基于bim的渔光互补光伏系统布板方法
技术领域
1.本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种基于bim的渔光互补光伏系统布板方法。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.常规光伏项目运用bim技术进行光伏组件排布是通过传统的三维建模，工作量大，每块光伏组件都需要建模，数据量庞大，对电脑配置要求高，并且方案的修改无法做出较快调整，效率较低。
4.而且，发明人发现，常规光伏项目的建设时，对阴影区域的设计大多采用人为经验值，无法实现最大化的非阴影区域布板，也无法实现对阴影区域的布板设计以避免对整体光伏发电系统的影响。
技术实现要素：5.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，根据bim对项目建造点进行建模，根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果，实现了更精准的光伏布板，能够有效的避免阴影对发电量的影响。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，包括以下过程：
8.根据待布设渔光互补光伏系统的项目建造地点的地理位置数据，模拟不同倾角下的太阳辐射强度，得到太阳辐射最佳倾角；
9.利用bim对项目建造地点进行建模，并根据太阳辐射最佳倾角、项目建造地点维度和光伏阵列倾斜面长度，得到光伏阵列间距；根据地理位置数据，模拟不同倾角下的发电量，得到最大发电量倾角；根据光伏组件的参量数据，得到光伏组件串串联数；根据建模结果，结合项目建造地点的太阳辐射轨迹，进行不同时段的光照分析，得到不同时段的阴影图；
10.根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果。
11.作为可选的一种实现方式，在阴影区域和非阴影区域均进行布板，对阴影区域的组件，在组件接线盒中的各电池组件之间反向并联旁路二级管，对因各种阴影无法正常发电的光伏组件进行旁路导通。
12.作为可选的一种实现方式，在阴影区域和非阴影区域均进行布板，在相邻两组或者相邻多组光伏组件之间安装旁路二极管，当该组件被遮挡或有故障时，此两组组件将被分段旁路，其余部分仍可以继续正常工作。
13.作为可选的一种实现方式，在阴影区域和非阴影区域均进行布板，对阴影区域内
的光伏组件安装独立的具备dc-ac逆变功能和mppt功能的微型逆变器，以实现最大功率输出。
14.作为可选的一种实现方式，非阴影区域内，光伏组件基础呈前低后高的阶梯型。
15.作为可选的一种实现方式，在非阴影区域内，根据计算得到的最大发电量倾角、阵列间距及光伏组件串串联数，生成多种光伏阵列，采用光伏组件数量最多或者成本最低或者发电量最大的布板方式作为最终的布板结果。
16.作为可选的一种实现方式，阵列间距d为：d＝lcosβ+lsinβ(0.707tanφ+0.4338)/(0.707-0.4338tanφ)；
17.其中，l为阵列倾斜面长度，β为阵列倾角，φ为当地纬度。
18.作为可选的一种实现方式，采用迭代法对单个光伏组件进行迭代计算，得到最大发电量倾角。
19.作为可选的一种实现方式，光伏系统组串串联数n为：
[0020][0021]
其中，kv为光伏组件的开路电压温度系数，v
oc
为电池组件开路电压，v
dcmax
为逆变器允许最大直流输入电压，t为光伏组件工作条件下的极限低温。
[0022]
进一步的，
[0023][0024]
其中，k
v’为光伏组件的工作电压温度系数，t’为光伏组件工作条件下的极限高温，v
mpptmax
为逆变器mppt电压最大值，v
mpptmin
为逆变器mppt电压最小值，v
pm
为电池组件工作电压。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0026]
1、本发明所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，采用bim对待布板地区进行建模，根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果，实现了更精准的光伏布板，能够有效的避免阴影对发电量的影响。
[0027]
2、本发明所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，实现了更精准的光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数的计算，进而保证了布板的准确性。
[0028]
3、本发明采用bim软件创建场区内模型，模拟建造地点的真实光照，进行光照分析后，将阴影图导入二维制图软件中进行光伏布板；本发明采用三维阴影模拟及二维布板相结合的方式，简单方便，可以做到光伏项目发电量准确核算。
[0029]
4、对于铁塔、线杆阴影区域进行满布，为防止光伏组件热斑效应对光伏组件的损伤及发电效率的影响，在组件接线盒中的各电池组件之间反向并联旁路二级管，对因各种阴影无法正常发电的光伏组件进行旁路导通，保证光伏发电系统基本正常发电。
[0030]
5、对于铁塔、线杆阴影区域进行满布，旁路二极管一般直接安装在组件接线盒内，在相邻两组光伏组件或者相邻多组光伏组件之间安装旁路二极管，当对应的组件串被遮挡或有故障时，对应的组件串将被分段旁路，其余部分仍然可以继续正常工作，进一步保证了
