城市风光环境分析.docx

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城市风光环境分析

第一章建筑风环境利用

建筑风环境是指某一区域内的风速风向分布，而不同建筑群造成的风压差和热压差则是形成通风的动力来源[1]。

建筑风环境的分布是复杂的，受到多层次、多方面环境条件的影响。

其基本特征主要包含两方面：

（1）城市大气分层与纵向梯度风速变化；

（2）建筑影响下的周边风场分布。

（1）城市大气分层与纵向梯度风速变化

在气候与环境学科的研究中，城市风环境的讨论主要涉及到２个主要层次：

城市边界层

和城市覆盖层（图1）。

从地球表面到500-1000m高的这一层空气一般叫做大气边界层，在城市区域上空则叫做“城市边界层”。

其厚度只是一个定性的分层高度，并没有一个严格的界限，主要巧决于地表粗掩度，农村地区、平原地区巧，在城市地区、山区较厚。

从地面到50-100m的这一层空气叫近地面层，在城市区域就叫做“城市覆盖层”，也可叫做“城市冠层”。

图１城市大气分层示意图[2]

在城市风环境的研究中，有学者从城市空间形态出发，将城市覆盖层进行划分，如图2所示。

香港中文大学教授吴恩融在研究中对香港的建筑高度进行取样统计，分析进一步化划分出裙房层（0-15m）、建筑层（15-60m）、城市覆盖层（0-60m）的相应纵向范围。

图２香港城市的裙房屋、建筑屋、城市覆盖层划分示意图

在大气边界层内，风速沿纵向一般会随髙度的増加而增大，呈现梯度变化规律。

在城市下垫面对气流摩擦力的作用下，紧贴地面处的风速为0，越往高处摩擦力影响越小。

风速逐渐增大。

风速随高度增加而变化所形成的函数曲线就叫做“风廓线”，如图3中曲线所示。

下垫面粗糙度越大，风廓线从地面随高度变化就越置著。

因此，城市中心、、近郊和开旷农村地区的风廓线也大不相同（图3）。

图３不同地面粗糙度下的风廓线[3]

风廓线的上部曲线是一个对数曲线，该对数曲线的起点商度为城市粗糙度z0和零位替高度zd之和（图1）。

对于梯度风速变化的规律还有一种指数风剖面的表达方式（图4），是根据实测结果推导得出的，该计算方法较为简单，因此得到了广范的应用，如式

（1）：

图4风速梯度指数分布示意图

（1）

式中：

vl表示流场中某点l的平均风速，m/s;v0表示参考高度处的风速，m/s;zl表示流场中某点l的高度，m;z0代表参考高度，m;我国气象台数据参考高度为10m;α取决于地面的粗糙度。

（2）建筑影响下的周边风场分布

当风吹向单体建筑物时，遇到建筑物阻挡，在迎风面上一部分气流会上升越过屋顶，一部分气流会下沉至地面，另一部分则绕过建筑物两侧向建筑后方流去。

其中上升气流经过屋顶后在建筑背风面下沉会形成“背风锅旋气流”（图5）；下行的气流沿建筑墙面下沉到地面，部分形成回流与水平方向的风叠加会在建筑迎风面形成端流风，部分沿建筑的底缘顺屋角向后流，进一步加强沿建筑两侧流动的气流，形成“角流”。

从行人高度（1.5m）处风环境来看，单体建筑两侧会形成风速加倍增大的“角流区”，建筑背风面则会形成较大巧围的风速急剧减弱的“风影区”，同时建筑迎风面也会形成小范围的风速减弱区域。

单体建筑的离度、形态、迎风面面巧的大小、以及与来风方向的角度等都会对建筑周边风场产生不同的影响（图4）。

图5气流受到建筑物阻挡后分布情况[3]

当两个建筑平行布局，且建筑间距相对较小的情况下，当来风方向与建筑平行时，两建筑之间气流会由于“狭管效应”使风速集聚增大，而当来风方向与平行建筑垂直时，建筑之间则会出现祸旋和升降气流，两建筑之间风速会出现不同程度的减弱。

