SolarPV 3D在光電建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用研究

李 建，白建波，丁俊杰，王 躍

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州 213022)

0 引言

光電建筑將光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑集成在一起，在減少能源消耗的同時(shí)也節(jié)約了土地資源，高度契合建筑近零能耗的全球發(fā)展趨勢(shì)[1]。近幾年，我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、綠色發(fā)展和“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)等國(guó)家戰(zhàn)略的提出與實(shí)施，為光電建筑這種建筑形式帶來了更大的發(fā)展空間。

在進(jìn)行光電建筑設(shè)計(jì)仿真時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員通常將建筑模型的復(fù)現(xiàn)和光伏發(fā)電系統(tǒng)性能模擬分開操作，但這種重復(fù)建模的過程易導(dǎo)致輸入的信息不一致，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)性能模擬軟件，例如PVsyst和SAM軟件等，雖然適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)性能仿真，但并未很好地解決可視化設(shè)計(jì)的問題[2]。

目前，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些光伏發(fā)電系統(tǒng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，比如SolarEdge公司開發(fā)的網(wǎng)頁(yè)版光伏發(fā)電系統(tǒng)性能仿真軟件SolarEdge Designer，該軟件擁有簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)界面，并提供了良好的人機(jī)交互功能。Skelion是一款基于SketchUp軟件的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)插件，實(shí)現(xiàn)了屋頂和復(fù)雜地形情況下的光伏組件自動(dòng)化布置，并且Skelion生成的模型可導(dǎo)入PVsyst軟件中進(jìn)行精細(xì)化仿真。Trace Software公司開發(fā)的ArcheliosTMPro軟件可在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中快速對(duì)比不同方案的設(shè)計(jì)結(jié)果，以使發(fā)電收益最大化。FTC Solar公司基于SketchUP軟件開發(fā)了SunDAT軟件，其在實(shí)現(xiàn)光電建筑的三維設(shè)計(jì)與光伏陣列自動(dòng)化布置的同時(shí)，相較于其他光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件，豐富了電氣設(shè)置功能和CAD圖紙導(dǎo)出功能。但目前國(guó)內(nèi)尚無真正意義上的光電建筑設(shè)計(jì)軟件，對(duì)此，本文自主開發(fā)了一款基于SketchUp軟件的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)插件SolarPV 3D，并對(duì)該插件的光伏陣列自動(dòng)化布置算法和逐時(shí)陰影遮擋計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，然后以河海大學(xué)常州校區(qū)英才樓為例進(jìn)行了光電建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)與性能仿真。

1 SolarPV 3D的介紹及其主要算法

1.1 SolarPV 3D的介紹

SolarPV 3D是一款自主研發(fā)的基于SketchUp軟件的插件，其在對(duì)光電建筑中的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)具有以下功能：1)可實(shí)現(xiàn)建筑和光伏組件的精細(xì)化建模，并實(shí)現(xiàn)了光伏陣列的自動(dòng)化布置；2)可進(jìn)行逐時(shí)陰影遮擋和年平均有效太陽(yáng)輻照量計(jì)算；3)可對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析；4)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，該插件能為設(shè)計(jì)人員提供詳盡的關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的PDF文檔。

1.2 光伏陣列自動(dòng)化布置算法

本文采用的光伏陣列自動(dòng)化布置算法是由傳統(tǒng)的區(qū)域填充算法改進(jìn)而來，主要涉及以下8個(gè)步驟：

1)獲取光伏陣列布置平面外輪廓多邊形各邊的數(shù)據(jù)，包括每條邊的縱坐標(biāo)最小值及最大值ymin和ymax、每條邊的斜率k、每條邊的截距b；將這些數(shù)據(jù)存入邊表(ET)中，并找出ET中的縱坐標(biāo)最大值Ymax和最小值Ymin。

2)建立平行線y=a，平行線初始值a=Ymin，平行線循環(huán)初始值i=0，且i的取值范圍為[0,∞)。

3)若平行線a的值不大于Ymax，則循環(huán)掃描平行線。

4)提取平行線a與多邊形相交的線段在ET中的數(shù)據(jù)，組成活性邊表(AET)，并保存平行線a與多邊形相交線段的交點(diǎn)坐標(biāo)；根據(jù)交點(diǎn)坐標(biāo)生成順序，依次讀取兩兩一組的交點(diǎn)，每2個(gè)交點(diǎn)之間的距離為光伏組件可放置區(qū)域。