光伏发电系统的正常发电。
[0031]
6、对于铁塔、线杆阴影区域内的几块光伏组件安装一个独立的具备dc-ac逆变功能和mppt功能的微型逆变器，可以实现最大功率输出，多路mppt的设置降低了阴影遮挡的影响；并且微型逆变器对于光伏组件的一致性要求较低，出现阴影遮挡、云雾变化、组件温度不一致、组件安装倾斜角度不一致、安装方位不一致等不理想条件时，问题组件不会影响其他组件，从而提高了整个系统的发电效率。
[0032]
7、当光伏组件阵列的占地面积或可用面积有限时，将未遮挡区域的光伏组件基础制作成阶梯型，通常做法是前低后高，减少布置间距，最大化利用占地面积布置光伏组件，提高发电量。
[0033]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0034]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0035]
图1为本发明实施例提供的光伏阵列间距计算示意图。
[0036]
图2为本发明实施例提供的发电量迭代趋势示意图。
[0037]
图3为本发明实施例提供的渔光互补项目光伏组件布置图(铁塔阴影未布置组件)。
[0038]
图4为本发明实施例提供的渔光互补项目光伏组件布置图(铁塔阴影布置组件)。
[0039]
图5为本发明实施例提供的串并联混合光伏方阵电路示意图(加入旁路二极管)。
[0040]
图6为本发明实施例提供的光伏基础制作呈阶梯型示意图。
[0041]
图7为本发明实施例提供的设备模型创建示意图。
[0042]
图8为本发明实施例提供的在视图-动画中添加场景示意图。
[0043]
图9为本发明实施例提供的阴影模拟示意图。
[0044]
图10为本发明实施例提供的阴影图片合并示意图。
[0045]
图11为本发明实施例提供的布板示意图。
[0046]
图12为本发明实施例提供的光伏组件总数寻优示意图。
[0047]
图13为本发明实施例提供的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法的流程示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0049]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0050]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0051]
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
[0052]
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0053]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0054]
实施例：
[0055]
如图1-13所示，本发明实施例提供了一种基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，包括以下过程：
[0056]
根据待布设渔光互补光伏系统的项目建造地点的地理位置数据，模拟不同倾角下的太阳辐射强度，得到太阳辐射最佳倾角；
[0057]
利用bim对项目建造地点进行建模，并根据太阳辐射最佳倾角、项目建造地点维度和光伏阵列倾斜面长度，得到光伏阵列间距；根据地理位置数据，模拟不同倾角下的发电量，得到最大发电量倾角；根据光伏组件的参量数据，得到光伏组件串串联数；根据建模结果，结合项目建造地点的太阳辐射轨迹，进行不同时段的光照分析，得到不同时段的阴影图；
[0058]
根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果。
[0059]
更具体的，包括以下过程：
[0060]
本实施例中，对于铁塔、线杆阴影区域进行满布，为防止光伏组件热斑效应对光伏组件的损伤及发电效率的影响，在光伏组件接线盒中的各电池组件之间反向并联旁路二级管，对因各种阴影无法正常发电的光伏组件进行旁路导通，保证光伏发电系统基本正常发电。
[0061]
或者，在其他一些实施方式中，在相邻两组光伏组件之间或者相邻多组光伏组件之间安装旁路二极管，当对应的光伏组件串被遮挡或有故障时，对应的光伏组件串将被分段旁路，其余部分仍然可以继续正常工作。
[0062]
可以理解的，在其他一些实施方式中，对于铁塔、线杆阴影区域内的光伏组件安装一个独立的dc-ac逆变功能和mppt功能的微型逆变器，可以实现最大功率输出，多路mppt的设置降低了阴影遮挡的影响；并且微型逆变器对于组件的一致性要求较低，出现阴影遮挡、云雾变化、组件温度不一致、组件安装倾斜角度不一致、安装方位不一致等不理想条件时，问题组件不会影响其他组件，从而提高整个系统的发电效率。
[0063]
可以理解的，在其他一些实施方式中，当光伏方阵的占地面积或可用面积有限时，将未遮挡区域的光伏组件基础制作成阶梯型，通常做法是前低后高，减少布置间距，最大化利用占地面积布置光伏组件，提高发电量。
[0064]
本实施例中，在非阴影区域内，根据计算得到的最大发电量倾角、阵列间距及光伏
组件串串联数，生成多种光伏阵列，采用光伏组件数量最多、或者成本最低、或者发电量最大的布板方式作为最终的布板结果。
[0065]
