基于AutoCAD的分布式光伏電站 設(shè)計軟件的介紹

趙 雨，籍楚雄，朱艷燕

(1.上海電力大學數(shù)理學院，上海201306；2.港華能源投資有限公司，蘇州 215128)

0 引言

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，中國光伏行業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展的外部助力。截至2021年底，中國分布式光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機規(guī)模達到1億kW；2021年，分布式光伏發(fā)電新增并網(wǎng)裝機規(guī)模約為2900萬kW，約占全部光伏發(fā)電新增并網(wǎng)裝機容量的55%[1]。

隨著太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已逐漸達到極限，光伏組件的發(fā)電效率穩(wěn)定提升0.1%已非常難，但因光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時存在缺陷甚至出現(xiàn)錯誤而導致光伏組件的發(fā)電效率降低幅度超過0.1%的情況卻極易發(fā)生。在分布式光伏電站的工程實踐中，光伏組件不按最佳傾角安裝及障礙物陰影部分的嚴重遮擋都會在一定程度上降低光伏組件的發(fā)電效率。而可安裝光伏組件的屋頂包括平屋頂、斜屋頂?shù)任蓓斝问?，以及彩鋼瓦屋頂、陶瓷瓦屋頂、混凝土屋頂?shù)榷喾N材質(zhì)的屋頂，屋頂上常會有天井、太陽能熱水器等障礙物，這些障礙物旁邊會產(chǎn)生陰影，如果陰影出現(xiàn)的時間過長，則不適合放置光伏組件，否則不僅會降低光伏組件的發(fā)電效率，而且嚴重時甚至會產(chǎn)生熱斑效應(yīng)[2]，損壞光伏組件。光伏電站在設(shè)計過程中不僅要調(diào)研項目所在地的經(jīng)緯度、日照、陰雨天數(shù)等氣象數(shù)據(jù)[3]，還要考慮光伏組件、逆變器的選型，光伏組件的排布，光伏支架的選型與排布，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣連接方式等多項內(nèi)容，若這些內(nèi)容僅依靠人工完成，工作量巨大。基于此，本文開發(fā)出一套基于AutoCAD的分布式光伏電站設(shè)計軟件，該軟件可極大降低分布式光伏電站的設(shè)計難度，提高設(shè)計效率，大幅降低光伏電站在前期、可研、施工等各階段的設(shè)計時間。此外，該軟件簡單易操作，初學者可快速入門，使其能盡快熟悉光伏電站的設(shè)計流程和需遵守的基本原則，解決光伏發(fā)電項目多、時間緊情況下面臨的人力資源緊缺的矛盾。

近年來，國內(nèi)已有光伏行業(yè)同行嘗試開發(fā)與本文所述軟件類似的光伏電站設(shè)計軟件。比如，2012年，劉學[4]提出了一種基于AutoCAD的民用建筑并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計軟件，通過 AutoCAD 軟件以VLISP為開發(fā)工具對計算機輔助設(shè)計(CAD)進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了項目信息的新建、光伏組件最佳傾角及其年接收的太陽輻照總量的計算、光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳裝機容量的計算、光伏組件和并網(wǎng)逆變器的匹配選擇、光伏組件最小允許安裝間距的計算、安裝并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)時建筑物防雷類別的確定、光伏發(fā)電系統(tǒng)年和月發(fā)電量的估算、光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資額與投資回收期的計算、光伏發(fā)電系統(tǒng)環(huán)保效益的分析、相關(guān)數(shù)據(jù)庫的更新等。

2017年，李世民等[5]申請了《一種太陽能光伏發(fā)電站的設(shè)計方法及系統(tǒng)》的發(fā)明專利。該系統(tǒng)基于Excel軟件，可根據(jù)計算結(jié)果確定光伏組件的排布，并可對光伏陣列的排布進行優(yōu)化計算；還能實現(xiàn)光伏電站中電纜、光伏陣列排布及場地平面的設(shè)計。

2019年，張俊俊等[6]申請了《一種光伏構(gòu)件排布方法及光伏陣列建設(shè)確定方法》的發(fā)明專利，該專利提供的光伏構(gòu)件排布方法及光伏陣列建設(shè)確定方法，實現(xiàn)了對建設(shè)區(qū)域內(nèi)光伏構(gòu)件的排布，專業(yè)技術(shù)人員無需依托專業(yè)的設(shè)計軟件來進行排布設(shè)計，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中天窗、光伏組件及光伏組件立柱等的排布方法對設(shè)計人員專業(yè)性和技術(shù)性要求較高且耗時較長的問題。

