三維數字化設計助力新能源工程

文｜舒磊 談宏力

我國的第十三個五年計劃提出制定中國能源生產和消費的革命戰(zhàn)略，要求推動能源消費供給技術革命和體制革命，這將為新能源的大發(fā)展創(chuàng)造新的機遇。新能源板塊作為湖北省電力勘測設計院的核心業(yè)務之一，近幾年業(yè)務發(fā)展迅速，新能源市場占有率不斷攀升，與此同時一些問題也隨著發(fā)展開始凸顯。例如，在山地光伏工程中光伏陣列布置的問題，電纜長度統(tǒng)計偏差的問題。針對這些難題，湖北省電力勘測設計院對新能源工作的深入開展提出新的挑戰(zhàn)，調整傳統(tǒng)結構簡單、手段單一的短平快發(fā)展模式，加強新能源設計技術、設計模式的創(chuàng)新。

與此同時，BIM技術和全生命周期管理的理念在設計院越來越得到廣泛認可，三維數字化設計技術是地理信息系統(tǒng)、三維建模技術、數字化協同設計技術的集成應用。以信息化技術為推手，集成三維仿真技術構建新能源數字化設計平臺，運用無人機技術、數字攝影測量技術建立新能源工程的勘測設計流程，實現質量提升、服務提升。

湖北省電力勘測設計院通過三維數字化設計手段在山地光伏工程中的應用，總結出一套新的設計流程，梳理了三維數字化手段在山地光伏工程中的設計流程，并運用三維數字化設計手段解決工程中常見的光影遮擋問題。

構建協同平臺

光伏發(fā)電項目的三維數字化設計中涉及到的專業(yè)主要有光伏、總圖、電氣、建筑結構、水暖等，為滿足全專業(yè)覆蓋的要求需要搭建一個合適的軟件平臺。軟件平臺搭建的目的是要滿足專業(yè)設計以及專業(yè)間協同的功能。協同設計模式中各個專業(yè)應用本專業(yè)的軟件做數字化模型，所有文件由ProjectWise平臺管理，各個專業(yè)以“參照”的方式嵌入其它專業(yè)的模型進行協同設計。（如表1）

表1 光伏發(fā)電項目三維數字化設計軟件列表

光伏工程在傳統(tǒng)設計方法中，一般是依據勘測提供的地形資料判斷分析地形，然后根據光照條件計算光伏陣列布置的最小間距，最后綜合考慮布置光伏陣列。以某光伏工程為例，光伏陣列的布置方案原則一是平整地面或可以通過少量挖填方實現平整的地面，陣列一律采用正南布置（方位角為0°），傾角采用最佳傾角22°；二是對朝向為正南的坡地，陣列布置參照平整地面布置，方位角取為0°，南北傾角依地勢通過支架調節(jié)為22；三是對非正南坡地，光伏陣列東西方向采用順坡布置，南北方向通過支架或土方調節(jié)到22°。在工程中要求9:00-15:00時間區(qū)間，光伏板上不允許出現陰影，然而在實際工程中，常常還是會出現光影遮擋的問題。即使項目團隊意識到工程中容易出現光影遮擋的問題，并在設計中盡力避免同樣錯誤，然而在復雜山地地形環(huán)境工程中，此類問題還是會反復出現。（如圖1）

數字化手段破解工程難題

通過對設計方法的分析，總結出原因，一是勘測地形資料為等高線。在常規(guī)的設計方中，設計人員在軟件中僅僅以俯視平面的方式觀察等高線及數值。由于工程面積較大，地形變化也多樣化，而地形的角度及朝向依靠設計人員讀取數值判斷，因此在地形判斷上就會有很大誤差甚至錯誤。