5)在光伏組件可放置區(qū)域內(nèi)，結(jié)合相鄰2個(gè)光伏組件的左右間距d1和單個(gè)光伏組件橫向長(zhǎng)度Ph，可計(jì)算得到光伏組件可放置區(qū)域之間的內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)和內(nèi)點(diǎn)橫坐標(biāo)，內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)為可放置的光伏組件個(gè)數(shù)，內(nèi)點(diǎn)橫坐標(biāo)為光伏組件放置位置的橫坐標(biāo)，再結(jié)合縱坐標(biāo)a，可以根據(jù)此次的掃描結(jié)果得到光伏組件放置位置的坐標(biāo)。

6)若i為奇數(shù)或i=0時(shí)，則在此次掃描的平行線值的基礎(chǔ)上增加1個(gè)光伏組件縱向長(zhǎng)度Pv，然后再次進(jìn)行掃描；若i為偶數(shù)且大于零，則比較前2次掃描后得到的內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)，內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)少的掃描結(jié)果為最終的光伏組件放置位置的坐標(biāo)，在此次掃描的平行線值的基礎(chǔ)上增加1個(gè)光伏組件的前后排行間距d2，然后令i=i+1。

7)判斷平行線a的值是否大于Ymax，若為“是”，則結(jié)束；若為“否”，則繼續(xù)循環(huán)。

8)輸出所有最終的光伏組件放置位置的坐標(biāo)，進(jìn)行光伏組件的自動(dòng)化布置。

光伏陣列自動(dòng)化布置算法的流程圖如圖1所示。

圖1 光伏陣列自動(dòng)化布置算法的流程圖Fig. 1 Flow chart of automated layout algorithm of PV arrays

1.3 逐時(shí)陰影遮擋計(jì)算方法

射線檢測(cè)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用，包括利用射線測(cè)距、利用射線檢測(cè)電子元器件是否失效等。本文在SketchUp軟件中結(jié)合射線檢測(cè)技術(shù)構(gòu)建了光伏陣列逐時(shí)陰影遮擋比例分析模型。光伏陣列陰影遮擋示意圖如圖2所示。

圖2 光伏陣列陰影遮擋示意圖Fig. 2 Schematic diagram of shadow shading of PV arrays

光伏組件一般都是由規(guī)則的平面或曲面組成，當(dāng)發(fā)生陰影遮擋時(shí)，光伏組件表面會(huì)部分或全部被陰影覆蓋，若將光伏組件的長(zhǎng)、寬分別進(jìn)行等分，其表面將被分成多個(gè)小的長(zhǎng)方體區(qū)域，并在每個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域內(nèi)設(shè)置1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。陰影遮擋比例計(jì)算的精度可根據(jù)光伏組件長(zhǎng)、寬的等分?jǐn)?shù)量進(jìn)行調(diào)整，等分?jǐn)?shù)量越少，精度越低。由于射向光伏組件的光線是由SketchUp軟件內(nèi)置的仿真太陽(yáng)發(fā)出，能考慮到所有會(huì)對(duì)光伏組件產(chǎn)生遮擋的場(chǎng)景，因此提高了軟件仿真陰影遮擋的效果和精度。

2 應(yīng)用案例分析

2.1 建筑模型復(fù)現(xiàn)及光伏陣列自動(dòng)化布置

以河海大學(xué)常州校區(qū)英才樓的屋面為例進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。利用無人機(jī)拍照三維成像技術(shù)并采用SketchUp軟件對(duì)該建筑進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，得到的直觀的三維建筑模型圖如圖3所示。

圖3 SketchUp軟件生成的三維建筑模型Fig. 3 3D building model generated by SketchUp software

選擇圖3中的2個(gè)樓頂作為光伏陣列的布置區(qū)域，分別設(shè)為區(qū)域1和區(qū)域2，這2個(gè)區(qū)域預(yù)設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為60 kW；光伏組件選擇天合光能股份有限公司的型號(hào)為TSM-320PEG14的多晶硅光伏組件；使用SolarPV 3D推薦的全年最優(yōu)光伏陣列傾角和方位角，分別為22°和0°；光伏支架上相鄰2個(gè)光伏組件的左右間距d1設(shè)置為0.05 m，前后排光伏組件的行間距d2設(shè)置為1.48 m。光伏陣列具體的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 光伏陣列的參數(shù)設(shè)置Fig. 4 Parameter setting of PV arrays