上述文獻中均未對女兒墻和其他障礙物產(chǎn)生的陰影對光伏組件排布的影響進行分析，更不具有自動刪除被遮擋光伏組件的功能，而且不包括當今主流的光伏組件及逆變器的選型，也不具有自動生成光伏支架圖、電氣連接圖等功能。但本文提出的軟件(下文簡稱為“本軟件”)不但能自動生成光伏組件排布圖，而且實現(xiàn)了對障礙物的陰影分析，并能自動刪除排布好的光伏方陣中被障礙物遮擋的光伏組件。

1 本軟件的主要功能

考慮到VLISP和AutoCAD軟件均具有強大的制圖功能與通用性，因此本軟件是以VLISP為工具，并基于AutoCAD進行開發(fā)。本軟件覆蓋了分布式光伏電站設(shè)計的整個過程，其模塊包括：基本設(shè)置、圖框操作、目錄封面操作、排布圖制作、光伏方陣設(shè)計、安裝詳圖、總平面圖設(shè)計、電氣設(shè)計、監(jiān)控通信、材料清單等。

本軟件可適用于絕大部分屋頂光伏電站的設(shè)計，比如，平屋面、斜屋面及彩鋼瓦屋頂?shù)取１拒浖械呐挪紙D制作模塊不但能自動生成光伏組件的排布圖，且能對障礙物陰影進行分析，并且自動刪除排布圖中被障礙物遮擋的光伏組件；光伏方陣設(shè)計模塊能自動繪出光伏支架的結(jié)構(gòu)圖；安裝詳圖模塊包括彩鋼瓦安裝詳圖和混凝土安裝詳圖，此處以彩鋼瓦安裝詳圖為例進行介紹，該模塊能自動繪制出彩鋼瓦屋頂護欄的安裝示意圖、彩鋼瓦屋頂逆變器的安裝示意圖、彩鋼瓦屋頂橋架-檢修通道的安裝詳圖、彩鋼瓦屋頂橋架下墻的安裝示意圖、彩鋼瓦屋頂光伏支架的安裝示意圖；總平面圖設(shè)計模塊能進行逆變器、低壓并網(wǎng)柜的布置，橋架的設(shè)計，接地線的布置，接地系統(tǒng)和施工線路的統(tǒng)計，清潔系統(tǒng)的設(shè)計及檢修通道的設(shè)計與統(tǒng)計；電氣設(shè)計模塊具有電氣高壓接入設(shè)置、電氣低壓接入設(shè)置、光伏組串設(shè)計、光伏組件型號及技術(shù)參數(shù)添加、逆變器交流電纜與直流電纜的數(shù)量更新等功能；監(jiān)控通信模塊能自動生成光纖通信監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖、無線通信監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖、分布式光伏電站視頻監(jiān)控部分卷冊、監(jiān)控器和環(huán)境監(jiān)測儀數(shù)據(jù)；材料清單模塊一鍵生成Excel格式的低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)材料清單。

2 本軟件的使用流程

本軟件的總體使用流程如圖1所示。

圖1 軟件的總體使用流程圖Fig. 1 Overall use flow chart of software

圖1中進行障礙物陰影分析時，需先輸入女兒墻或障礙物的尺寸，然后本軟件會自動進行陰影分析，并自動刪除陰影內(nèi)的光伏組件。

3 排布圖設(shè)計中的設(shè)置方式

1)選擇“初始化設(shè)置”后，軟件會自動生成設(shè)計光伏電站時的基本圖層。

2)選擇“地區(qū)設(shè)置”后，需選擇省、市，軟件會自動生成所需地區(qū)的氣象參數(shù)，但也可手動輸入。地區(qū)設(shè)置的界面如圖2所示。

圖2 地區(qū)設(shè)置的界面 Fig. 2 Interface of regional setting

3)光伏組件參數(shù)的設(shè)置。選擇光伏組件的生產(chǎn)廠家和型號后，軟件會自動生成光伏組件的技術(shù)參數(shù)。本軟件中的數(shù)據(jù)庫包括了當今主流的光伏組件型號，而且還能對型號進行及時更新。光伏組件參數(shù)設(shè)置的界面如圖3所示。