城市街道就类似于这种情况，但扩大到实际城市当中，建筑物分布、组合的多样化与复杂性，就会使其风场分布产生更多的变化，更为复杂。

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1.1建筑风环境中风能发电利用模式

建筑环境中的风能利用形式可分为以适应地域风环境为主的被动式利用——自然通风和排气;以转换地域风能为其他能源形式的主动式利用——风力发电。

建筑环境中风力发电的供电模式有[4]：

（1）独立运行模式——风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用；

（2）与其它发电方式互补运行模式——风力-柴油机组互补发电方式，风力-太阳能光伏发电方式，风力-燃料电池发电方式；（3）与电网联合供电模式——采用小型风力发电机供电，以满足建筑的用电需求，电网作为备用电源供电。

当风力机在发电高峰时，产生的多余电量送到电网出售，使得用户有一定的收益。

当风力机发电量不足时，可从电网取电。

这种模式免去了蓄电池等设备，后期的维修费用也相对比较少，使得系统成本大幅度下调，经济性远大于其他两种模式。

1.2建筑环境风能发电的技术研究

目前国内外学者对建筑环境中风能的利用技术研究主要着眼于建筑风环境模拟、建筑风力集中器研究、适宜建筑环境的风力发电机研究以及建筑环境风力发电效益评估等方面。

1.2.1建筑风场模拟[5][6]

建筑风场模拟准确性的提高是建筑风能利用技术的一个重要环节。

风力涡轮机布置位置的选择直接影响发电效率，选择的位置应尽可能使风力发电的效率最高，同时还应该避免涡流区，对结构造成的负面影响最小，这需要提高对建筑风场模拟的准确度，提出更精确的湍流模型。

目前建筑风场模拟主要有：

现场实测、风洞试验和数值模拟。

现场实测法是研究风场能量分布最有效、最直观的方法。

风洞试验法是当前研究建筑风场能量分布及风工程领域使用的主要分析方法，但存在着很多不足，诸如：

模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案等，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能还原全比例实物的各方面特征。

另外，在测量点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决。

数值模拟方法是假设流动的风为不可压缩粘性流体的基础上，对流体连续性方程和动量方程进行离散，将微分方程转化为代数方程，求出微分方程组的数值解，进而获得流场的相关性质数据。

1.2.2建筑风力集中器研究

建筑风力集中器主要研究建筑对风能的强化和集结效应。

与郊外、近海相比，建筑环境中的风场有紊流加剧、风速降低的特点，为提高建筑环境中的风能利用效率，对建筑环境进行规划，对建筑进行特定的形体和结构设计，解决风场构筑、风力强化和集中是该研究的关键问题。

根据建筑中安装风力机位置，Mertens提出的3种基本空气动力学集中器模（如图6）：

扩散体型、平板型和非流线体型。

图6三种基本的建筑集中器模型[6]

