CN105760590A - 一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，包括：步骤1，获取建筑模型以及建筑模型所处的地理位置属性；步骤2，依据建筑模型的地理位置属性，确定光伏设备的可铺设区域；步骤3，依据建筑模型的地理位置属性以及光伏设备参数，计算光伏阵列的安装间距初值；步骤4，建立单位电能的静态投资目标函数；步骤5，调整光伏阵列间距，使单位电能的静态投资最小，单位电能的静态投资最小对应的光伏阵列间距即为光伏设备的实际铺设间距。本发明提供的优化方法，通过调整光伏阵列间距，在有限的区域内铺设更多的光伏设备，使得发电总量增加，降低单位电能的静态投资。

Description

一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法。

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。

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，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非常复杂。光伏建筑设计过程中，待铺设区域很多情况下是固定的，采用经验性公式，不能充分利用建筑表面空间。

公告号为CN102163341B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，采用光伏阵列间距的的经验性公式计算阴影长度，并未考虑光伏阵列间距的优化。

公开号为CN103559738A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，但是在光伏设备铺设过程中所采用的采样阴影长度计算公式也未考虑优化光伏阵列的间距。

公开号为CN104281741A的中国专利文献公开了一种光伏组件倾角和阵列间距交叉反馈多因素综合计算方法，包括以下步骤：组件倾角初算；阵列间距初算；阵列间距优化；组件倾角优化等四个步骤。该发明虽然提出了一种以追求发电效益最大化为目标，合理确定组件倾角和阵列间距的综合计算方法，但是在此过程中，尚未考虑固定场地受限情况下，屋顶式光伏设备的铺设。

发明内容

本发明提供了一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距的优化方法，使得在屋顶有限铺设区域内，通过调整光伏阵列间距，铺设更多的光伏设备，使得发电总量增加，降低单位电能的静态投资，缩短光伏设备的投资回报期，同时可以实现建筑表面待铺设区域的最大效益。

本发明的技术方案如下：

一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，包括：

步骤1，获取建筑模型以及建筑模型所处的地理位置属性。

建筑模型所处的地理位置属性至少包括建筑模型所处的经度、维度、太阳高度角。

所述的建筑模型使用的光伏设备(即光伏发电设备)可以采用现有技术中各种形式的光伏设备，例如，光伏板、光伏瓦等。

地理位置属性依据建筑模型所在的经度和纬度确定，可以直接从建筑模型中获取，也可以手动设定。

步骤2，依据建筑模型的地理位置属性，确定光伏设备的可铺设区域。

依据建筑模型，判断出光伏设备中有效的光照接收面(即待铺设区域)，相应地获得光照接收面的形状以及尺寸信息。将一段连续的时间划分为等时长的若干时间片，将光照接收面划分为若干网格，利用射线法逐时间片判断每个网格是否被障碍物遮挡，也即判断每个网格在每个时间片内是否被遮挡并进行辐射统计分析。

设定光伏设备辐射量的阀值，选定待铺设区域中辐射量大于阀值的点作为可铺设区域，完成光伏设备的铺设。

步骤3，依据建筑模型的地理位置属性以及光伏设备参数，计算光伏阵列的安装间距初值。

安装间距初值为光伏设备铺设时的相邻两排的间距。作为优选，所述安装间距初值的计算步骤如下：

3-1、根据如下公式计算赤纬角δ_(n)：

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

3-2、根据如下公式计算太阳高度角α_(nt)：

3-3、根据如下公式计算太阳方位角μ_(nt)：

3-4、根据如下公式计算所述安装间距初值L：

L＝H/tan(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为前排光伏设备或遮挡物最高点与后排光伏设备最低点的高度差。

如果光伏设备平放在待铺设区域，前排光伏设备高度为零，则安装间距初值L为零。

步骤4，建立单位电能的静态投资目标函数如下：

C＝[PV(ρ)+R+M]/{P(ρ,α)*[1-S(ρ,α)]}

式中，C表示单位电能的静态投资，ρ表示光伏阵列间距；PV(ρ)表示在光伏阵列间距为ρ下的光伏系统投资；R代表场地租金；M表示光伏线路成本；P(ρ,α)代表在光伏阵列间距为ρ，安装倾角为α下的年光伏发电量；S(ρ,α)代表阴影遮挡率。

