CN105022867A - 一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，包括以下步骤：建立建筑信息模型，获取其属性；选择光伏设备，获取其属性；选择待铺设区域，建立UVW坐标系，获取待铺设区域边界坐标；计算光伏设备的排间距；在待铺设区域内选择铺设起点；确定待铺设点的UVW坐标，如可以确定，进行下一步骤，否则结束铺设；将UVW坐标转换为项目坐标系下的坐标并进行光伏设备的自动铺设，然后继续确定待铺设点。本发明实现了光伏设备的自动铺设，工作量小，计算简单。提高光伏系统设计效率和准确度，设计结果更加直观准确。

Description

一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法。

背景技术

为降低建筑的能耗，促进光伏新能源的就地使用，研发人员提出了光伏建筑一体化的思路。通过将建筑与光伏相结合，使建筑从过去单纯的用电体变成发用电综合体。光伏与建筑的集成不仅减少了土地资源的浪费，还能就地发电，就地用电，大大提高了光伏发电的利用效率。

BIM是Building Information Modeling的缩写，中文一般译为建筑信息模型，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，建立建筑信息模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。自2002年以来，国际建筑行业兴起了围绕BIM为核心的建筑信息化应用，BIM已经成为了建筑行业的标准。BIM技术在太阳能光伏建筑设计上的运用，可以有效地解决太阳能光伏建筑一体化协同设计的问题与矛盾。建筑信息模型可以融合光伏设备数据、几何属性、太阳模型等信息。通过对太阳轨迹建模，使得准确的阴影分析和辐射分析成为可能；通过设备几何属性，位置信息可以进行光伏设备的阴影和辐射量分析，进行发电量估算等。数字化的建模使得使建筑师与光伏设计专业技术人员可以进行高效地协同设计。

然而，建筑的表面形式复杂，有平面、垂面、斜面等不同的光伏铺设面，以及光伏设备之间的间距计算严重依赖光伏铺设表面的特征，造成光伏在建筑上的铺设复杂。

特别是，在现有的BIM模型中，系统通常对于所有的元件用统一的XYZ三维笛卡尔坐标系来进行描述。然而，在光伏设备的铺设过程中如仅仅根 据项目坐标系XYZ很难直接判断该光伏设备当前位置是否位于待铺设区域边界内，也很难计算面上光伏设备间相对的间距。这使得目前的光伏设备在BIM模型中的铺设基本上采用手动完成，工作量大，计算复杂，也很难充分考虑光伏设备之间的阴影遮挡等因素。

公开号为CN 103440526 A的发明，公开了一种基于建筑信息模型的发电预测方法，包括如下步骤：收集建筑结构信息和建筑环境信息，按类别整理后建立建筑信息模型；根据待匹配建筑对应的功能，从建立的建筑信息模型中选择对应的光伏应用形式；根据光伏应用形式调用建立的光伏构件模型，调整相应的光伏构件参数，将光伏构件逐件在建立的建筑信息模型上进行配准，矢量化获取待匹配建筑对应的辐射分析模型；根据所述辐射分析模型，结合所述光伏构件模型中获取的组件信息，计算所述待匹配建筑上所配置的光伏构件典型气候下受到的逐时太阳辐射量；根据所述待匹配建筑上所配置的光伏构件受到的逐时太阳辐射量，结合所述光伏构建模型存储的光伏组件信息，将待匹配建筑中各光伏构件的逐时辐射量转换为实际产生的逐时电量，预测待匹配建筑的发电分布。

上述发明，虽然基于建筑信息模型进行预测，但是需要将光伏构建逐件进行配准，无法实现光伏设备的自动铺设，工作量大，计算复杂。

公开号为CN 102163341B的中国专利文献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。

该发明主要适用于基于地平面的光伏电站设计，无法适用于包括水平面、垂直平面、曲面等表面情况复杂的光伏建筑设计。

公开号为CN 103559738A的中国专利文献公开了一种山地光伏电站布置方法，包括以下步骤：应用Google地球软件和ArcGIS软件完成坡地建模，生成TIN地形图；通过日照分析软件对该山地区域的TIN地形图进行模拟计算；充分依托山地走势，沿山体布置光伏阵列，减少了支架用钢量以及占地面积；通过日照分析软件对该山地区域的TIN地形图进行阴影 轮廓分析，确定出阵列的定位点。

