摘要太陽能利用的重點是建築，其應用方式包括利用太陽能為建築物供熱（生活熱水、採暖）和供電，因此太陽能與建築一體化是
未來太陽能技術的發展方向。我國已於2009 年正式啟動了「太陽能屋頂計畫」，但是目前已實施的太陽能屋頂上的電池板均為固定
安裝，從而限制了太陽輻射量的吸收，減少了發電產量，降低了太陽能屋頂的工作效率。本文的智慧型太陽能屋頂模型將太陽跟蹤技
術應用於屋頂太陽能電池板上，使其能夠根據太陽方位的變化自動調節角度，大大提高了太陽輻射量的吸收。
關鍵詞：太陽能屋頂；太陽跟蹤技術；計算機輔助
太陽能作為迄今人類所認識的最清潔的可再生能源，其與建築一體化將在建築節能中起到十分重要的作用。屋頂在建築外圍
結構中所接受的日照時間最長，接受的太陽輻射量也最大，具有利用太陽輻射的優越條件，同時，屋頂較開闊，便於大面積連續布置
太陽能裝置，因此，在城市中，建築屋頂是太陽能利用的最佳場所。目前，許多國家已紛紛實施和推廣「太陽能屋頂計畫」，如有德國
十萬屋頂計畫、美國百萬屋頂計畫以及日本的新陽光計畫等[2]。我國屬於太陽能利用條件較好的地區，尤其是青藏高原地區太陽能
資源最為豐富[3]。2009 年5 月21 日，財政部與住房和城鄉建設部聯合出台的《關於加快推進太陽能光伏建築應用的實施意見》正式
啟動了我國的「太陽能屋頂計畫」。如今，我國已有許多太陽能光伏建築一體化的應用例項，如國家體育館太陽能發電系統、首都博
物館太陽能光伏系統、上海虹橋鐵路客運站光伏發電專案等[4]，但是，這些建築上的太陽能電池板都是固定安裝的，很大程度上限制
了太陽輻射量的吸收，從而影響了發電產量。本文將太陽跟蹤技術應用於太陽能屋頂上，使用計算機進行模擬實驗，並與固定式太
陽能電池板各時刻的太陽輻射吸收量進行了資料對比，從而量化的顯示出了這種智慧型太陽能屋頂的優勢。
1 太陽能光伏建築一體化
1.1 太陽能屋頂
目前，我國及國際上的屋頂太陽能光熱和光電利用技術已經比較成熟。利用太陽能光熱系統可以給建築提供生活熱水或是冬
季的暖源；利用太陽能光電系統可以提供建築的日常用電[5]。太陽能光伏建築一體化指的是太陽能發電，即每座建築就是一座發電
站，發出的電首先能夠滿足建築自身的需求，多餘的進入電網傳輸出去[6]。
所謂太陽能屋頂，是將太陽能電池板安裝在建築物的屋頂，引出端經過控制器、逆變器與公共電網相連線，由太陽能電池板、電
網併聯向使用者供電，組成戶用並網光伏系統。
1.2 太陽能光伏與建築的結合方式
根據2009 年財政部、住房和城鄉建設部光電建築應用示範專案的申報和實施情況，將太陽能光伏與建築的結合方式分為光伏
建材一體型和光伏建材型兩種[7]。
（1）光伏建材一體型。光伏建材一體型太陽電池是生產廠預先把太陽電池安裝在普通屋頂建材上，然後同普通屋頂建材施工一
樣安裝在住宅上，壽命和防水效能等也同普通屋頂建材一樣，只是在材料利用上有重複。
（2）光伏建材型。光伏建材型太陽電池是讓鋼化玻璃和鋁合金框架構成的太陽電池元件本身具有建材的功能，要求防水效能良
好，能直接代替建材使用。另外，為了便於維護，要求光伏建材型太陽電池的壽命與周圍的建材相匹配。從發展趨勢看，光伏建材型
將會成為主流。
2 太陽跟蹤技術
太陽能屋頂上電池板的鋪設一般對平屋頂而言用覆蓋式，對斜屋頂用鑲嵌式。目前已實施的太陽能屋頂上的電池板陣列基本
都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發電效率低下。為了提高太陽能屋頂的發電量，許多學者做出了研究，劉輝的智慧型太陽能
屋頂系統採用了南向的45°和5°兩個不同的傾角安裝太陽能電池板[8]，以提高對太陽輻射量的吸收。據實驗，在太陽能光發電中，相
同條件下，採用自動跟蹤發電裝置要比固定發電裝置的發電量提高35%[9]，因此在太陽能利用中，進行跟蹤是十分必要的。
