possible to directly obtain all observ
6、ation data on the roofs.Therefore,there is an urgent need touse existing observational data to estimate the amount of solar radiation at other locations.Taking the central urbanarea of Nangang District,Harbin City as the case,the grid data of building roof elevation in the study area is obtained thr
7、oughthe solar radiation simulation tool in ArcGIS.The daily solar radiation measurement data from meteorological stations are used to fit the atmospheric transmittance T and scattering rate D required for solar radiationsimulation calculation.Finally,the fitting formula is used to simulate and analy
8、ze all buildings in the central urbanarea of the district.A map of the solar energy distribution on the roofs of local buildings is obtained for the distribution of solar radiation on the roofs of buildings and the impact of shadows generated by different building heights oneach other.The results sh
9、ow that the total solar radiation value on the roofs of buildings in the district in 2021 is1287.79kW h/m2,and the radiation loss caused by shadow shading is about 7.63%,in which,91.4%of the buildingroofs with a projected area have an annual cumulative solar radiation amount exceeding 1000kW h/m2.Ke
10、y words:ArcGIS;solar radiation simulation;parameter fitting;assessment of rooftop photovoltaic potential0引言随着社会经济的发展,人们对新能源的需求越来越大。太阳能作为一种清洁与可再生能源,对其开发利用越来越受到重视。太阳能光伏发电不产生有害废物,具有良好的环境效益,同时可实现能源多元化利用,缓解对化石能源的依赖,优化能源战略结构1。当前,在相关政策的扶持下,我国城市太阳能建筑的应用得到了快速发展,并呈现出光伏技术在城市环境中规模化安装与应用的趋势。其中建筑光伏屋顶的概念脱颖而出,建筑屋顶光
11、伏发电具有不需占用大块区域土地面积,建设投产周期短,灵活高效,维护便捷等优势,且就近吸纳电能的方式使得电能传输损失较小,能量利用率高2,3。屋顶太阳光伏系统的潜力巨大,分析地区和城市建筑屋顶太阳能资源状况,估算太阳辐射量,寻求光伏设备最佳安装地点,是开发利用太阳能的基础。但96是目前很多地方气象观测点和观测设备不足,无法得到直接的观测数据,所以利用已有的观测数据估算更多地方的太阳辐射就非常重要4。但由于城市建筑体量庞大、分布散乱、建筑屋顶风格形式多种多样,同时城市不同高度的建筑、树木等阴影相互遮挡也对屋顶太阳辐射获取造成很大影响,这些问题都使得城市屋顶太阳辐射量的估算及可有效利用光伏屋顶面积的
12、统计难以进行。造成光伏屋顶的在城市区域的应用推广受到了很大限制。因此,评估城市屋顶太阳能光伏潜力对于城市光伏发展规划具有重要的指导作用。基于这个问题,文中提出了一种基于ArcGIS平台的太阳辐射模拟工具,对模型所需输入大气参数进行拟合,从而进行大范围区域内建筑物屋顶太阳辐射量模拟的方法,探究其辐射量分布情况及由于建筑物高度不同产生的阴影互相遮挡的影响。最终可根据屋顶太阳能资源分布情况,为光伏设备的安装进行规划选址,为大范围城市屋顶太阳能利用开发奠定基础。1太阳辐射模拟方法及数据材料1.1数据材料ArcGIS软件是Esri公司的一套完整的GIS(地理信息系统)平台产品,它具有强大的地图空间数据分
