CN102163341A - 通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，包括以下步骤：地形数据、障碍物数据以及太阳能组件数据的采集；阴影分布图的绘制；太阳能电站初始模型的建立；模型建立后的阴影分析计算。本发明综合考虑了地形、建筑物以及其他人为设定的障碍物对太阳能组件产生的影响，使太阳能光伏组件达到最优化布置，既保证太阳能光伏组件布局的科学化，又能使太阳能组件的转换效率最大化。

Description

通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电站建设领域，特别是在太阳能电站设计中的利用阴影分析进行太阳能电站建模的方法。

背景技术

太阳能电站是利用太阳能电池组件将太阳光能转换为电能的装置，是地球的清洁能源和可再生能源。随着太阳能电池组件的快速发展，太阳能电站的建设也是日新月异，在太阳能电站设计过程中，一个最关键的步骤是对各受能原件，也就是太阳能电池组件进行布置，以尽量减少阴影遮挡为目的，从而达到最大限度地利用太阳光能。

目前，在太阳能电站设计中，太阳能组件一般都是布置在平面地形中。在阴影计算时，工作人员结合固定的太阳能组件，依据天文公式手工推导出冬至日上午9时太阳能电池组件在北方向的投影作为各太阳能电池组件的最大阴影长度，在施工过程中按照此最大阴影长度对各组件进行布置。因此目前只能通过两种布置形式进行太阳能电站的建设，其一是通过加大太阳能组件之间的间距来消除阴影的影响，这必然会增加项目的占地面积；其二是在各太阳能组件上允许有一定的阴影遮挡，这种布置方式必然会造成整个电站转换效率的降低。无疑这种两种布置形式都不是太阳能电站建设的最优设计方案。

并且，目前这种人工计算方法存在以下不足：1)只能计算冬至日上午9时的阴影长度；2)只能用于计算平面地形中的阴影；3)仅能计算固定支架的光伏组件之间的阴影，不能计算运动的太阳能组件的阴影情况。然而随着太阳能光伏领域的飞速发展以及人们对电力的极大需求，仅能在平面地形中建设太阳能电站已经不能满足需求。因此在太阳能电站设计中必须要全面考虑以下因素：例如需要计算太阳能组件在全天每一时间的阴影长度、当太阳能电站占地较大且地形复杂时地形对太阳能组件的影响、当太阳能组件采用单轴跟踪或者双轴跟踪光伏组件时阴影的变化情况、以及房屋树木等障碍物对电站布置的影响等等。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能够结合地形条件、障碍物以及太阳能组件的运行特性，对太阳能电站设计中的阴影进行综合计算分析，进一步建立太阳能电站模型的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，基于GIS地理信息系统和三维技术，包括以下步骤：

a.获取太阳能电站建设区域的地形数据，对地形数据进行拟合生成三角形或六边形网格，并依此绘制三维地形图；

b.采集太阳能电站建设区域内的障碍物数据，根据障碍物数据绘制障碍物模型，并标注在三维地形图上；

c.在步骤a和步骤b所确定的三维地形图和障碍物模型的基础上，进行阴影预计算，得出由于地形和障碍物影响而产生的全天候每一时段的阴影分布图；

d.采集太阳能组件的尺寸、连接型式以及太阳能组件的控制运行特性，绘制太阳能组件模型；

f.以步骤c和步骤d所确定的阴影分布图以及太阳能组件模型为基础，进行太阳能组件的优化布置，并生成太阳能电站初始模型；

g.对步骤f所生成的太阳能电站初始模型重新进行阴影计算；

h.当计算得出的阴影分布不满足要求时，重复步骤f-g，对太阳能组件进行重新布置和阴影计算；当计算得出的阴影分布满足要求时，即确定太阳能电站最终模型。

本发明步骤c所述的阴影预计算和步骤g所述的阴影计算方法如下所述：

首先，根据公式δ＝23.45sin(360*(d_n+284)/365)计算得出每日的赤纬角δ；

其次根据赤纬角δ、时角ω和公式α＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφcosδcosω)，计算太阳高度角α；