该发明虽然是一种山地光伏电站的布置方法，但是在光伏设备的如何在山地表面自动部署方面，并没有提出相应的解决方案。

因此，仍需要开发更加简单便捷的铺设方法。

发明内容

本发明提供一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法。该方法使得对待铺设区域的边界判定极大简化；实现了光伏设备的自动铺设计算简单、工作量小；使光伏设备在太阳能转换效率最大化的同时，节省空间。同时可以提高光伏系统设计效率和准确度，设计结果更加直观准确。

本发明的技术方案如下：

一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，

依次包括以下步骤：

(1)建立建筑信息模型，获取所述建筑信息模型的属性；

(2)选择光伏设备，获取所述光伏设备的属性；

(3)选择所述建筑信息模型的待铺设区域，建立UVW坐标系，获取待铺设区域在UVW坐标系下的边界坐标；

(4)计算所述光伏设备的排间距Ls；

(5)在待铺设区域内选择铺设起点；

(6)根据步骤(2)确定的所述光伏设备的属性、步骤(4)所述排间距Ls、步骤(5)确定的铺设起点和已铺设光伏设备的参数，确定待铺设点的UVW坐标，如可以确定，转到步骤(7)，否则结束铺设；

(7)将步骤(6)确定的UVW坐标转换为项目坐标系下的坐标；

(8)根据步骤(7)所确定的项目坐标系下的坐标，进行所述光伏设备的自动铺设，铺设完成后，转到步骤(6)。

步骤(1)中，所述建筑信息模型的属性为建筑信息模型各表面大小等属性。

步骤(2)中，所述光伏设备的属性为光伏设备的尺寸信息以及设备 类型等属性。

所述排间距Ls为光伏设备铺设时相邻两排的间距。

所述已铺设光伏设备的参数为已铺设排的尺寸信息等属性。

所述待铺设点的UVW坐标是指在待处理排铺设光伏设备时所依据的坐标。

所述项目坐标系是指建筑信息模型所使用的坐标系。

本发明所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，可以实现自动铺设，计算简单，工作量小；通过构建基于待铺设区域的UVW坐标系，边界判定极大的简化；可以合理设置光伏设备的排间距，使光伏设备在太阳能转换效率最大化的同时，节省空间；同时通过结合建筑信息模型，对建筑物表面上所需的光伏设备进行自动铺设，提高光伏系统设计效率和准确度，设计结果更加直观准确。