具体的，本实施例中，利用bim软件(例如可以采用sketchup等等bim系列软件)得到阴影区域后，将冬至日9：00～15:00范围内的几个主要时段阴影导出图片后，采用插入-光栅图像参照导入到二维制图软件中(例如cad等等任意的二维制图软件)中，将图片缩放到原图比例，排除阴影面积后用于光伏布板。在布板时根据计算得到的最大发电量倾角、阵列间距及组件串数量，创建出多种光伏阵列，采用贱人工具箱统计出多块光伏组件数量。
[0066]
本实施例中，光伏倾斜面最大辐射量倾角计算，包括：
[0067]
光伏组件的倾角是组件平面与水平地面的夹角，对于以某一倾角固定式安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾斜的角度有关，如表1所示为每隔1
°
倾角倾斜面的太阳辐射量(kwh/m2)。
[0068]
表1：每隔1
°
倾角倾斜面的太阳辐射量(kwh/m2)
[0069][0070][0071]
根据solargis太阳能资源数据分析得出垦东场址处阵列倾角34
°
时倾斜面上年总辐射量最大，为最大辐射量倾角。
[0072]
本实施例中，光伏阵列间距的计算，包括：
[0073]
d＝lcosβ+lsinβ(0.707tanφ+0.4338)/(0.707-0.4338tanφ)；
[0074]
其中，l为阵列倾斜面长度，β为阵列倾角，φ为当地纬度。
[0075]
在确定的位置，固定式布置的光伏方阵，在冬至日当天太阳时9：00～15:00不被遮挡的间距通过上述公式计算，得出阵列间距为10.6米。
[0076]
本实施例中，最大发电量倾角，包括：在前后排阵列之间不存在高程变化的情况下，34
°
倾角对应的阵列间距10.6m。本着提升发电量原则，在此间距条件下，适当降低倾角，可降低前后排组件的阴影遮挡损失，提高发电量，利用软件(例如pvsyst)中的迭代法对单个发电单元进行迭代计算，结果见下表：
[0077]
表2：发电量迭代计算表(kwh)
[0078][0079][0080]
发电量迭代趋势图如图2所示，由图2可以看出，在倾角固定的情况下，随着阵列间距的增大发电量逐渐增大；项目厂址处阵列间距不超过10.6m的情况下，在31
°
倾角下的发电量最大，因此项目采用31
°
为最大发电量倾角，此时的发电量较最佳倾角发电量提升约0.14％。
[0081]
(5)光伏组件串串联数
[0082]
光伏组件串并联数量需要与并网逆变器相匹配，匹配计算取值和公式如下:
[0083]
1)光伏组件温度参数
[0084]
冬季光伏组件工作温度，参考当地环境最低温度考虑极端情况，项目所在地夜间极限最低气温：-15.7℃；
[0085]
夏季光伏组件工作温度，按当地环境最高温度，并附加组件自身发热，考虑极端情况，项目所在地区日间极限最高气温为39.7℃，组件极端高温取70℃。
[0086]
2)光伏组件串串联数计算
[0087]
光伏系统组串串联数计算公式如下：
[0088][0089][0090]
式中：n为光伏组件串联数(n取整)；kv为光伏组件的开路电压温度系数；k
v’为光伏组件的工作电压温度系数；t为光伏组件工作条件下的极限低温(℃)；t’为光伏组件工作条件下的极限高温(℃)；v
dcmax
为逆变器允许最大直流输入电压(v)；v
mpptmax
为逆变器mppt电压
最大值(v)；v
mpptmin
为逆变器mppt电压最小值(v)；v
oc
为电池组件开路电压(v)；v
pm
为电池组件工作电压(v)。
[0091]
本项目选用的组串式逆变器的直流侧输入电压范围(mppt)为500～1500v，允许最大直流输入电压vdcmax为1500v。540wp单晶硅光伏组件的mppt电压为41.65v，开路电压为49.50v，开路电压温度系数为-0.284％/℃。
[0092]
根据以上计算公式，当光伏组件串联数为26、环境温度为-15.7℃时，光伏组串工作电压为1208.1v，光伏组串开路电压为1435.8v，满足逆变器的直流侧输入电压范围(mppt)和允许最大直流侧输入电压范围的要求，故采用组件26块一串的方案。
[0093]
在进行布板前，需要注意：地形图中除了对主地形勘测外，还要对场区内铁塔、电线杆、风力发电设备等设施的尺寸及高度进行勘测，需根据地形图考虑这部分阴影遮挡对场区内的布置影响。另外需要关注红线外设备位置，可能对场区内造成遮挡。
[0094]
渔光互补项目光伏组件在布置时，要考虑安装、维护、清洗的便利性。固定式支架一般采用竖向排布，光伏组串距离道路、红线一般保持3～4米间距，同时每组串光伏组件保持0.5米间距。
[0095]
具体，以bim软件进行三维设计为例：
[0096]
(1)在bim软件中导入项目地形图(选择单位：米)，根据地形图中的设备定位及尺寸创建出设备模型，如图6所示。
[0097]
(2)在窗口-模型信息-地理位置中，手动设置地理位置，将建造地区的经纬度输入，将地形图调整为俯视图，在视图-动画中添加场景。如图7所示。
[0098]
(3)打开窗口-默认面板，将日期调至冬至日11.22号，时间调成9：00，打开阴影，模型中显示出9点时刻的阴影位置及长度。如图8所示。
[0099]
(4)添加场景2，时间调成12：00并更新，依次添加场景3，时间调成15:00并更新。必要时可以增加10:30和13:30两个时段的阴影。如图9所示。
[0100]
(5)文件-导出-二维图形：将几个时段的阴影分别导出二维图形(jpg图片格式)，采用软件进行合并。如图10所示。
[0101]