現如今，太陽跟蹤技術已十分成熟，它能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線垂直照射太陽能電池板，顯著提
高了太陽能的利用率，減少了能源的浪費。目前太陽跟蹤的方式有多種，主要有光電式和機械式[10-11]。前者為被動跟蹤，受環境影響
較大，尤其在多雲或陰天時；後者為主動式，其原理是通過程式計算出太陽位置，控制步進電機跟蹤太陽，目前國內大多採用後者的
方式。為了提高太陽跟蹤精度，相關的研究從未間斷，趙建釗的智慧型太陽能跟蹤系統採用了以程式控制跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟
蹤方式，同時更新了計算太陽座標位置的數學模型，從而提高了跟蹤精度[10]；侯長來的太陽跟蹤裝置的雙模式控制系統能實現高精
度全天候的自動跟蹤[9]。
太陽跟蹤技術的理論基礎就是太陽位置的變化，也就是不同時刻太陽高度角和太陽方位角的確定。太陽高度角和太陽方位角
的計算公式分別如下：
（1）（2）
式中，hs
為太陽高度角；as
為太陽方位角；φ 為觀測者所在地理緯度，不論南北，一律取
正；δ 為太陽赤緯；t 為時角。太陽高度角和太陽方位角如圖1 所示。
3 智慧型太陽能屋頂的計算機模擬實驗
3.1 計算機輔助建築設計
隨著資訊科技的高速發展，計算機技術使建築製造業和建築業得以迅速現代化，建築
師們普遍運用計算機提高效率，使之成為一種現代化的傳譯工具，而一些富於探索精神的
建築師，則將新興計算機技術作為他們探索新概念、新形式的靈感源泉。本文的智慧型太陽能
屋頂就是在rhinoceros 4.0 軟體平台下，使用可程式設計的圖形化程式建模外掛程式grasshopper 來實現的，並通過autodesk ecotect analysis
2010 與固定太陽能電池板幾個時刻的太陽輻射吸收量進行對比分析，量化顯示出了該智慧型模型在發電產量上的優勢。
3.2 模型實現
本模型是乙個屋頂為南向斜面的小房子，為了便於觀察，後面僅拿出屋頂進行模擬實驗。該屋頂已鋪設好了太陽能電池板陣
列，並已安裝了太陽跟蹤裝置，當太陽位置變化時，屋頂上的各太陽能電池板就以其縱向中線為旋轉軸朝向太陽做相應的東西向旋
轉，以保證太陽光線垂直照射，如圖2~圖7 所示。
圖2 模型示意圖3 日出時太陽能電池板朝向示意圖4 上午太陽能電池板朝向示意
圖5 正午太陽能電池板朝向示意圖6 下午太陽能電池板朝向示意圖7 日落時太陽能電池板朝向示意
4 資料對比
為了顯出該智慧型太陽能屋頂光伏發電的優勢， 我們選擇7 月
31 日中的六個時刻進行資料對比， 因為對於西安地區而言，7 月
31 日為一年當中太陽輻射量最大的一天， 對比結果顯著。通過
autodesk ecotect analysis 2010，對比結果如表1 所示。
5 結論
本文在太陽跟蹤技術的基礎上， 應用計算機輔助建築設計技
圖1 太陽高度角和太陽方位角
表1 兩種模型太陽能吸收量的資料對比結果
628computer knowledge and technology 電腦知識與技術
本欄目責任編輯：唐一東人工智慧及識別技術
第7 卷第3 期(2011 年1 月)
（上接第626 頁）
4 總結
文章對真實向量場法及最大lyapunov 指數進行了討論，並改進了這兩個方法，改進的真實向量場法給出了平均方向矢指標的
定量測定方法從而可以定量的取得最佳嵌入維數，改進的最大lyapunov 指數**方法對d 值進行了優選，從而可以避免鄰近點選
擇不當可能對結果帶來的不利影響。最後通過實驗**，驗證了改進方法的有效性。在實驗結果**現的尖峰與實際值相差較大的
問題，為進一步研究指明了方向：進一步研究雜訊處理以及多時間序列同時**。
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