优选地，步骤(1)中所述建筑信息模型基于BIM软件建立。 

基于BIM软件建立建筑信息模型，使步骤(1)更加简单快捷；可以提高光伏设备铺设的效率和准确度；同时直接在BIM模型中进行铺设，设计结果更加直观准确。

优选地，步骤(1)中，所述建筑信息模型的属性包括待铺设区域周围的其他遮挡物的属性。

根据其他遮挡物的属性，可以全面考虑光伏设备周围的环境，合理铺设光伏设备，使其转换效率更高。

进一步优选地，步骤(4)中，根据待铺设区域周围的其他遮挡物的属性和已铺设光伏设备的参数计算所述排间距Ls。

上述计算方法可以更科学地铺设光伏设备，使光伏设备的转换效率最大化，并节省空间。

优选地，步骤(4)中，计算所述排间距Ls的步骤如下： 

(4.1)根据如下公式计算赤纬角δ_(n)：

${\mathrm{\δ}}_{\left(n\right)}=23.45*\sin (360*\frac{n-81}{365});$

(4.2)根据如下公式计算太阳高度角α_(nt)：

(4.3)根据如下公式计算太阳方位角μ_(nt)：

(4.4)根据如下公式计算所述排间距Ls：

Ls＝H*tan^-1(α_(nt))*cos(μ_(nt)),

各式中：

n为年积日； 

为建筑信息模型所在的地理纬度；

t为当日的时间片的编号；

τ_(t)为太阳时角； 

H为垂直待铺设区域前排光伏设备或其他遮挡物最高点与后排组件最低位置的高度差，如果光伏设备平放在待铺设区域，前排光伏设备高度为零，则所述排间距Ls为零。

该计算方法能够对各光伏设备进行全天候不同时段的阴影进行计算分析，可以充分考虑光伏设备之间及其他遮挡物与光伏设备之间的阴影遮挡等因素，既保证太阳能光伏组件的科学化布置，又能使光伏设备的转换效率最大化。

优选地，步骤(6)中，所述待铺设点的UVW坐标的确定方法如下：

(6.1)根据步骤(2)确定的所述光伏设备的属性、步骤(4)所述排间距Ls、步骤(5)确定的铺设起点和已铺设光伏设备进行计算，如果待处理排区域的面积大于或等于所述光伏设备的面积且所述光伏设备的几何形状完全在待处理排区域内，计算确定该排待铺设点坐标，转到步骤(7)；如待处理排区域的面积小于所述光伏设备的面积或所述光伏设备的几何形状不能完全在待处理排区域内，则转到步骤(6.2)；

(6.2)判断是否存在未处理排，如果不存在，结束铺设，否则转到步骤(6.1)。

使用上述方法确定待铺设点，计算简单，工作量小。

优选地，步骤(7)中的项目坐标系为XYZ坐标系。

使用XYZ坐标系作为项目坐标系，使本发明通用性更高，与UVW坐标转换更为简单。

进一步优选地，步骤(7)中，利用如下公式将UVW坐标转换为XYZ坐标：

X＝X₀+U+ε_Z*V+ε_Y*W；

Y＝Y₀+V+ε_Z*U+ε_X*W；

Z＝W₀+W+ε_Y*U+ε_X*V；

式中：

X₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中X坐标；

Y₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Y坐标；

Z₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Z坐标；

ε_X、ε_Y、ε_Z为欧勒角： 

绕OW旋转ε_Z角，OU,OV旋转至OX,OY；

绕OY旋转ε_Y角，OX,OW旋转至OU,OZ；

绕OU旋转ε_X角，OY,OZ旋转至OV,OW。

使用上述方法将UVW坐标转换为XYZ坐标，计算简单，工作量小。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，通过构建基于待铺设区域的UVW坐标系，使得光伏设备在建筑表面的相对坐标计算，边界判定极大的简化。根据UVW坐标系与项目坐标系的转化，实现了光伏设备的自动铺设。可以合理设置光伏设备之间的间距，使光伏设备在太阳能转换效率最大化的同时，节省空间。同时，通过结合建筑信息模型，对建筑物表面上所需的光伏设备进行自动铺设，提高光伏系统设计效 率和准确度，设计结果更加直观准确。本发明使光伏设备铺设工作量小，计算简单，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法的流程图。

图2为坐标系转换示意图。

图3为建筑信息模型。

图4为所选的屋顶待铺设区域。

图5为铺设完成的表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)建立建筑信息模型。

本实例通过BIM软件建立建筑信息模型，如图3所示。获取该建筑信息模型的属性。该建筑信息模型建立在XYZ坐标系下。该建筑信息模型所处地理位置为东经30.77°，北纬120.76°。

(2)选择光伏设备类型。

在光伏设备库选择待铺设区域所需的光伏设备，获取该光伏设备尺寸信息，以及设备类型。本实施例中光伏设备采用光伏板，光伏设备的参数包括光伏板的尺寸信息(1800*1200mm)、倾斜角度(0°)等信息。