1）非流线体型风力集中器建筑型式是将风力涡轮机放置在建筑物屋顶上，利用建筑物屋顶较大的风速，进行风力发电。

2）平板型风力集中器建筑型式是在一个平板型建筑物中间的空洞内放置风力涡轮机，利用空洞聚集加强的风，驱动风力发电机。

3）扩散体型风力集中器建筑型式则是在两个建筑之间的风道内放置一个或多个风力涡轮机，利用风道内聚集的风进行风力发电。

1.2.3适宜风力发电机研究

考虑建筑在风环境中舒适度以及结构抗风设计的要求，大型风力发电机的运用受到了一定限制。

开发研究适宜建筑环境的小型风力发电机也是至关重要的。

目前风力发电机的研究主要着眼于增大发电功率、减少噪音和振动以及安全美观性等几个方面。

风力发电机实际上是将风的动能转化为其他形式的能量，通常用风力机的实际功率衡量[3]：

（2）

式中：

cp为风力机输出功率系数；ρ为空气密度，与气压、气温和湿度水汽压有关，常温下，ρ的变化可以忽略不计；A为气流通过的面积，即风力机的扫掠面积；v为风速。

由式

（1）可知，风力发电机的发电功率与风速的三次方率成和风力机输出功率成正比，因此增大风速和提高风力发电机的风能利用效率成了关键的技术。

另外，如果涡轮机的转动与周围的构件如承重梁的谐合共振频率相匹配，则大楼本身也会振动，一方面会将噪声放大，另一方面对建筑的结构、舒适度也会产生不利的影响。

因此如何减少涡轮机的振动也很重要。

1.2.4建筑结构安全性和可靠性的研究

传统的结构设计以减小风的作用为目标，但在风能利用建筑中，为提高风能利用效率，要求风速尽可能的大，这对结构的抗风提出了新的要求。

风力发电机通常设置在建筑顶部和设备层，放置发电机的楼层要求在立面上开洞，洞的尺寸也可达十几米，乃至数十米，另外还需承受上部楼层的荷载，并且在洞口处，风压较大，受力较为复杂，采用何种结构形式需做进一步的研究。

1.2.5建筑在风环境中舒适度的研究

目前建筑风环境中风能利用当主要着眼于建筑对风能的强化和集结作用，忽略了舒适度的研究。

由于人对风速、风加速度以及风速比的承受能力有限，故对建筑对风能强化和集结的研究，必须建立在满足舒适度的要求上。

1.2.6.建筑环境中风能利用效益的评估技术研究

由于建筑风环境的不稳定，以及测量技术的限制，目前还无法准确的计算出风力发电机的发电功率，也就无法正确评估建筑环境中风能利用的效益

1.3建筑环境风能转换及储能技术的研究思路

城市高层建筑群风能转换及储能技术的研究目标及任务：

（一）研究城市高层建筑群周围的风场能量分布情况：

确定合理适用的数学模型及求解算法，并对控制方程的离散化格式、边界条件等进行设定。

采用数值计算模拟得出几种不同布局的高层建筑群的风场能量分布图。

（1）数值模拟方程

流体流动要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：

质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

（2）湍流及其模拟

目前湍流的模拟方法可以分为直接数值模拟方法（DNS）和非直接数值模拟方法。

直接数值模拟方法就是直接用非稳态的Navier-Stokes方程对湍流进行计算。

非直接数值模拟方法主要是Reynolds平均法。

（3）风速的梯度效应分析

风随高度的变化而变化。

不同高度的大气层分划：

离地面2m以内的区域称为底层；2~100m的区域称为下部摩擦层；100m~1000m的区段称为上部摩擦层；以上统称为摩擦层。

粗糙度大的地面在近地层更易使空气的流动形成湍流状态，使得风速随高度增加的快，风速梯度大。

同时，也直观的表现了风速随高度变化的指数规律理论。

基于仿真分析结果可得到图2-9，其为由于地面粗糙度不同而引起的风速梯度变化情况图。

（4）不同布局高层建筑群风能量分析[6]

高层建筑群的空间形态具有层次性、相对性，主要分为两种方式（图7）：

一种是错落式队列分布方式，另一种是方块状规则阵列分布方式。

图7城市高层建筑群典型分布示意图

（二）研究高层建筑群风能的应用方案：

分析得出的风场能量分布数据，结合风力发电系统的特性、技术特点，并且联系高层建筑物的建筑特点，对城市高层建筑群风能的评估制定一套合理的、可行性高的实施方案。

（1）风能的评估[8]

风能的多少是评估一个区域风能可利用性的重要依据。

衡量某区域风能的大小，评价其内在的风能潜力，风能密度是比较有价值的物理参数。

风能密度为气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。

风能密度公式：

（3）

由式

（2）可知，风能密度的大小主要取决于空气密度ρ和风速v。

对于一个位置点或者某个特定区域来说，空气的密度可视为常数，风能密度的大小主要就受到风速条件的影响，故风能的大小计算按式

（1）计算。

由式

（1）可知，流通横截面积A与风能密度E共同决定了风能量的大小。

而流通横截面积的大小，在实际的测量过程中，还没有找到一种比较简单、可靠易行的方法。

因此，风能资源评估的关键因素依然是风速条件，它能够通过直接测量或者模拟计算得到，这样更具有实际的应用意义。

故对城市高层建筑群周围的风能量进行预评估分析，首先随机选取城市高层建筑物周围几个位置点，如图8所示，A、B、C、D、E为随机选取的位置点，它们分布在高层建筑物周围不同的位置。

