夏鵬曦， 段儒禹， 汪主洪， 于 麗， *

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

在車輛進出隧道時，會產生非常劇烈的明暗變化，造成人眼難以適應，將其稱為“黑洞”“白洞”效應。設置光伏薄膜遮陽棚可以達到緩慢減少隧道入口照度的效果，避免入口段的“黑洞”效應，另外也能發(fā)揮其薄膜材料的光伏發(fā)電功能。光伏發(fā)電具有生態(tài)環(huán)保、節(jié)約能源、安全可靠、架設方便等特點。高海拔地區(qū)的日照強度較大，太陽能資源豐富，但生態(tài)環(huán)境十分脆弱，充分利用光伏資源可以減少污染。

太陽能電池主要分為晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶體硅電池在穩(wěn)定性和轉化率方面具有獨特的優(yōu)勢，并且應用時間長、市場范圍廣，但是傳統(tǒng)的晶體硅價格高昂。薄膜太陽能電池厚度較薄，價格低廉，隨著光伏與建筑相結合的發(fā)展，薄膜電池將有更廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

楊公俠等[3]進行了遮陽棚的模型試驗以確定透光率和其他有關參數，并分季節(jié)進行實測。翁季等[4]從安全和節(jié)能的角度分析了隧道洞口設置減光措施的必要性，并簡述了其在實際工程應用中應注意的要點。文獻[5]通過試驗驗證了在隧道洞口設置半透明張力結構的遮陽棚有利于緩解駕駛人的不適，節(jié)約電能。Drakou等[6]進一步對在隧道洞口設置減光設施的安全性與經濟性進行了研究。趙錫森等[7]對薄膜遮陽棚的透光率組合進行了模擬，其組合方式具有短距離、多組合等特點，但是結合光伏發(fā)電的特點可知在隧道洞口設置光伏薄膜遮陽棚對其規(guī)模具有一定的要求，并且以往的透光率組合過于復雜，在施工上會造成極大的不便。張世平等[2]對光伏薄膜遮陽棚設計進行了探討，但是沒有對不同透光率的組合進行探討，其選用的透光率組合工況初始段透光率為0.4、末尾段透光率為0.15的方案會出現初段照度太大、2段遮陽棚相接處照度變化劇烈的問題，且在光伏發(fā)電效果的估算中沒有考慮到具體的光照環(huán)境?；诖耍褂肈IALUX數值模擬的方式對比CIE視覺照度適應曲線，探討在不同季節(jié)、不同行車速度下光伏薄膜遮陽棚透光率的不同組合形式；通過調研分析獲得光伏材料布置方位的方法，并通過理論推導得到考慮具體輻射量的光伏薄膜遮陽棚的太陽能發(fā)電量以及經濟效益計算方法，以期為光伏薄膜遮陽棚的透光率選型設計以及光伏效益估算提供參考。

1 遮陽棚設計

1.1 確定遮陽棚的透光率及組合形式

1.1.1 遮陽棚尺寸設計

在對遮陽棚進行光環(huán)境設計之前，需要初步確定遮陽棚的建模尺寸，即確定遮陽棚外立面尺寸和合理的長度范圍。公路隧道入口遮陽棚是功能型建筑，而非景觀型建筑，因此，需在不影響遮陽棚遮光功能的前提下對遮陽棚進行外立面設計。在外立面設計時，需考慮以下2點。

1)從不影響遮光的角度考慮，遮陽棚拱狀剖面形式應簡潔，少用或不用非遮光功能的突出式造型，以免在棚內出現明暗交替的光斑而影響遮陽棚光環(huán)境過渡效果。

2)從避免視覺沖擊角度考慮，遮陽棚與隧道應銜接良好，遮陽棚剖面需與隧道斷面形狀大致相同，且遮陽棚鋼拱架與隧道輪廓線不能發(fā)生錯位。

結合上述分析，采用如圖1所示的正斷面圖。

圖1 隧道正斷面圖(單位： m)

1.1.2 遮陽棚長度設計

以巴朗山隧道為例，巴朗山隧道洞口海拔高3 850 m，項目全長約8 808 m，日照時間長，太陽能充足，入口段經、緯度分別為102.96°、30.88°。

由于遮陽棚內存在光干涉反射和衍射現象，用數值分析方法準確計算其內的照度值比較難，因此本文選取功能全面、應用廣泛的DIALUX對遮陽棚進行光環(huán)境仿真和分析。

根據已有的洞口減光設施長度的研究，來確定遮陽棚的合理長度范圍。有研究者根據適應時間給出了關于洞口減光設置的長度與行車速度的關系，見式(1)。

(1)

其中

Tin=0.020 4·(Eout-Ein)0.603 1。

(2)

式(1)—(2)中：Tin為駕駛員于隧道入口處所需要的視力恢復時間，s；Dtr為隧道過渡照明段長度， m；vd為行車速度， km/h；Ein、Eout分別為隧道洞內和洞外的照度，lx；Sin為隧道入口處減光隔柵段合理設計長度， m。

