数字化设计技术在复杂地形光伏设计中的应用

文/孙周

近几年国内光伏电站随着装机容量和规模的扩大，地形从平地逐渐发展到山地等更复杂地形。国内设计院在光伏电站设计上主要还是沿用传统的二维设计方式，三维数字化设计手段在光伏发电工程中应用较少。地形复杂导致人工很难达到设计的最佳阵列排布，电站经济性能比无法保障最佳。

与此同时，BIM技术和全生命周期管理的理念在设计院越来越得到广泛认可，运用三维数字化仿真技术设计复杂地形光伏电站，是通过数字化规则、数字化设计、数字化建设等智能处理，大幅降低设计人员的重复机械劳动。采用多专业协同技术解决了因各专业信息传递而造成的效率和差错的问题。

2 技术架构

数字化设计技术在技术架构上一共分为设计端、协同端、管理后台、报表中心、服务端。

设计端主要完成图形处理、三维模型设计、结果展现等任务，采用了AutodeskRevit软件作为基础，进行二次开发实现；

协同端主要完成多专业协同的任务，实现了发电系统设计、发电系统计算、元件设备库等功能，以自主B/S架构开发；

管理后台主要完成用户管理、权限分配、系统设置等任务，采用了自主B/S架构开发；

报表中心主要完成可研报告、计算书、专业间资料提交等图表输出的任务，采用了自主C/S架构研发；

服务端主要完成数据存储、数据交互、数据处理等任务，采用了JavaSpringCloud微服务架构。

3 设计流程

设计流程如图1所示。

3.1 工程数据录入

数字化设计技术实现对所有工程进行集中管理。一个工程包括用户设计多张图纸和数据的集合。可以录入工程名称、类型、建设性质、设计时间、设计阶段、装机容量等数据。

3.2 资源数据录入

图1

从人机交互收集参与计算的日辐照资源数据、气象条件数据，自然地理条件数据，可导入原始数据和分析汇总。

3.3 智慧系统设计计算

最佳倾角计算：光伏组件需要倾斜放置才能获得更多的能量，因此需要计算斜面太阳总辐射量。

单位组串设计：实现根据组件参数和逆变器输入的电压范围，估算组件串并联数量与组件排列方式。

设备选型对比：实现对不同型号的设备进行基础数据的横向比对，选出性价比最优越的设备。

基本方阵容量计算：实现组件参数和排列方式计算每个方阵的基本容量。

组件逆变器配比计算：根据辐射情况，设备的参数、负荷及效率的情况，计算组件逆变器容量配比。

系统效率评估计算：假设斜面有可能接受的最大太阳能辐照量为100%，数字化设计技术可以对光伏发电系统各个环节的损耗进行估算，是数字化设计技术关键技术环节，它有利于发现整个光伏系统中影响系统效率的薄弱环节并并加以改进。

3.4 数字地形数据处理

通过导入DEM原始数据的高程信息，生成三维数字地形模型。补充外延地形到数字地形中。地形对齐后，将外延地形与测绘地形融合生成融合地形，以评估复杂地形中山体对红线内地形的遮挡。

3.5 外延遮挡智慧分析

分析太阳位置，对遮挡区域进行分析和标记，并根据筛选条件筛选出可用的区域，能够阴影仿真对地形的影响，并统计出可用区域和不可用区域的面积。

3.6 地形智慧分类统计

根据组件参数的输入对场地进行分割，把场地分割为合适的最小单元，每个最小单元有编号标注为可利用和不可利用单元，各单元的影长进行归类，验证影长区域的遮挡情况，归类的影长区域进行数据统计。

3.7 地块智慧整合切分

通过输入分区合并的参数，生成合并方案，对于不同合并方案，寻找各个区域的边界，并计算相邻边界的面积。根据用户建立的分区合并规则，按参数对区域进行合并，对符合定义的区域进行标记和删除，统计各分区可布置组件的数量。根据不同的参数进行计算，将计算的结果进行比较，推荐最优方案。

3.8 阵列智慧划分

根据计算结果等数据，对指定区域进行方阵南北间距、东西间距的计算，并自动进行方阵布置。把已排布的光伏方阵划分为若干个发电单元，每个发电单元可以自动或手动布置逆变器及变压器，按照国家标准编号规则进行编号。

3.9 智慧连线比选

根据连线最短原则结合实际项目，数字化设计技术生成多种连线方案。根据不同连线方案，估算不同方案中逆变器的最优位置。根据不同方案生成对应的设备和电线的排布数字模型，并能够对集电线路的线路损耗情况进行计算。

3.1 0 图表输出生成

数字化设计技术能实现导出当前工程中所有使用到的设备材料的清单，设计人员可以对设备材料清单进行编辑。对当前工程方阵间距汇总，并形成光伏方阵间距计算书、光伏方阵的支架坐标表。

4 技术优势

通过等高线、DEM展现地形的三维数字模型，比传统CAD图形更加直观；参数化构建元件设备库，解决了元件设备的数据重复利用和设备选型问题；设计前估算发电量，设计后回归计算发电量，准确评估发电容量；按照发电单元对光伏电站进行一体化结构设计，将分散的工作精密结合；设计过程支持多方案对比，解决传统设计中的选优问题；设计方案自动化阵列排布以及阵列设备编号，节约工作量；设备间自动连线方便后续电缆的定量分析。