图8风能量预评估位置分布图

（2）风机形式、功率选择

风力机是整个风电系统的关键部件，它决定着系统的功率和效率。

在城市高层建筑群上所安装的风力机，不但要受到有限的高层建筑物空间上的限制，还要考虑城市高层建筑物周围风能特点，特别是风速情况。

风速是限制风力机运行的一个关键因素，根据2.2节的风能评估，选择适用于城市高层建筑群风能发电的风力发电系统。

（3）安装部位[9]

影响风能发电系统安装位置的关键因素，是城市高层建筑群风能可利用区域的分布位置，并且还需要结合高层建筑物自身空间的特点和性质。

另一方面就是安装高度的问题。

目前风力发电机的安装位置主要有以下几个地方：

1）城市高层建筑物的顶部迎风面区域（图9.1）。

楼层的顶部风力、风速条件都可以达到利用条件，并且在高层建筑屋的顶层也不会影响到住户的日常生活，对周边环境干扰较小。

但是，在高层建筑物尖缘口处的一定区域内会有涡流区的存在，安装时应该避开这一区域。

2）城市高层建筑物迎风面外侧拐角处（图9.2）。

在此区域，风速、风力条件也达到了风能发电应用条件，不仅有自由流动通过的风力资源，并且由于分流效应的增加作用，使区域内风力资源更加丰富。

在此处安装小型风力发电机组，可以将整个高层建筑外表面作为发电机的风能载体，对外部环境影响也较小。

3）城市并邻高层建筑夹缝处。

针对两座并行相邻的高层建筑而言，当其间的间距在一定范围内时，在其垂直缝隙处可以产生城市高层建筑群风效应。

这中风效应可使此区域内形成比较强劲的“峡谷风”、“穿堂风”等，风力、风速条件都能到达可利用条件，并且流体运动稳定。

在此处安装水平轴式风力发电机组，不仅可以提高风能利用效率，而且风电机组与城市高层建筑的结合也会带来感观上的冲击。

图9.1

图9.2

图9.3

（4）建筑群落风能发电系统设计

针对城市高层建筑群落的分布形式，风能发电组件不仅可以融入建筑绿地，也可以利用前后高层建筑间空余的部分空间。

这样，既不影响到风能的有效利用，也不影响住宅区的美观。

根据城市高层建筑群的不同分布方式，结合不同分布方式下的风能量分布情况，针对每一种分布方式也给出了具体的风力发电机组安装示意图及可行的群落风能利用方案。

图10错落式队列分布1风能利用示意图

1）错落式队列分布1（图10）。

根据图9.1和图9.2的安装示意图装备了风力发电机组，同时结合特定分布方式下的特点，在后排（下游）高层建筑后侧两侧面分别安装了较大功率的小型风电机组，使此种分布方式下所产生的风能资源得到充分的利用。

整个风力发电系统可以通过电力枢纽，进行电能的调配，这样大大减少了建筑能耗，避免了环境的污染。

图11错落式队列分布2风能利用示意图

2）错落式队列分布2（图11）。

根据图9.1和图9.2的安装示意图装备了风力发电机组，由于这种分布方式下，只在后排（下游）两座高层建筑中间处，才会形成群落式强风区域。

因此在此区域内安装了较大功率的小型风力机组。

高层建筑的电能供应可通过电力中枢调配、供给，是城市高层建筑群落风能资源利用最大化。

图12方块状规则阵列分布风能利用示意图

3）方块状规则阵列分布（图12）。

根据图9.1和图9.2的安装示意图装备了风力发电机组。

由于这种分布方式下，巷道效应作用较明显，在四座高层建筑物合围的中心区域，风能资源比较丰富、可利用条件好，于是在此区域内布置了多组风力发电机组。

（三）设计新型储能控制系统：

根据城市高层建筑群风能的特点，结合现行储能器件的特性，选择适用的储能器件并且制定储能控制系统设计方案。

包括电路拓扑结构，控制策略，实验分析等。

（四）设计有效可靠的节点连接：

根据风力机安装在建筑中对建筑结构产生的附加荷载。

参考风力机荷载规范，分析风力机附加荷载对建筑结构的静力和动力影响，设计了风力机与建筑结构之间的有效连接。

（可以考虑隔震设计）

1.3应用实例[10]