根据太阳高度角α、赤纬角δ、时角ω以及公式γ＝arcsin(cosδ*sinω/cosα)，计算得出太阳方位角γ；

根据太阳高度角α、障碍物高度D和公式L＝D/tan(α)，计算得出障碍物的阴影长度L；

最后，根据障碍物的阴影长度L、太阳方位角γ以及公式L_N＝L*cos(γ)，计算得出障碍物在北方向的阴影长度L_N；

其中：d_n为一年中每日的顺序数；ω为时角；

为当地纬度；D为障碍物高度。

本发明中所述的数据采集方式为：所述地形数据和障碍物数据的采集通过卫星遥感、航测或者现场实测获得，数据的比例尺不高于1∶500，等高线间距不大于1m。

本发明对步骤b的限定为：步骤b中所述的障碍物包括房屋、树木和电力线塔等，障碍物数据包括尺寸、高度、形状以及地理位置。

本发明对步骤d的限定在于：步骤d中所述的太阳能组件的控制运行特性包括固定支架、单轴跟踪、双轴跟踪、跟踪规律以及太阳能组件倾角。

本发明对步骤f的限定在于：步骤f中所述的优化布置包括太阳能组件的行列布置以及垂直于水平面的竖向布置，行列布置包括行列数目和间距大小，竖向布置根据地形以及各组件的高程进行计算确定。

本发明的进一步改进在于：进行太阳能组件优化布置时，对于数量较多的太阳能组件采用批量化布置形式。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明综合考虑了地形、建筑物以及其他人为设定的障碍物对太阳能组件产生的影响，能够对各太阳能组件进行全天候不同时段的阴影进行计算分析，使太阳能光伏组件达到最优化布置，既保证太阳能光伏组件的科学化布置，又能使太阳能组件的转换效率最大化。采用本发明建设的太阳能电站，对于节约占地、植被保护及防止荒漠化设计都具有极大的促进意义。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其流程图如图1所示，该方法依托于计算机，并基于GIS地理信息系统和三维技术，包括以下步骤：

a.通过全球定位系统对太阳能电站建设区域的地形进行测量，并将测量的地形数据通过输入接口传输给GIS地理信息系统，GIS地理信息系统对地形数据进行拟合生成三角形或六边形网格，采用三维技术，绘制三维地形图；其中全球定位系统所测量的数据比例尺为1∶500，等高线间距为1m。

b.通过全球定位系统对太阳能电站建设区域的障碍物进行测量，并将测得的障碍物数据通过输入接口传输给GIS地理信息系统，GIS地理信息系统根据障碍物数据绘制障碍物模型，并标注在三维地形图上；其中障碍物包括房屋、树木和电力线塔等人为建设可能对太阳能组件产生阴影的实物，障碍物数据包括尺寸、高度、形状以及地理位置等。

c.在步骤a和步骤b所确定的三维地形图和障碍物模型的基础上，进行阴影预计算，得出由于地形和障碍物影响而产生的全天候每一时段的阴影分布图；其中，阴影预计算方法如下所述：

首先，根据公式δ＝23.45sin(360*(d_n+284)/365)计算得出每日的赤纬角δ；

其次根据赤纬角δ、时角ω和公式α＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφcosδcosω)，计算太阳高度角α；

根据太阳高度角α、赤纬角δ、时角ω以及公式γ＝arcsin(cosδ*sinω/cosα)，计算得出太阳方位角γ；

根据太阳高度角α、障碍物高度D和公式L＝D/tan(α)，计算得出障碍物的阴影长度L；

最后，根据障碍物的阴影长度L、太阳方位角γ以及公式L_N＝L*cos(γ)，计算得出障碍物在北方向的阴影长度L_N；

其中：d_n为一年中每日的顺序数；ω为时角；为当地纬度；D为障碍物高度。

d.通过计算机输入接口将太阳能组件的尺寸、连接型式以及太阳能组件的控制运行特性等参数输入到GIS地理信息系统中，计算机采用三维技术绘制太阳能组件模型；太阳能组件的控制运行特性包括固定支架、单轴跟踪、双轴跟踪、跟踪规律以及太阳能组件倾角等参数。

f.以步骤c和步骤d所确定的阴影分布图以及太阳能组件模型为基础，进行太阳能组件的优化布置，并生成太阳能电站初始模型；其优化布置包括太阳能组件的行列布置以及垂直于水平面的竖向布置，行列布置包括行列数目和间距大小，竖向布置根据地形以及各组件的高程进行计算确定。

g.对步骤f所生成的太阳能电站初始模型重新进行阴影计算，其中阴影计算方法通步骤c中的阴影预计算方法。

h.当计算得出的阴影分布不满足要求时，重复步骤f-g，对太阳能组件进行重新布置和阴影计算；当计算得出的阴影分布满足要求时，即可确定太阳能电站最终模型。

实施例

例如，需要在纬度

为39°的位置建设一个太阳能电站，太阳能电站建设区域中有一棵树，高度D为5米，计算该树在1月1日上午9点在北方向上的阴影。

首先，根据公式δ＝23.45sin(360*(1+284)/365)计算得出1月1日的赤纬角δ＝-23.0116°；

其次，将δ＝-23.0116°，时角＝45°，带入下式

α＝arcsin(sin 39°*sin 23.0116°+cos39°cos 23.0116°cos 45°)