二是光伏陣列布置一般在平面圖上完成。光伏陣列布置之前，設計人員會根據光照條件及地形特征角度計算陣列布置的最佳間距，然后依照地形等高線判斷地形特征角度，選擇最佳間距布置光伏陣列。在實際布置的過程中，地形特征角度人為判斷，光伏陣列區(qū)域大陣列數量繁多，容易出現陣列間距不合適的情況。在設計校核的過程中仍然是人為判斷檢查，無法有效的檢查錯誤。因此陣列布置間距常常出現富裕過大浪費地域資源，或者間距不夠造成陰影遮擋的問題。

三是設計人員計算陣列布置的最佳間距都是依據地形的特征角度，但是實際工程的地形傾斜角度卻是連續(xù)隨機變化的。在某些地形特征角度變化的過度階段，光伏陣列的布置往往容易出現光影遮擋的問題。

根據以上原因分析，總結出解決光伏陣列陰影遮擋問題的重要因素包括地形、光伏陣列間距、符合工程實際地形的布置方案（即光伏陣列與地形的協同設計）。

圖2 設計流程

圖3 等高線地形俯視和軸測觀察視角

傳統(tǒng)的設計僅僅基于平面圖，在很多空間上的情況依靠設計人員發(fā)揮想象或者簡單符號化完成。山地光伏工程光伏陣列布置實際是一個隨地形起伏按一定規(guī)則布置的過程，工程本身的三維空間特點非常顯著。依據此特點，利用三維數字化設計技術在設計過程中建立模型完全模擬還原三維真實情況，能從根本上解決問題。在設計過程中涉及到地形分析、光伏陣列間距計算、協同布置設計。（如圖2）

山地光伏工程光伏陣列依地形起伏按一定規(guī)則布置，地形資料屬于輸入數據，是工程準確性的依據。地形的準確度、精度以及地形資料信息含量都對工程設計質量起到了決定性的作用。關于地形輸入數據的成品，湖北省電力勘測設計院在研究中提供了傳統(tǒng)勘測方法的等高線地形資料以及攝影實體建模形成的地形資料。

等高線地形。目前常規(guī)做法是通過工程測量提供以等高線的方式表示的地形圖。等高線地形圖在工程設計中是重要的輸入數據，一般包含了地形、地貌、地物等信息，能較好的滿足工程設計的需要。在工程測量中，等高線地形是根據地貌特征點的勘測點數據處理最終繪制的。工程測量中地形特征點是不連續(xù)的，特征點之間的地形是通過點與點之間平滑連接處理的，因此等高線地形圖“總是顯得很光滑”。如果勘測點間距較大的情況下，也可能會遺失過渡區(qū)域的真實地形情況，在特殊情況下特別是在光伏工程中也會影響光伏陣列的布置。（如圖3）

圖4 攝影實體建模的地膜模型

攝影實體建模地形。通常是利用無人機獲取傾斜影像，然后通過軟件利用傾斜攝影技術計算并生成三維地膜模型。傾斜攝影建模的關鍵技術主要包括影像特征提取與匹配、自動空中三角測量、三維建模，在數據處理過程中采用人工調整誤差較大的連接點，消除了其對其他連接點平差結果的影響，并且得到了更精確的數據成果。攝影實體建模的地膜模型的特點是具有完整真實的影像展示，對地形、地貌、地物等現實環(huán)境“一覽無遺”；地膜高程精度達到分米級對地形高度的變化具有連續(xù)性。但是用此技術生成的模型使樹木等地物遮擋了地面，在實際設計中需要用林地區(qū)域時無法掌握此區(qū)域地面高程數據。（如圖4）