1.3.1国外应用实例

随着研究的深入，部分技术已经或将在实际工程中得到应用。

由Atkins设计的巴林世界贸易中心于2008年底完工（图13），这是世界上第一座大型的结合风力涡轮的建筑，它由两座50层高240m风帆一般的塔楼组成，并支撑着三座直径29m的水平轴风力涡轮，预计能满足大厦每年耗电量的11%～15%[11]。

由大卫·费希尔设计的全球首个旋转摩天大楼——“动态城堡”（图14）将在迪拜建成，大楼高约420m，共80层，每层可360°旋转。

通过安装在旋转楼板之间的79个风力涡轮机,大楼可实现自我供电。

由乍得·奥本海默设计的COR建筑（图15）坐落于美国迈阿密，共25层，建筑的外墙架构融入了日光遮篷和露天平台等结构需求，又为整幢大楼提供热绝缘、光电板、太阳能热水装置和涡轮电枢，风力机与建筑有机结合，成为迈阿密设计区的又一地标。

图13巴林世贸大厦

图14动态城堡

图15建筑COR

1.3.2国内应用实例

近几年，国内的一些建筑也尝试环境风能的利用。

广州正在建造一座69层高303m的零能源大楼——珠江大厦[12]，如图16所示，它由SOM设计事务所设计，完全采用风力、太阳能供电。

垂直风力涡轮机将安装在用于紧急避险的设备层，不占用任何办公空间。

2008年11月,一座实用型生态建筑“生态大厦”在青岛市崂山区落成，如图17所示，大厦使用了光伏发电、风力发电等10多项新技术新工艺。

其中，由太阳能电池阵列、风力发电机、智能管理系统、并网逆变器和交流配电柜组成的“风光互补发电系统”，实现了太阳能、风能与建筑一体化。

2010年上海世博会充分发挥了环保理念，出现了许多“零排放”场馆，其中，印度馆屋顶就安放了一个小型垂直型风力发电机，如图18所示。

图16珠江大厦

图17青岛市“生态大厦”

图18上海世博会印度馆

参考文献：

[1]Oke,T.R..BoundaryLayerClimates,2ndedition[M].NewYork:

HalstedPress,1987

[2]EdwardNg,ChaoYuan,LiangChen,ChaoRen,JimmyC.H.Fung.Improvingthewindenvironmentinhigh-densitycitiesbyunderstandingurbanmorphologyandroughness:

AstudyinHongKong[J].LandscapeandurbnPlanning,101（2011）:

59-74

[3]刘加平.城市环境物理[M].中国建筑工业出版社,2011.

[4]邬振武，李永光，吕欣欣.户用风力发电与电网联合供电模式浅析[J].上海电力学院学报，2007，23

（2）:

109-112.

[5]许伟,李庆祥,杨仕超,等.高层建筑密集区的风环境数值模拟研究[C]//全国风与大气环境学术会议.2008.

[6]马剑.群体建筑风环境的数值研究[D].浙江大学,2006.

[7]MertensS.Windenergyinurbanareas:

Concentratoreffectsforwindturbinesclosetobuildings[J].Refocus，2002，3

（2）:

22-24.

[8]董萍，吴捷，陈渊睿，等.新型发电机在风力发电系统中的应用.微特电机，2004，32（7）:

39-42

[9]姜瑜君,桑建国,张伯寅.高层建筑的风环境评估[J].北京大学学报自然科学版,2006,42

（1）:

68-73.

[10]史松.城市高层建筑群风转换与储能技术研究[D].河北科技大学,2011.

[11]冯伟.建筑环境中的风能利用研究进展[J].自然科学:

全文版:

00015-00015.

[12]GeneralNews.Buildingstaketothewind[J].Refocus,2006,7（4）:

12.

[13]李秋胜,李永贵,陈伏彬,等.超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究[J].土木工程学报,2011（7）:

29-36.