(6)打开地形图二维制图软件，点击插入-光栅图像参照，将合并的阴影图片导入。把图片设置为后置模式放置在地形图上，sc命令以某点为基点缩放到原图比例，几个时段的阴影就可以显示在二维制图软件的图中。在图中排除阴影区域后按照光照专业提供的间距及倾角开始布板。如图11所示。
[0102]
(7)二维制图软件布板完成后，采用贱人工具箱统计多块光伏组件数量，最终得到各种光伏组件总数。如图12所示。
[0103]
(8)无阴影区域按常规布置，线杆等阴影区域为增大发电量采用增加旁路二极管及微型逆变器的办法进行布置，做到合理利用每部分占地面积。
[0104]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0105]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0106]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0107]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0108]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0109]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：包括以下过程：根据待布设渔光互补光伏系统的项目建造地点的地理位置数据，模拟不同倾角下的太阳辐射强度，得到太阳辐射最佳倾角；利用bim对项目建造地点进行建模，并根据太阳辐射最佳倾角、项目建造地点维度和光伏阵列倾斜面长度，得到光伏阵列间距；根据地理位置数据，模拟不同倾角下的发电量，得到最大发电量倾角；根据光伏组件的参量数据，得到光伏组件串串联数；根据建模结果，结合项目建造地点的太阳辐射轨迹，进行不同时段的光照分析，得到不同时段的阴影图；根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果。2.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：在阴影区域和非阴影区域均进行布板，对阴影区域的组件，在组件接线盒中的各电池组件之间反向并联旁路二级管，对因各种阴影无法正常发电的光伏组件进行旁路导通。3.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：在阴影区域和非阴影区域均进行布板，在相邻两组或者相邻多组光伏组件之间安装旁路二极管，当该组件被遮挡或有故障时，此两组组件将被分段旁路，其余部分仍可以继续正常工作。4.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：在阴影区域和非阴影区域均进行布板，对阴影区域内的光伏组件安装独立的具备dc-ac逆变功能和mppt功能的微型逆变器，以实现最大功率输出。5.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：非阴影区域内，光伏组件基础呈前低后高的阶梯型。6.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：在非阴影区域内，根据计算得到的最大发电量倾角、阵列间距及光伏组件串串联数，生成多种光伏阵列，采用光伏组件数量最多或者成本最低或者发电量最大的布板方式作为最终的布板结果。7.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：阵列间距d为：d＝lcosβ+lsinβ(0.707tanφ+0.4338)/(0.707-0.4338tanφ)；其中，l为阵列倾斜面长度，β为阵列倾角，φ为当地纬度。8.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：采用迭代法对单个光伏组件进行迭代计算，得到最大发电量倾角。9.如权利要求1所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：光伏系统组串串联数n为：其中，k
v
为光伏组件的开路电压温度系数，voc为电池组件开路电压，v
dcmax
为逆变器允许最大直流输入电压，t为光伏组件工作条件下的极限低温。10.如权利要求9所述的基于bim的渔光互补光伏系统布板方法，其特征在于：
其中，k
v’为光伏组件的工作电压温度系数，t’为光伏组件工作条件下的极限高温，v
mpptmax
为逆变器mppt电压最大值，v
mpptmin
为逆变器mppt电压最小值，v
pm
为电池组件工作电压。
技术总结本发明提供了一种基于BIM的渔光互补光伏系统布板方法，属于光伏发电技术领域；利用BIM对项目建造地点进行建模，并根据太阳辐射最佳倾角、项目建造地点维度和光伏阵列倾斜面长度，得到光伏阵列间距；根据地理位置数据，模拟不同倾角下的发电量，得到最大发电量倾角；根据光伏组件的参量数据，得到光伏组件串串联数；根据建模结果，结合项目建造地点的太阳辐射轨迹，进行不同时段的光照分析，得到不同时段的阴影图；根据获取的阴影图、光伏组件的最佳倾角、光伏阵列间距和光伏组件串串联数，在二维制图软件中生成布板结果。本发明实现了更精准的光伏布板，能够有效的避免阴影对发电量的影响。的影响。的影响。
技术研发人员：刘念晶 张俭平 庞继勇 邹杰 祝贺强 朱宏磊
受保护的技术使用者：中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