按照上述參數(shù)根據(jù)SolarPV 3D中的光伏陣列自動(dòng)化布置算法對(duì)區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行光伏陣列布置。光伏陣列布置完成后的近景和遠(yuǎn)景效果圖如圖5所示。

圖5 光伏陣列布置效果圖Fig. 5 Effect drawing of PV arrays layout

根據(jù)上文中的逐時(shí)陰影遮擋計(jì)算方法，可計(jì)算得到光伏陣列2020年全年的陰影遮擋比例，然后結(jié)合太陽(yáng)輻照量模型HDKR，可得到光伏組件年平均有效太陽(yáng)輻照量，用戶可根據(jù)年平均有效太陽(yáng)輻照量篩選光伏組件，若某塊光伏組件接收的年平均有效太陽(yáng)輻照量低于在SolarPV 3D中設(shè)置的某一閾值時(shí)，該光伏組件將會(huì)被自動(dòng)刪除。篩選界面的參數(shù)設(shè)置和光伏組件篩選后的光伏陣列效果圖如圖6所示。

圖6 篩選界面的參數(shù)設(shè)置及光伏組件篩選后的光伏陣列效果圖Fig. 6 Parameter setting of screening interface and effect drawing of PV arrays after PV modules screening

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的全年發(fā)電量分析

本文采用的多晶硅光伏組件的額定功率為320 W，根據(jù)逐時(shí)陰影遮擋分析結(jié)果，剔除年平均有效太陽(yáng)輻照量低于設(shè)置的某一閾值的光伏組件后，光伏陣列剩余光伏組件的數(shù)量為114個(gè)，但考慮到逆變器連接的光伏組串?dāng)?shù)量最優(yōu)，因此真正參與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算的光伏組件數(shù)量為110塊，區(qū)域1和區(qū)域2內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際總裝機(jī)容量為35.20 kW。選用華為科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SUN2000L-4.95KTL-JP[202]的逆變器，額定功率為4950 W。光伏陣列中每11塊光伏組件串聯(lián)為1串，然后將組串進(jìn)行并聯(lián)，共得到10個(gè)并聯(lián)組串，配置在6臺(tái)逆變器上。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量會(huì)受內(nèi)部能量傳輸過程中各種損失的影響，因此需對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中能量傳遞過程進(jìn)行分析。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)中各種能量的傳遞過程建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)能量傳遞模型，其中包括太陽(yáng)輻照模型、光伏組件模型、直流端部分的線損模型、交流端部分的線損模型、逆變器模型；并引入逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，考慮各種損失對(duì)能量傳遞的影響，并可對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的能量進(jìn)行仿真計(jì)算[3]，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量傳遞過程如圖7所示。

SolarPV 3D考慮陰影遮擋及上述能量傳遞中的各種損失后，可計(jì)算得出逆變器年總輸出電量為38158.18 kWh，光伏發(fā)電系統(tǒng)的年總并網(wǎng)電量為38075.63 kWh。光伏發(fā)電系統(tǒng)首年逐月發(fā)電量情況如圖8所示，光伏陣列及逆變器各月的發(fā)電量情況如表1所示。

圖7 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量傳遞過程Fig. 7 Energy transfer process in PV power generation system

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)首年逐月發(fā)電量示意圖Fig. 8 Diagram of monthly power generation of PV power generation system in the first year

表1 光伏陣列及逆變器各月的發(fā)電量情況Table1 Monthly power generation of PV arrays and inverters

3 結(jié)論

本文介紹了一款自主研發(fā)的基于SketchUp軟件的三維數(shù)字化設(shè)件插件SolarPV 3D，并將其應(yīng)用于河海大學(xué)常州校區(qū)英才樓的屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

1)將SolarPV 3D與無人機(jī)拍照三維成像技術(shù)及SketchUp軟件進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光電建筑中光伏發(fā)電系統(tǒng)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程直觀化、可視化；基于射線檢測(cè)技術(shù)的光伏陣列逐時(shí)陰影遮擋算法提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量仿真精度，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性判斷提供了更可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2)相對(duì)于傳統(tǒng)的光電建筑設(shè)計(jì)，SolarPV 3D的光伏陣列自動(dòng)化布置算法省去了繁瑣的重復(fù)建模工作，布置參數(shù)可快速準(zhǔn)確調(diào)整，極大提高了工程設(shè)計(jì)的效率和仿真精度。根據(jù)SolarPV 3D中設(shè)置的年平均有效太陽(yáng)輻照量閾值來篩選光伏組件的功能，可自動(dòng)刪除不符合工程要求的光伏組件，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。