根据步骤(1)和步骤(2)所确定的信息判断出光伏设备有效的光照接收面，获得光照接收面的形状以及尺寸信息。

(3)选择待铺设区域。

选择建筑信息模型的待铺设区域，如图4所示。建立UVW坐标系，获取待铺设区域边界的UVW坐标，如图2所示。

(4)计算光伏设备的排间距Ls。

根据步骤(1)确定的建筑信息模型的属性和步骤(2)确定的光伏设备的属性，计算光伏设备的排间距Ls。

计算排间距Ls的步骤如下： 

(4.1)根据如下公式计算赤纬角δ_(n)：

${\mathrm{\δ}}_{\left(n\right)}=23.45*\sin (360*\frac{n-81}{365});$

(4.2)根据如下公式计算太阳高度角α_(nt)：

(4.3)根据如下公式计算太阳方位角μ_(nt)：

(4.4)根据如下公式计算排间距Ls：

Ls＝H*tan^-1(α_(nt))*cos(μ_(nt)),

各式中：

n为年积日； 

为建筑信息模型所在的地理纬度；

t为当日的时间片的编号；

τ_(t)为太阳时角； 

H为垂直待铺设区域前排光伏设备或其他遮挡物最高点与后排组件最低位置的高度差，如果光伏设备平放在待铺设区域，前排光伏设备高度为零，则排间距Ls为零。

(5)选择铺设起点。

(6)确定待铺设点坐标。

根据步骤(2)确定的光伏设备的属性、步骤(4)确定的排间距Ls和步骤(5)确定的铺设起点，确定待铺设点的UVW坐标，如可以确定，转到步骤(7)，否则结束铺设；

待铺设点的UVW坐标的确定方法如下：

(6.1)根据步骤(2)确定的光伏设备的属性、步骤(4)确定的排 间距Ls、步骤(5)确定的铺设起点和已铺设光伏设备进行计算，如果待处理排区域的面积大于或等于光伏设备面积且光伏设备几何形状完全在待处理排区域内，计算确定该排待铺设点坐标，转到步骤(7)；如待处理排区域的面积小于光伏设备面积或光伏设备几何形状不能完全在待处理排区域内，则转到步骤(6.2)。

(6.2)判断是否存在未处理排，如果不存在，结束铺设，否则转到步骤(6.1)。

(7)将步骤(6)确定的铺设坐标转换为XYZ坐标。

本项目实例中，欧勒角ε_X、ε_Y、ε_Z分别为0°、0°、45°，UVW坐标原点在XYZ坐标系的坐标为(10216,27736,15998)，将UVW坐标系转换为XYZ坐标系，UVW坐标系与XYZ坐标系装换公式如下：

$X=10216+U+\frac{\mathrm{\π}}{4}*V;$

$Y=27736+V+\frac{\mathrm{\π}}{4}*U;$

Z＝15998+W；

式中：

10216为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中X坐标；

27736为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Y坐标；

15998为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Z坐标；

ε_X、ε_Y、ε_Z为欧勒角： 

绕OW旋转45°角，OU,OV旋转至OX,OY；

绕OY旋转0°角，OX,OW旋转至OU,OZ；

绕OU旋转0°角，OY,OZ旋转至OV,OW；

(8)铺设光伏设备。

根据步骤(7)所确定的XYZ坐标，进行光伏设备的自动铺设，铺设完成后，转到步骤(6)。

最终铺设效果如图5所示。

本实施例的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，通过构建基于待铺设区域的UVW坐标系，使得光伏设备在建筑表面的相对坐标计算， 边界判定极大的简化。提供了UVW坐标系到XYZ的坐标系转化方法，根据XYZ坐标系实现了光伏设备的自动铺设。同时，通过将BIM模型和本自动化方法相结合，对建筑物表面上所需的光伏设备进行自动铺设，提高光伏系统设计效率和准确度，并且直接在BIM模型中铺设，设计结果更加直观准确。通过阴影分析确定光伏设备铺设间距，能够对各光伏设备进行全天候不同时段的阴影进行计算分析，可以充分考虑光伏设备之间的阴影遮挡等因素，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，又能使光伏设备的转换效率最大化。本发明使光伏设备铺设工作量小，计算简单，具有广泛的应用前景。