根據實測可知，巴朗山隧道內外照度差為70 000 lx，得到洞口減光設施長度建議值(見表1)。在模型中分別構建長度為60、80、100 m以及有2段長度相等、透光率不同的模型。為達到與實際工程相同的環(huán)境參數，設置經、緯度分別為102.96°、30.88°，陽光選自然光比率。遮陽棚和隧道下設置深灰色瀝青路面，設置路面材質的反射系數為0.27，遮陽棚的反射率為0.3。構建的初始遮陽棚及隧道模型見圖2。

表1 減光設施長度建議值

圖2 遮陽棚及隧道模型

1.1.3 透光率選擇

對遮陽棚進行透光率初選，選取1～2種透光率組合的遮陽棚較為合適。設計以下遮陽材料透光率組合初步方案： 初始段遮陽材料透光率τ始=0.5～0.3，末尾段透光率τ末=0.2～0.5，相鄰遮陽材料透光率之間差值≤0.5。擬定的9種遮陽棚透光率組合方案見表2。將遮陽棚段的縱向平均亮度和視覺適應曲線進行對比，來確定滿足視覺適應的最佳透光率組合值。

表2 不同透光率組合工況

注： “無”指初始段不布置遮陽棚。

根據調研得到基于視覺適應能力的隧道進口臨界照度變化率公式[8-10]:

Ltr=Lth(1.9+t)-1.4。

(3)

式中：Ltr為照度適應值，lx；Lth為外界環(huán)境照度值，lx；t為行車時間。

把t=S/v代入式(3)中得到：

Ltr=Lth(1.9+S/v)-1.4。

(4)

因為春季和秋季的光照情況基本相同，所以僅繪出春季、夏季、冬季行車速度為80 km/h時遮陽棚的照度變化曲線和適應曲線，結果如圖3所示。春季不同行車速度下遮陽棚的照度變化曲線如圖4所示。春季洞口無遮陽棚情況下照度變化曲線如圖5所示。

(a) 春季 (b) 夏季 (c) 冬季

圖3行車速度為80km/h時遮陽棚的照度變化曲線和適應曲線

Fig. 3 Illumination curves of awning when driving speed is 80 km/h

(a) 120 km/h (b) 40 km/h

圖4春季不同行車速度條件下遮陽棚的照度變化曲線

Fig. 4 Illumination curves of awning under different driving speeds in spring

圖5 春季洞口無遮陽棚時的照度變化曲線

由圖3—5可以得出如下結論：

1)行車距離隧道越近，遮陽棚內的照度越小。

2)相同行車速度下(80 km/h)，不同季節(jié)照度隨行車距離變化的曲線趨勢大致相同，說明季節(jié)對光伏薄膜遮陽棚的影響比較小。

3)相同季節(jié)(春季)下，不同行車速度對適應性曲線的變化趨勢有較大的影響，說明行車速度對光伏薄膜遮陽棚的透光率組合有較大的影響。

4)對比每一種工況發(fā)現，工況6由于在初始段照度太大，導致在接縫處照度變化過于劇烈，不適合適應曲線。

5)春季無遮陽棚情況下洞口照度為18 100 lx，使用遮陽棚情況下行車速度分別為120、80、60 km/h時洞口照度分別為3 058、2 280、1 230 lx，說明使用光伏薄膜遮陽棚對洞口的減光效果良好。

綜合分析可知，在不同行車速度下最適合的遮陽棚透光率組合方案見表3。

表3不同行車速度下最適合的遮陽棚透光率組合方案

Table 3 Most suitable combination scheme of transmittance of awning at different driving speeds

行車速度/(km/h)推薦遮陽棚長度/m初始段透光率末尾段透光率1201000.300.1580800.200.1040600.150.05

1.2 遮陽棚材料選擇

遮陽棚的材料選擇主要分為骨架材料選擇和遮光材料選擇。骨架材料選擇建筑中常用的QC235鋼，強度高且價格低廉；遮陽材料選擇CdTe材料和PC板，PC板有不同的透光率，方便構建不同透光率的遮陽棚。

通過文獻[1,11-12]可以得到不同方向、不同傾角下遮陽棚的輻射比例。文獻[1,11-12]中提到，在設計遮陽棚時，垂直面的射入輻射量只有50%～70%，效率非常低，在設計過程中應避免光伏發(fā)電材料的浪費。因此，本文設計了拱頂周圍布置光伏發(fā)電材料、其余部分使用普通綠色PC透光板的方案，如圖6所示。

圖6 光伏薄膜遮陽棚布置效果圖

2 光伏發(fā)電分析

光伏薄膜太陽能遮陽棚的發(fā)電能力和材料接收的光輻射量與材料轉化率息息相關，不同透光率的光伏薄膜組件的有效面積不同，其發(fā)電能力也不相同?？紤]到輻射量與有效面積，遮陽棚的光伏發(fā)電功率可表示為