地形輔助分析。作為設計輸入資料，等高線地形圖和攝影實體建模的地膜模型各有特點，在工程中可以同時使用，互補長短。山地光伏工程中，需要綜合分析地形，然后根據光照條件和地形坡度計算光伏陣列布置的最小間距，最后綜合考慮布置光伏陣列。在地形分析中重要的指標是地面的坡度及平滑地形的范圍。在常規(guī)的設計方法中，設計人員在軟件中僅僅以俯視平面的方式觀察等高線及數值，人為判斷難免有疏漏之處。在三維數字化設計中選用GEOPAK Site軟件，這是一款可以基于數字高程模型做地形設計，土方計算的三維軟件；專業(yè)解決總圖中地形分析、土方計算、方案比較等系列問題。在三維軟件中，通過軟件對地形的分析功能還可以有效地輔助設計人員選取合適布置光伏陣列的區(qū)域；軟件輔助計算地面角度，為光伏陣列布置提供精確的數據依據。具體操作流程。如圖5。

光伏陣列間距。光伏陣列布置的間距不夠會造成陰影遮擋的問題，間距過大會浪費地域資源。陣列間距是布置工作中的一個重要參數，在山地光伏工程中，間距與地形的坡度息息相關，設計人員會根據光照條件及地形特征角度計算陣列布置的最佳間距。間距計算示意圖及公式。如圖6。

L為一級光伏陣列斜平面高度，H為一級光伏陣列水平高度，B為安裝傾角，a為太陽高度角，c為太陽方位角，r為太陽入射線水平面上投影在后排陣列之間的長度，d為前排陣列陰影長度，D為陣列之間的間距，e為陣列陰影在東西方向的影響長度。首先計算影子系數和平地的陣列間距。計算結果與三維模型驗算結果吻合，詳見圖7。

山地光伏工程中地形的坡度會變化，因此陣列布置間距需要根據地形坡度變化而計算。地形特征坡度在南北向與東西向組合取值按0°到15°之間，得到光伏陣列間距計算結果列表。同時按列表情況建立每種情況的模型進行光影驗算，在某光伏發(fā)電工程中，湖北省電力勘測設計院通過公式計算與三維軟件中光影互相印證，為地形特征坡度下的光伏陣列間距提供準確的數據。計算部分結果見圖8。

圖5 地形輔助分析流程

圖6 兩排陣列之間距離示意圖

圖7 影子系數及平地光伏陣列間距計算結果

協同設計。通過計算出地形特征坡度光伏陣列間距基本能解決光伏陣列的布置問題。但是在實際工程中山地地形不是單純的某個特征角度，一般情況下地形角度會漸變，且變化規(guī)律隨機分布，因此按照計算的間距平面布置光伏陣列仍然有出現錯誤的情況。為了設計結果的精細化，在三維數字化設計流程中使地形與光伏陣列布置協同設計。布置設計時，嚴格依據地形角度，按照規(guī)則布置光伏陣列。實際上，設計過程就是對工程三維仿真模擬，最大程度的還原工程三維空間上的占位，然后依靠精確的模型模擬光照情況，在模型中能直觀的檢驗出布置不合理的地方，通過修改最終完成無差錯的設計。（如圖9）

在某60MW山地光伏項目中采用了傳統(tǒng)設計及三維數字化設計手段，并采集了光影遮擋出錯的數據進行分析比較。數據采集中以每2WM為單位，并且以不同地形特征坡度的情況下分別對比。數據見表2。

圖8 地形特征坡度光伏陣列間距計算結果

圖9 光伏陣列三維驗證光影遮擋結果

表2 光影遮擋數據列表

從列表的數據分析可以發(fā)現，利用三維數字化設計手段減少了工程設計中出現光影遮擋錯誤，在地形變化較復雜的區(qū)域體現的更明顯，并可以為工程減少返工的次數，節(jié)約工程成本及時間。

三維數字化設計的特點包括專業(yè)之間協同性強：三維模型直觀性強；模型信息統(tǒng)計方便；信息模型貫穿工程全生命周期，設計的流程和方法與傳統(tǒng)設計有很大不同，重點著眼解決的問題是利用精細化設計提高工程設計質量。三維數字化設計的特點分散體現在工程設計的各個細節(jié)部分，在整個工程綜合利用中就發(fā)揮出強大作用。