城市环境风研究的方向发展

第二章建筑环境太阳能利用

建筑环境太阳能的利用主要是将太阳能和建筑整合设计，在建筑设计中，系统地采用太阳能供暖、太阳能热水、太阳能空调以及光伏发电等主动太阳能技术以及各种可能的被动措施，通过分析场地、气候、材料等条件，优化组合太阳能应用技术，寻找最适宜的太阳能建筑方案。

光伏发电的

2.1影响太阳能光伏发电效率的因素

2.1.1辐射量的影响

一般来说，到达地面的太阳辐射量主要受太阳高度角、地理纬度、大气透明度、日照时数及海拔高度等因素的影响。

（1）太阳高度角和地理纬度

太阳高度角即太阳能光伏方阵的倾角、方位角对太阳能辐射收集。

太阳辐射强度可按下式计算

（5）

式中：

I0为大气质量AM=1时，海平面上太阳辐射强度。

由式

（2）可知：

太阳高度角越大，太阳辐射强度越大，反之太阳高度角越小，太阳辐射强度就越弱；各地太阳高度角的变化与纬度有关，一般纬度越高其太阳高度角就越小，反之纬度越低其太阳高度角就越大。

（2）大气透明度和海拔高度

大气透明度是大气对于太阳光线透过程度的一个参数。

在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多些，反之则少；海拔高度越高时，空气就越稀薄，太阳辐射被吸收、散射的就越少，并且大气中的水汽和尘埃的含量也越少，大气透明度就越大。

因此海拔越高，太阳辐射能量也就越大。

（3）日照时数

日照时数也是影响地面太阳能的一个重要因素。

一般日照时间长，地面所获得的太阳总辐射量就多。

2.1.2太阳能光伏组件的特性和质量的影响

太阳能光伏组件的特性和质量是由制作太阳能电池的材料决定的，制作材料质量直接影响着太阳能光伏组件的转换率，制作太阳能电池的材料是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。

制作太阳能电池材料主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：

硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；功能高分子材料制备的太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。

2.1.3逆变器整机效率的影响

大功率的逆变器在满载时，效率必须在90％或95％以上。

特别是在低负荷下供电时，仍须有较高的效率。

逆变器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要的影响。

光伏发电系统专用的逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。

2.1.4最大功率峰值跟踪对效率的影响

输入的直流功率取决逆变器工作在光伏阵列的电流-电压曲线上的哪一个点上。

理想状态下，逆变器应工作在太阳能光伏阵列的最大功率峰值上。

最大功率峰值在一整天内是不同的，主要是由于环境的作用，如太阳光的辐射和温度，但逆变器通过一个具有最大功率峰值跟踪的运算器来直接与光伏阵列相连，达到能量转移的最大化。

例如：

最大功率峰值跟踪的最大效率ηMPPT，可以定义为在定义的一段时间内逆变器从太阳能阵列获得的能量与理想状态下的最大功率峰值跟踪从太阳能阵列获得的能量的比率。

2.1.5小结

对于既定的光伏发电系统，不考虑组件材料和安装结构等内在因素，则影响其输出功率的因素概括起来可分为两大类：

一类是与光伏电池发电原理相关的气象因素，另一类是影响光伏系统输出效率的环境因素。

第一类因素中，光伏系统组件表面接收的光照强度是产生光电流的直接原因，因此是影响光伏输出功率的最重要因素。

一定范围内，相应的峰值功率随光照强度的增加而线性增加。

太阳辐照度、太阳高度角和云量是影响光伏出力的主要气象因素。

其中太阳辐照度定义为大气层外，位于日地平均距离处，垂直于光线的单位面积上接收到的太阳辐射量。

而到达地面光伏系统的辐照强度主要受太阳高度角和云量的影响。

太阳高度角由光伏系统所在位置，光伏组件倾斜角、季节、时间等因素共同决定，能够较为准确地表述这些因素对太阳辐照强度的影响。

而云量则是表征天气状况的因素，能够决定到达地面的辐照强度被大气削减的程度。

第二类因素中，光伏组件温度是影响光