以上仅列出了一种常见的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：

依次包括以下步骤：

(1)建立建筑信息模型，获取所述建筑信息模型的属性；

(2)选择光伏设备，获取所述光伏设备的属性；

(3)选择所述建筑信息模型的待铺设区域，建立UVW坐标系，获取待铺设区域在UVW坐标系下的边界坐标；

(4)计算所述光伏设备的排间距Ls；

(5)在待铺设区域内选择铺设起点；

(6)根据步骤(2)确定的所述光伏设备的属性、步骤(4)所述排间距Ls、步骤(5)确定的铺设起点和已铺设光伏设备的参数，确定待铺设点的UVW坐标，如可以确定，转到步骤(7)，否则结束铺设；

(7)将步骤(6)确定的UVW坐标转换为项目坐标系下的坐标；

(8)根据步骤(7)所确定的项目坐标系下的坐标，进行所述光伏设备的自动铺设，铺设完成后，转到步骤(6)。

2.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(1)中所述建筑信息模型基于BIM软件建立。

3.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(1)中，所述建筑信息模型的属性包括待铺设区域周围的其他遮挡物的属性。

4.根据权利要求3所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(4)中，根据待铺设区域周围的其他遮挡物的属性和已铺设光伏设备的参数计算所述排间距Ls。

5.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(4)中，计算所述排间距Ls的步骤如下：

(4.1)根据如下公式计算赤纬角δ_(n)：

${\mathrm{\δ}}_{\left(n\right)}=23.45*\sin (360*\frac{n-81}{365});$

(4.2)根据如下公式计算太阳高度角α_(nt)：

(4.3)根据如下公式计算太阳方位角μ_(nt)：

(4.4)根据如下公式计算所述排间距Ls：

Ls＝H*tan^-1(α_(nt))*cos(μ_(nt))，

各式中：

n为年积日；

为建筑信息模型所在的地理纬度；

t为当日的时间片的编号；

τ_(t)为太阳时角；

H为垂直待铺设区域前排光伏设备或其他遮挡物最高点与后排组件最低位置的高度差，如果光伏设备平放在待铺设区域，前排光伏设备高度为零，则所述排间距Ls为零。

6.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(6)中，所述待铺设点的UVW坐标的确定方法如下：

(6.1)根据步骤(2)确定的所述光伏设备的属性、步骤(4)所述排间距Ls、步骤(5)确定的铺设起点和已铺设光伏设备进行计算，如果待处理排区域的面积大于或等于所述光伏设备的面积且所述光伏设备的几何形状完全在待处理排区域内，计算确定该排待铺设点坐标，转到步骤(7)；如待处理排区域的面积小于所述光伏设备的面积或所述光伏设备的几何形状不能完全在待处理排区域内，则转到步骤(6.2)；

(6.2)判断是否存在未处理排，如果不存在，结束铺设，否则转到步骤(6.1)。

7.根据权利要求1所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(7)中的项目坐标系为XYZ坐标系。

8.根据权利要求7所述的基于建筑信息模型的光伏设备自动铺设方法，其特征在于：步骤(7)中，利用如下公式将UVW坐标转换为XYZ坐标：

X＝X₀+U+ε_Z*V+ε_Y*W；

Y＝Y₀+V+ε_Z*U+ε_X*W；

Z＝W₀+W+ε_Y*U+ε_X*V；

式中：

X₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中X坐标；

Y₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Y坐标；

Z₀为UVW坐标系原点在XYZ坐标系中Z坐标；

ε_X、ε_Y、ε_Z为欧勒角：

绕OW旋转ε_Z角，OU，OV旋转至OX，OY；

绕OY旋转ε_Y角，OX，OW旋转至OU，OZ；

绕OU旋转ε_X角，OY，OZ旋转至OV，OW。