本发明在进行光伏阵列间距的优化时，根据待铺设区域的阴影辐射情况，综合考虑光伏阵列受建筑影响的阴影损耗、光伏阵列的阴影损耗、屋顶租用成本、光伏阵列可装机容量和总发电量，确定光伏设备的最优间距和排列，以使得单位电能的静态投资最小。

步骤5，调整光伏阵列间距，使单位电能的静态投资最小，单位电能的静态投资最小对应的光伏阵列间距即为光伏设备的实际铺设间距。

依据下式计算光伏阵列间距ρ：ρ＝L*θ；

式中：L为光伏阵列的安装间距初值；

θ为间距调整系数。

步骤5中，设定间距调整系数的可调区间，在可调区间内依据设定的步长通过枚举法计算不同间距调整系数对应的单位电能的静态投资，获得最小的单位电能的静态投资。

作为优选，间距调整系数的可调区间为0.7～1.1。间距调整系数的调整步长为0.05。

本发明提供的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距的优化方法，使得在屋顶有限铺设区域内，通过调整光伏阵列间距，铺设更多的光伏设备，使得发电总量增加，降低单位电能的静态投资，缩短光伏设备的投资回报期，同时可以实现建筑表面待铺设区域的最大效益。

附图说明

图1为本发明基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法的流程图；

图2为实施例所使用的建筑模型的示意图；

图3为实施例中建筑模型辐射分析结果；

图4为优化间距后铺设结果及阴影分析结果示意图。

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。

一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)获取建筑模型，以及该建筑模型所处的地理位置属性。

本实施例利用BIM软件获取建筑信息模型以及对应的地理位置属性，建筑模型如图2所示，该建筑信息模型所处地理位置为东经120.76°，北纬30.07°。

(2)对待铺设区域进行阴影分析。

选定建筑的屋顶作为待铺设区域，对其进行阴影分析，阴影分析结果如图3所示。图3中深色区域为未遮挡区域，浅色区域为严重遮挡区域。

本实施例中设定可铺设区域的辐射量阀值为14.5MJ/(m²*day)，在大于该辐射量阀值的区域进行光伏板的铺设。

(3)选择待铺设区域。

建立单位电能的静态投资目标函数，优化光伏阵列安装间距。根据待铺设表面的阴影辐射情况，综合考虑光伏阵列受建筑影响的阴影损耗、阵列阴影损耗、屋顶租用成本、光伏阵列可装机容量和总发电量，确定光伏组件的最优间距和排列方式，使得单位电能的静态投资最小。

建立静态投资目标函数如下：

C＝[PV(ρ)+R+M]/{P(ρ,α)*[1-S(ρ,α)]}

式中，C表示单位电能的静态投资；ρ表示光伏间距；PV(ρ)表示在光伏间距为ρ下的光伏系统投资；R代表场地租金；M表示光伏线路成本，由于本实例中采用的建筑模型较小，所以光伏线路成本忽略不计；P(ρ,α)代表在前后排间距为ρ，安装倾角为α下的年光伏发电量，S(ρ,α)代表阴影遮挡率。

(4)计算光伏板的排间距初值L。

本实施例中采用的光伏设备为光伏板，根据步骤(1)确定的建筑模型地理位置属性，计算光伏板的排间距初值L。

计算排间距初值L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初值L：

L＝H/tan(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为前排光伏板或其他遮挡物最高点与后排光伏板最低点的高度差，如果光伏板平放在待铺设区域，前排光伏板高度为零，则排间距初值L为零。