13、析能力。Spatial Analyst工具箱中的Area Solar Radiation tool(太阳辐射区域)工具可计算一段时间内某地理区域或指定点位的太阳辐射。由于太阳辐射会随着时间、气候条件和太阳的位置不断变化。因此,工具计算时综合考虑了地理位置、海拔高度及坡度、大气条件等信息,可以使模拟结果更加精确,同时可以对整个研究区域进行制图分析。工具的输入数据通常为数字高程模型(DEM)以及大气参数,输出数据可以是太阳辐射总量、直接辐射和散射辐射等。DigitalElevation Model(DEM)文件是一种数字地形模型,用于表示地球表面的高程和形状,DEM文件通常包含一个二维网格,每个网
14、格单元都存储一个高程值,从而可以生成当地的三维地形模型。模拟计算采用12.5m精度的哈尔滨市DEM栅格数据文件,数据文件中记录哈尔滨市南岗区的地势海拔高度为 103213m。Shapefile(shp)文件是一种空间数据开放格式5。可用于描述几何体对象:点、折线与多边形,并可以储存相关信息。模拟采用哈尔滨市南岗区存储了高程信息的建筑轮廓shp文件见图1,据建筑轮廓图统计,哈尔滨市南岗区共计18418栋建筑物,建筑屋顶总面积约为12.84km2。哈尔滨市南岗区总面积为182.8km2,建筑物占地面积约为6.5%。由于DEM高程数据只含有地区地势海拔高度,不含有建筑物高度信息,而建筑轮廓图shp文
15、件储存了建筑物高度,故同时叠加哈尔滨市南岗区的DEM高程数据和建筑高度栅格数据,最终得到南岗区建筑屋顶海拔高度1m1m精度的栅格数据,海拔高度172433m。1.2ArcGIS太阳辐射分析模型简介ArcGIS中Spatial Analyst中的Area Solar Radiation工具是基于Rich等人创立并进一步由Fu和Rich发展的半球视域算法方法,可计算某研究区域范围内或特定位置的日照6-8。工具会对输入栅格数据的每个要素位置或每个地形面中的位置重复计算直射辐射量、散射辐射量、总辐射量,从而生成整个地理区域的日照地图。计算时需要区域的纬度、高程信息,地形因子和大气参数9。由于大气环境极
16、其多变复杂,难以准确模拟或预测较小时间与空间尺度天空大气参数。在模拟计算时,默认将区域内部各点大气条件均视为同等,忽视了研究区域内部云量或大气参数等的差异。1.3大气透过率与散射率的计算在太阳辐射分析工具中,除了所需地区的DEM或DSM文件外,最重要的输入参数是用于分别计算直射辐射和散射辐射的大气透过率(简写为T)和散射率(简写为D),它们均是一天内随大气参数变化而不断改变的值。T的范围为01,晴朗天空的T约为0.50.7(默认值为0.5);D的范围也为01,晴朗天空条件下的典型值约为0.20.3(默认值为0.3),T和D呈负相关。这些大气参数很难对特定地理位置进行建模和计算。在不验证这些变量
17、的情况下使用太阳辐射工具会对最终的计算结果产生重大影响。目前采用的统一方法是假设对目标区域内或附近的单一气象站点位置,利用气象站近几年获取的气象数据进行输入模型大气参数的校准,若校准值可靠,则无论对于其周围哪种分辨率或者时间尺度的模拟,结果都是可靠的。Kausika等10利用荷兰乌德勒气象站点20112020年10年的辐射气象数据,研究了荷兰每个月和一年的D和T的最佳组合。但分析表明并不存在固定的T和D的组合值可用作月度太阳辐射计算常数。图1南岗区建筑轮廓图shp文件N97低温建筑技术-建筑技术Jun.2023 No.300因此,如何获取模拟区域内精确的T与D的组合,建立数学模型进行计算取值,
18、作为ArcGIS太阳辐射模拟分析模型的输入参数,依然是模型实际运用推广过程中最大的难点。1.3.1基于天气条件概化的参数取值目前对T与D取值用于ArcGIS太阳辐射模拟分析的研究采用较多也是最为简单的方法是对于两个大气参数的取值都进行概化,依据每日的天气情况或日照时数,将天空条件分为4种条件,见表1,每种天空条件下对应不同的D和T。但目前对于概化的天气条件的判定却没有精确且统一的标准。金鑫等11根据野牛沟气象站2011年气象数据,以不同季节测量的每日日照时数对当天的天气条件进行划分,但整体模拟结果并不理想,模拟值都小于实测值;且由于每天的天气情况都不同,尤其是在天气多变的夏季,简单利用日照时数
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