计算太阳高度角α＝15.05726°；

再将计算得出的赤纬角δ、时角ω和太阳高度角α带入下式

γ＝arcsin(cos 23.0116°*sin45°/cos15.05726°)

计算得出太阳方位角γ＝42.37492°；

将太阳高度角α＝15.05726°和障碍物高度D带入公式L＝5/tan(15.05726°)，计算得出树的阴影长度L＝18.58594m；

最后，将太阳方位角γ和树的阴影长度L带入公式

L_N＝18.58594*cos(42.37492°)

计算得出树在北方向的阴影长度L_N.＝13.73037m。

其他障碍物的阴影预计算和初始模型建成后的阴影计算，都按照上述方法进行计算，以进一步保证太阳能电站中太阳能组件转换效率的最大化。

当太阳能电站较大，且太阳能组件较多时，对太阳能组件优化布置可采用批量布置形式，这种布置形式可节约时间，减少工作量。

计算机执行完本发明所述的各步骤后，可通过输出设备将分析过程中形成的中间结果以及分析过程结束后生成的太阳能电站最终模型进行输出。其中，中间结果包括太能能电站建设前期的三维地形图、标注有障碍物模型的三维地形图、原始情景阴影分布图、任一时刻阴影分布图、任一位置的阴影影响小时分布图、各太阳能组件的坐标表、高程信息表以及太阳能电站初始模型等。

Claims (7)

1.一种通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，基于GIS地理信息系统和三维技术，其特征在于包括以下步骤：

a.获取太阳能电站建设区域的地形数据，对地形数据进行拟合生成三角形或六边形网格，并依此绘制三维地形图；

b.采集太阳能电站建设区域内的障碍物数据，根据障碍物数据绘制障碍物模型，并标注在三维地形图上；

c.在步骤a和步骤b所确定的三维地形图和障碍物模型的基础上，进行阴影预计算，得出由于地形和障碍物影响而产生的全天候每一时段的阴影分布图；

d.采集太阳能组件的尺寸、连接型式以及太阳能组件的控制运行特性，绘制太阳能组件模型；

f.以步骤c和步骤d所确定的阴影分布图以及太阳能组件模型为基础，进行太阳能组件的优化布置，并生成太阳能电站初始模型；

g.对步骤f所生成的太阳能电站初始模型重新进行阴影计算；

h.当计算得出的阴影分布不满足要求时，重复步骤f-g，对太阳能组件进行重新布置和阴影计算；当计算得出的阴影分布满足要求时，即确定太阳能电站最终模型。

2.根据权利要求1所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：步骤c所述的阴影预计算和步骤g所述的阴影计算方法如下所述：

首先，根据公式δ＝23.45sin(360*(d_n+284)/365)计算得出每日的赤纬角δ；

其次根据赤纬角δ、时角ω和公式α＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφcosδcosω)，计算太阳高度角α；

根据太阳高度角α、赤纬角δ、时角ω以及公式γ＝arcsin(cosδ*sinω/cosα)，计算得出太阳方位角γ；

根据太阳高度角α、障碍物高度D和公式L＝D/tan(α)，计算得出障碍物的阴影长度L；

最后，根据障碍物的阴影长度L、太阳方位角γ以及公式L_N＝L*cos(γ)，计算得出障碍物在北方向的阴影长度L_N；

其中：d_n为一年中每日的顺序数；ω为时角；

为当地纬度；D为障碍物高度。

3.根据权利要求2所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：所述地形数据和障碍物数据的采集通过卫星遥感、航测或者现场实测获得。

4.根据权利要求2所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：步骤b中所述的障碍物包括房屋、树木和电力线塔，障碍物数据包括尺寸、高度、形状以及地理位置。

5.根据权利要求2所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：步骤d中所述的太阳能组件的控制运行特性包括固定支架、单轴跟踪、双轴跟踪、跟踪规律以及太阳能组件倾角。

6.根据权利要求2所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：步骤f中所述的优化布置包括太阳能组件的行列布置以及垂直于水平面的竖向布置，行列布置包括行列数目和间距大小，竖向布置根据地形以及各组件的高程进行计算确定。

7.根据权利要求1至6任一项所述的通过阴影分析建立太阳能电站模型的方法，其特征在于：进行太阳能组件优化布置时，对于数量较多的太阳能组件采用批量化布置形式。

Images