(5)

式中:ηi為不同透光率太陽能薄膜的光伏發(fā)電實際光電轉化效率；Ht為年平均太陽總輻射量，W/m2；Si為光伏薄膜組件的有效面積，m2。

2.1 轉化效率的確定

電池的實際輸出功率是有誤差的，在現場運行的太陽電池板往往達不到標準測試條件，輸出的允許偏差是5%，因此，在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.95的標準影響系數。

光伏組件溫度越高，產出的電能越少。在光伏薄膜電池中，當薄膜組件內部的溫度達到50～75 ℃時，其輸出的電能將下降至額定功率的95%，所以在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.95的溫度影響系數。

光伏薄膜組件表面如果積累了大量的灰塵，同樣會影響組件的能量轉化率。根據相關文獻可知，大量的灰塵覆蓋會使組件的能量轉化率降為額定功率的93%，所以在光伏薄膜發(fā)電中要考慮到0.93的覆蓋影響系數。

由于所處地理位置的原因，太陽光到達遮陽棚頂面會存在一個入射角度。巴朗山隧道的經、緯度分別為102.96°、30.88°，此時太陽的入射角等于30.88°，對于光伏遮陽棚有效的太陽直射面積為L′所處的斜面，對應到地面上是L所處的平面(如圖7所示)[10]。L可以通過隧道拱頂半徑(5.2 m)進行幾何換算后得到，則經過計算可知L=5.2+5.2/cos 30.88°≈11.2 m。

2.2 光伏輻射量的確定

光伏發(fā)電系統(tǒng)建成后，光伏組件接收的光輻射量決定了發(fā)電量的大小，因此，需要得到當地的光輻射量來確定發(fā)電量。由于天氣等原因，當地每天的光輻射量是很難確定的。為了減少誤差，應采用當地多年(至少是10年，最好是20年以上)太陽輻射量的數據取平均值。在設計光伏發(fā)電系統(tǒng)時，通常采用光伏發(fā)電系統(tǒng)計算軟件附帶的氣象數據(如氣象數據庫Meteonorm、NASA等)進行預測。本文選取Meteonorm 7(見圖8)作為輻射量Ht的來源。由圖8可以得到巴朗山隧道出口全年光輻射量為1 249 kW·h/m2。則光伏發(fā)電功率

11.2×(0.85+0.7)×=118 292 kW·h。

(6)

式中：ηi取13%，并考慮0.95×0.95×0.13的折減系數； 50 m為單節(jié)遮陽棚長度； 0.85及0.7為去除透光部分的實際光伏吸收量。

圖7 光伏薄膜遮陽棚有效計算面積

圖8 Meteonorm 7計算界面圖

2.3 光伏薄膜遮陽棚發(fā)電量經濟性分析

光伏發(fā)電效益分析采用透光率為0.3和0.15的太陽能薄膜光伏發(fā)電利用系數，光伏薄膜單位面積發(fā)電功率為56 W和68 W。由式(6)可得所設計的太陽能薄膜遮陽棚系統(tǒng)的光伏發(fā)電量約為118 292 kW·h。根據相關政策[13-14]，按照CdTe光伏薄膜發(fā)電材料10年可達到額定功率的90%，可以列出10年各年發(fā)電量如表4所示，合計111.9×104kW·h。按照工業(yè)用電價格1.2元/(kW·h)，國家光伏補貼0.42元/(kW·h)，四川省光伏補貼0.18元/(kW·h)，則可計算出每年達到的經濟效益=118 292×(1.2+0.42+0.18)=212 925.6元/年。

表4 每年光伏發(fā)電量

3 結論與建議

針對高海拔地區(qū)光照強度大、生態(tài)環(huán)境脆弱、光伏薄膜遮陽棚需要一定規(guī)模等特點，對光伏薄膜遮陽棚的光伏材料調研選擇，采用數值模擬對透光率的組合進行計算，并估算光伏發(fā)電效率，得出如下結論。

1)光伏薄膜遮陽棚的透光率設置受季節(jié)影響不大，但受行車速度影響很大。行車速度為120、80、40 km/h時最佳透光率組合分別為初始段透光率0.3+末尾段透光率0.15、初始段透光率0.2+末尾段透光率0.1、初始段透光率0.15+末尾段透光率0.05，對應的最佳長度分別為100、80、60 m。針對初始段透光率0.4+末尾段透光率0.15的方案，由于初始段照度太大，導致在接縫處照度變化過于劇烈，不適合適應曲線。

2)光伏薄膜遮陽棚對隧道洞口的減光效果良好，行車距離隧道越近遮陽棚內的照度越小，使用遮陽棚可以大大減少洞口加強段及過渡段照明負擔。

3)提出了一套考慮具體的光照環(huán)境的光伏薄膜遮陽棚發(fā)電能力計算方法，并對行車速度為120 km/h時所對應的工況進行了經濟性分析，10年內的發(fā)電量達到111.9×104kW·h。