本实施例中光伏板倾角为30°，光伏板为正方形，光伏板的边长为3650mm，单排铺设，由公式得排间距初值L为1542mm。

(5)设置铺设间距系数调整范围为0.7-1.1，在此范围内调整光伏阵列间距系数，计算实际铺设间距ρ。

依据如下公式计算光伏阵列实际铺设间距ρ：

ρ＝L*θ；

L为光伏阵列的排间距初值；

θ为间距系数。

(6)通过枚举法进行间距系数调整，调整范围为0.7～1.1，步长为0.05，并计算不同间距系数下单位电能的静态投资C。不同间距系数下，单位电能静态投资对比如表1所示。

表1

由表1得出，最小单位电能的静态投资C为0.546元/kw·h，其对应的及实际铺设间距ρ为1388mm。

以最小单位电能静态投资C对应的实际铺设间距ρ为光伏阵列铺设间距，完成光伏板的铺设，如图4所示。由图4中可以看出，光伏板的排列为多排平行排列，排间距即为安装间距。

本实施例通过基于阴影分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，解决了复杂建筑表面的光伏阵列铺设问题，基于阴影辐射分析，获得优化的光伏板可铺设区域，综合考虑区域约束、设备间距、屋顶费用因素，构建了相应的优化铺设算法，获得单位发电成本最低的光伏阵列铺设方案，使得屋顶式光伏板在建筑表面的铺设成本更低。同时，在建筑模型中铺设，设计结果更加直观准确。

本实施例通过阴影分析确定光伏板铺设间距，对各光伏板进行全天候不同时段的阴影进行计算分析，充分考虑光伏板之间的阴影遮挡等因素，使光伏板达到最优化布置，既保证光伏板的科学化布置，又能使光伏板的转换效率最大化。本发明使太阳能光伏设备铺设成本更低，发电效率更高，具有广泛的应用前景。

以上仅列出了一种常见的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，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)

1.一种基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取建筑模型以及建筑模型所处的地理位置属性；

步骤2，依据建筑模型的地理位置属性，确定光伏设备的可铺设区域；

步骤3，依据建筑模型的地理位置属性以及光伏设备参数，计算光伏阵列的安装间距初值；

步骤4，建立单位电能的静态投资目标函数如下：

C＝[PV(ρ)+R+M]/{P(ρ，α)*[1-S(ρ，α)]}

式中，C表示单位电能的静态投资，ρ表示光伏阵列间距；PV(ρ)表示在光伏阵列间距为ρ下的光伏系统投资；R代表场地租金；M表示光伏线路成本；P(ρ，α)代表在光伏阵列间距为ρ，安装倾角为α下的年光伏发电量；S(ρ，α)代表阴影遮挡率；

步骤5，调整光伏阵列间距，使单位电能的静态投资最小，单位电能的静态投资最小对应的光伏阵列间距即为光伏设备的实际铺设间距。

2.如权利要求1所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，所述安装间距初值的计算步骤如下：

3-1、根据如下公式计算赤纬角δ_(n)：

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

3-2、根据如下公式计算太阳高度角α_(nt)：

3-3、根据如下公式计算太阳方位角μ_(nt)：

3-4、根据如下公式计算所述安装间距初值L：

L＝H/tan(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为前排光伏设备或遮挡物最高点与后排光伏设备最低点的高度差。

3.如权利要求2所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，依据下式计算光伏阵列间距ρ：

ρ＝L*θ

式中：L为光伏阵列的安装间距初值；

θ为间距调整系数。

4.如权利要求3所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，步骤5中，设定间距调整系数的可调区间，在可调区间内依据设定的步长通过枚举法计算不同间距调整系数对应的单位电能的静态投资，获得最小的单位电能的静态投资。

5.如权利要求4所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，间距调整系数的可调区间为0.7～1.1。

6.如权利要求5所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，间距调整系数的调整步长为0.05。

7.如权利要求6所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，建筑模型所处的地理位置属性至少包括建筑模型所处的经度、维度、太阳高度角。

8.如权利要求7所述的基于阴影辐射分析的屋顶式光伏阵列间距优化方法，其特征在于，设定光伏设备辐射量的阀值，辐射量大于阀值的点作为可铺设区域。