圖3 光伏組件參數(shù)設(shè)置的界面 Fig. 3 Interface of PV module parameter setting

4)逆變器參數(shù)設(shè)置。選擇逆變器的品牌和型號后，軟件會自動生成逆變器的技術(shù)參數(shù)。逆變器參數(shù)設(shè)置的界面如圖4所示。

圖4 逆變器參數(shù)設(shè)置的界面Fig. 4 Interface of inverter parameter setting

5)交流電纜參數(shù)設(shè)置。操作步驟為：選擇電纜參數(shù)→電纜初選→電纜選型→確認。

6)光伏組串中光伏組件數(shù)量的計算?？筛鶕?jù)已選好的光伏組件及逆變器型號由軟件自動計算光伏組串中光伏組件的數(shù)量，然后軟件會給出推薦值。軟件中的算法是按照GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求進行設(shè)計的[7]。

4 排布圖制作模塊中的設(shè)置方式

排布圖制作模塊的界面如圖5所示。

圖5 排布圖制作模塊的界面Fig. 5 Interface of layout drawing module

1)陰影分析的設(shè)置。依據(jù)實際需要選擇女兒墻陰影分析或障礙物陰影分析，然后輸入女兒墻或障礙物相對于屋頂?shù)母叨燃敖ㄖ锏姆轿唤牵瑥亩M行陰影分析。

2)光伏方陣的設(shè)置?？稍O(shè)置屋面上光伏方陣檢修時主次通道的寬度、模數(shù)，然后選擇坡屋面排布或平屋面排布，當選擇坡屋面排布時，光伏方陣的傾角默認為0°；當選擇平屋面排布時，光伏方陣傾角依據(jù)屋面設(shè)置中的“方陣傾角”來確定。

3)光伏組件統(tǒng)計的設(shè)置依據(jù)提示框勾選需要統(tǒng)計的光伏組件，包括光伏組件的制造商、型號、數(shù)量、單塊光伏組件的功率及光伏組件的總?cè)萘?，然后得到統(tǒng)計結(jié)果。光伏組件統(tǒng)計的界面如圖6所示。

圖6 光伏組件統(tǒng)計的界面Fig. 6 Interface of PV module statistics

5 方陣設(shè)計模塊的功能

方陣設(shè)計模塊的功能包括光伏支架與立柱的繪制及光伏支架基礎(chǔ)的計算等。該模塊可自動生成彩鋼瓦或混凝土屋面上光伏組件支架和支架立柱的安裝示意圖。也可手動繪制不同類型光伏支架及其立柱。支架繪制的界面如圖7所示。

圖7 支架繪制的界面Fig. 7 Interface of bracket drawing

6 材料清單模塊的設(shè)置

按照材料清單模塊操作步驟的指引選擇光伏支架的布置區(qū)域，該模塊將自動生成光伏支架材料清單，光伏支架材料清單的界面如圖8所示。

圖8 光伏支架材料清單的界面Fig. 8 Interface of bill of materials for PV brackets

7 安裝詳圖模塊的功能

安裝詳圖模塊可根據(jù)光伏電站所在地的場景類型及用戶需求自動生成各部件的安裝詳圖，如圖9所示。

圖9 安裝詳圖的界面 Fig. 9 Interface of detailed installation drawing

8 結(jié)論

針對目前國內(nèi)缺乏專業(yè)、高效的分布式光伏電站施工圖設(shè)計軟件，且各家公司的施工圖紙制作存在不規(guī)范、設(shè)計效率低的問題。本文以VLISP為工具，基于AutoCAD開發(fā)了一套分布式光伏電站設(shè)計軟件。該軟件可應(yīng)用于多種屋頂場景，包括基本設(shè)置、圖框操作、目錄封面操作、排布圖制作、光伏方陣設(shè)計、安裝詳圖、總平面圖設(shè)計、電氣設(shè)計、監(jiān)控通信、材料清單等模塊，覆蓋了分布式光伏電站設(shè)計的全過程。該軟件將多項功能集成化，極大提高了設(shè)計效率，大幅降低了分布式光伏電站在前期、可研、施工等各階段的設(shè)計時間。本研究可為分布式光伏電站的設(shè)計、施工提供參考。