數字化設計技術在復雜地形光伏設計中的應用

文/孫周

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

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，運用三維數字化仿真技術設計復雜地形光伏電站，是通過數字化規則、數字化設計、數字化建設等智能處理，大幅降低設計人員的重復機械勞動。采用多專業協同技術解決了因各專業信息傳遞而造成的效率和差錯的問題。

2 技術架構

數字化設計技術在技術架構上一共分為設計端、協同端、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、結果展現等任務，采用了AutodeskRevit軟件作為基礎，進行二次開發實現；

協同端主要完成多專業協同的任務，實現了發電系統設計、發電系統計算、元件設備庫等功能，以自主B/S架構開發；

管理后臺主要完成用戶管理、權限分配、系統設置等任務，采用了自主B/S架構開發；

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

服務端主要完成數據存儲、數據交互、數據處理等任務，采用了JavaSpringCloud微服務架構。

3 設計流程

設計流程如圖1所示。

3.1 工程數據錄入

數字化設計技術實現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據的集合。可以錄入工程名稱、類型、建設性質、設計時間、設計階段、裝機容量等數據。

3.2 資源數據錄入

圖1

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

3.3 智慧系統設計計算

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：實現根據組件參數和逆變器輸入的電壓范圍，估算組件串并聯數量與組件排列方式。

設備選型對比：實現對不同型號的設備進行基礎數據的橫向比對，選出性價比最優越的設備。

基本方陣容量計算：實現組件參數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：根據輻射情況，設備的參數、負荷及效率的情況，計算組件逆變器容量配比。

系統效率評估計算：假設斜面有可能接受的最大太陽能輻照量為100%，數字化設計技術可以對光伏發電系統各個環節的損耗進行估算，是數字化設計技術關鍵技術環節，它有利于發現整個光伏系統中影響系統效率的薄弱環節并并加以改進。

3.4 數字地形數據處理

通過導入DEM原始數據的高程信息，生成三維數字地形模型。補充外延地形到數字地形中。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，對遮擋區域進行分析和標記，并根據篩選條件篩選出可用的區域，能夠陰影仿真對地形的影響，并統計出可用區域和不可用區域的面積。

3.6 地形智慧分類統計

根據組件參數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，驗證影長區域的遮擋情況，歸類的影長區域進行數據統計。

3.7 地塊智慧整合切分

通過輸入分區合并的參數，生成合并方案，對于不同合并方案，尋找各個區域的邊界，并計算相鄰邊界的面積。根據用戶建立的分區合并規則，按參數對區域進行合并，對符合定義的區域進行標記和刪除，統計各分區可布置組件的數量。根據不同的參數進行計算，將計算的結果進行比較，推薦最優方案。

3.8 陣列智慧劃分

根據計算結果等數據，對指定區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電單元，每個發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則進行編號。

3.9 智慧連線比選

根據連線最短原則結合實際項目，數字化設計技術生成多種連線方案。根據不同連線方案，估算不同方案中逆變器的最優位置。根據不同方案生成對應的設備和電線的排布數字模型，并能夠對集電線路的線路損耗情況進行計算。

3.1 0 圖表輸出生成

數字化設計技術能實現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 技術優勢

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