數(shù)字化設計技術(shù)在復雜地形光伏設計中的應用

文/孫周

近幾年國內(nèi)光伏電站隨著裝機容量和規(guī)模的擴大，地形從平地逐漸發(fā)展到山地等更復雜地形。國內(nèi)設計院在光伏電站設計上主要還是沿用傳統(tǒng)的二維設計方式，三維數(shù)字化設計手段在光伏發(fā)電工程中應用較少。地形復雜導致人工很難達到設計的最佳陣列排布，電站經(jīng)濟性能比無法保障最佳。

與此同時，BIM技術(shù)和全生命周期管理的理念在設計院越來越得到廣泛認可，運用三維數(shù)字化仿真技術(shù)設計復雜地形光伏電站，是通過數(shù)字化規(guī)則、數(shù)字化設計、數(shù)字化建設等智能處理，大幅降低設計人員的重復機械勞動。采用多專業(yè)協(xié)同技術(shù)解決了因各專業(yè)信息傳遞而造成的效率和差錯的問題。

2 技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字化設計技術(shù)在技術(shù)架構(gòu)上一共分為設計端、協(xié)同端、管理后臺、報表中心、服務端。

設計端主要完成圖形處理、三維模型設計、結(jié)果展現(xiàn)等任務，采用了AutodeskRevit軟件作為基礎，進行二次開發(fā)實現(xiàn)；

協(xié)同端主要完成多專業(yè)協(xié)同的任務，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)設計、發(fā)電系統(tǒng)計算、元件設備庫等功能，以自主B/S架構(gòu)開發(fā)；

管理后臺主要完成用戶管理、權(quán)限分配、系統(tǒng)設置等任務，采用了自主B/S架構(gòu)開發(fā)；

報表中心主要完成可研報告、計算書、專業(yè)間資料提交等圖表輸出的任務，采用了自主C/S架構(gòu)研發(fā)；

服務端主要完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理等任務，采用了JavaSpringCloud微服務架構(gòu)。

3 設計流程

設計流程如圖1所示。

3.1 工程數(shù)據(jù)錄入

數(shù)字化設計技術(shù)實現(xiàn)對所有工程進行集中管理。一個工程包括用戶設計多張圖紙和數(shù)據(jù)的集合。可以錄入工程名稱、類型、建設性質(zhì)、設計時間、設計階段、裝機容量等數(shù)據(jù)。

3.2 資源數(shù)據(jù)錄入

圖1

從人機交互收集參與計算的日輻照資源數(shù)據(jù)、氣象條件數(shù)據(jù)，自然地理條件數(shù)據(jù)，可導入原始數(shù)據(jù)和分析匯總。

3.3 智慧系統(tǒng)設計計算

最佳傾角計算：光伏組件需要傾斜放置才能獲得更多的能量，因此需要計算斜面太陽總輻射量。

單位組串設計：實現(xiàn)根據(jù)組件參數(shù)和逆變器輸入的電壓范圍，估算組件串并聯(lián)數(shù)量與組件排列方式。

設備選型對比：實現(xiàn)對不同型號的設備進行基礎數(shù)據(jù)的橫向比對，選出性價比最優(yōu)越的設備。

基本方陣容量計算：實現(xiàn)組件參數(shù)和排列方式計算每個方陣的基本容量。

組件逆變器配比計算：根據(jù)輻射情況，設備的參數(shù)、負荷及效率的情況，計算組件逆變器容量配比。

系統(tǒng)效率評估計算：假設斜面有可能接受的最大太陽能輻照量為100%，數(shù)字化設計技術(shù)可以對光伏發(fā)電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的損耗進行估算，是數(shù)字化設計技術(shù)關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，它有利于發(fā)現(xiàn)整個光伏系統(tǒng)中影響系統(tǒng)效率的薄弱環(huán)節(jié)并并加以改進。

3.4 數(shù)字地形數(shù)據(jù)處理

通過導入DEM原始數(shù)據(jù)的高程信息，生成三維數(shù)字地形模型。補充外延地形到數(shù)字地形中。地形對齊后，將外延地形與測繪地形融合生成融合地形，以評估復雜地形中山體對紅線內(nèi)地形的遮擋。

3.5 外延遮擋智慧分析

分析太陽位置，對遮擋區(qū)域進行分析和標記，并根據(jù)篩選條件篩選出可用的區(qū)域，能夠陰影仿真對地形的影響，并統(tǒng)計出可用區(qū)域和不可用區(qū)域的面積。

3.6 地形智慧分類統(tǒng)計

根據(jù)組件參數(shù)的輸入對場地進行分割，把場地分割為合適的最小單元，每個最小單元有編號標注為可利用和不可利用單元，各單元的影長進行歸類，驗證影長區(qū)域的遮擋情況，歸類的影長區(qū)域進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3.7 地塊智慧整合切分

通過輸入分區(qū)合并的參數(shù)，生成合并方案，對于不同合并方案，尋找各個區(qū)域的邊界，并計算相鄰邊界的面積。根據(jù)用戶建立的分區(qū)合并規(guī)則，按參數(shù)對區(qū)域進行合并，對符合定義的區(qū)域進行標記和刪除，統(tǒng)計各分區(qū)可布置組件的數(shù)量。根據(jù)不同的參數(shù)進行計算，將計算的結(jié)果進行比較，推薦最優(yōu)方案。

3.8 陣列智慧劃分

根據(jù)計算結(jié)果等數(shù)據(jù)，對指定區(qū)域進行方陣南北間距、東西間距的計算，并自動進行方陣布置。把已排布的光伏方陣劃分為若干個發(fā)電單元，每個發(fā)電單元可以自動或手動布置逆變器及變壓器，按照國家標準編號規(guī)則進行編號。

3.9 智慧連線比選

根據(jù)連線最短原則結(jié)合實際項目，數(shù)字化設計技術(shù)生成多種連線方案。根據(jù)不同連線方案，估算不同方案中逆變器的最優(yōu)位置。根據(jù)不同方案生成對應的設備和電線的排布數(shù)字模型，并能夠?qū)娋€路的線路損耗情況進行計算。

3.1 0 圖表輸出生成

數(shù)字化設計技術(shù)能實現(xiàn)導出當前工程中所有使用到的設備材料的清單，設計人員可以對設備材料清單進行編輯。對當前工程方陣間距匯總，并形成光伏方陣間距計算書、光伏方陣的支架坐標表。

4 技術(shù)優(yōu)勢

通過等高線、DEM展現(xiàn)地形的三維數(shù)字模型，比傳統(tǒng)CAD圖形更加直觀；參數(shù)化構(gòu)建元件設備庫，解決了元件設備的數(shù)據(jù)重復利用和設備選型問題；設計前估算發(fā)電量，設計后回歸計算發(fā)電量，準確評估發(fā)電容量；按照發(fā)電單元對光伏電站進行一體化結(jié)構(gòu)設計，將分散的工作精密結(jié)合；設計過程支持多方案對比，解決傳統(tǒng)設計中的選優(yōu)問題；設計方案自動化陣列排布以及陣列設備編號，節(jié)約工作量；設備間自動連線方便后續(xù)電纜的定量分析。