CN110162838B - 一种基于dem的山地光伏布置方案优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法及系统，包括以下步骤：S1：获取DEM数据文件；S2：坡度特征提取；S3：坡向特征提取；S4：光伏组件列阵间距计算；S5：布置区地形条件判断；S6：光伏布置区选取。以及实现其步骤的对应模块。基于坡度、坡向等指标信息能有助于山地光伏布置方案的优化，减少施工难度，提高施工效率，缩短建设周期。利用ArcGIS软件可制作出坡度、坡向分析图，并用不同颜色的图层表示不同的坡度、坡向值，这样可以清晰地了解地形的坡度、坡向变化，为不同坡度、坡向的土地开发利用提供规划设计依据。

Description

一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法及系统

技术领域

本发明属于山地光伏布置技术领域，具体涉及一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法及系统。

背景技术

随着全球对于清洁能源的不断重视，国家相关政策的持续支持，光伏产业规模不断扩大。目前，西北地区戈壁、沙漠、滩涂等地势平坦、面积较大，光伏建设条件优越的土地资源日趋减少，依靠农业、湖泊等建设条件稍差的土地资源逐渐成为建设光伏电站的主要资源，西南地区山地、丘陵等条件较差的土地在光伏建设领域中的地位也日益上升，山地光伏电站成为光伏领域中不可或缺的光伏电站模式之一。

目前，国外选择山地建设光伏电站的相对较少，已建成的山地光伏项目多数都在国内，例如云南永仁50MWp山地光伏项目、贵州威宁50MWp山地光伏项目等，但设计经验相对较少。本文通过已设计建设项目为例，利用基于数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)地形分析方法筛选出场区内地形条件相对较好的区域，对山地光伏布置方案进行进一步的优化应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，包括以下步骤：

S1：获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据；

S2：坡度特征提取；

S3：坡向特征提取；

S4：筛选光伏布置区；

S5：光伏组件列阵间距计算；

S6：确立光伏布置方案。

进一步地，所述步骤S2中，坡度表述为空间某点的切平面与水平面的夹角，表示该点所在切平面的倾斜程度，其数学表达式为：

其中，

分别表示该点高差为在x,y方向上的偏导数。

进一步地，所述步骤S3中，坡向表述为空间某点切平面外法线的朝向，利用ArcGIS软件在ArcGIS中提取坡向的公式为：

Aspect＝Slope_y/Slope_x

其中Aspect为坡向方位角，slope x为x方向上的坡度，slope y为y方向上的坡度。

进一步地，所述步骤S4中，筛选坡度在20°以内的区域。

进一步地，所述步骤S4中，筛选坡向在112.5°-247.5°之间的区域。

进一步地，所述步骤S5光伏组件列阵间距计算方法包括构建方位图，方位图的方位坐标中设有需设置光伏阵列坡面的坡度以及全年照射产生最长影子时刻的太阳方位角；

计算坡度在太阳方位角方向的分量、横坐标上的分量和纵坐标上的分量；

基于坡度分量和相邻光伏阵列的几何关系，计算光伏阵列间距。

进一步地，坡度分量的计算公式为，

当

时，

当

时，

当

时，

其中，θ为太阳方位角，

为坡向，λ为坡度，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，λ″为坡度在横坐标的分量，λ″′为坡度在纵坐标的分量。

进一步地，光伏阵列间距的计算公式为，

当

时，

D＝Lcosβ+H′[sinλ′+cosλ′/tan(α+λ′)]cosλ′cosθ

当

时，

当

时，

其中，D为光伏阵列间距，θ为太阳方位角，

为坡向，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，H′为光伏阵列竖直高度，β为光伏阵列倾斜角，L为光伏阵列倾斜面长度，α为太阳高度角。

进一步地，一种基于DEM的山地光伏布置方案优化系统，包括：

获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据模块；

坡度特征提取模块；

坡向特征提取模块；

筛选光伏布置区模块；

光伏组件列阵间距计算模块；

确立光伏布置方案模块。

本发明具有的有益效果：

1.基于坡度、坡向等指标信息能有助于山地光伏布置方案的优化，减少施工难度，提高施工效率，缩短建设周期。

2.利用ArcGIS软件可制作出坡度、坡向分析图，并用不同颜色的图层表示不同的坡度、坡向值，这样可以清晰地了解地形的坡度、坡向变化，为不同坡度、坡向的土地开发利用提供规划设计依据。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是光伏列阵示意图；

图3是本发明不同坡度、坡向情况下的光伏阵列间距表；

图4光伏布置区坡向分布图；

图5光伏布置区坡度分布图；

图6为本发明的光伏阵列间距计算方法流程图；

图7为第一种情况的方位图；

图8为第一种情况光伏阵列左视图；

图9为第一种情况光伏阵列后视图；

图10为第二种情况的方位图；

图11为第二种情况光伏阵列左视图；

图12为第二种情况光伏阵列后视图；

图13为第三种情况的方位图；

图14为第三种情况光伏阵列左视图；

图15为第三种情况光伏阵列后视图；

图16为光伏阵列间距随坡向变化的走势图。

附图标记：

无

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，包括以下步骤：

S1：获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据；

S2：坡度特征提取；

S3：坡向特征提取；

S4：光伏组件列阵间距计算；

S5：布置区地形条件判断；

S6：光伏布置区选取。

地面坡度即地面在一个方向上的高程变化率。步骤S2利用ArcGIS软件可以快速计算分析得到一块地形的坡度分布图，还可以根据坡度值大小换算成颜色灰度值，用渐变的颜色简单直观地表示地面坡度变化情况。

坡度可以表述为空间某点的切平面与水平面的夹角，表示该点所在切平面的倾斜程度。

其数学表达式为：

其中，

分别表示该点高差为在x,y方向上的偏导数。

坡度可以直观地表现为地表坡面的倾斜程度，坡度对山地光伏设计、施工有很大的影响，它是影响光伏阵列间距变化的一个重要因素，另外它能从侧面表现山地光伏项目的施工难度，坡度越大，施工难度越大。

坡向可以表述为空间某点切平面外法线的朝向。

步骤S3在ArcGIS中提取坡向的公式为：

Aspect＝Slope_y/Slope_x

其中Aspect为坡向方位角，slope x为x方向上的坡度，slope y为y方向上的坡度。ArcGIS软件中，将正北方向定义为方位角0°，以顺时针方向，每隔45°定义一个朝向，其中-22.5°～22.5°定义为北向。ArcGIS默认按照坡向方位角将坡向划分为东、南、西、北、东北、东南、西北、西南及无坡9个坡向。通常情况将南坡、东南坡、西南坡统称为阳坡，而将北坡、东北坡、西北坡统称为阴坡。山地光伏通常选择建设在阳坡，在阳坡土地资源较少的情况，可以适量选择不受山体自身阴影遮挡的阴坡。

坡向是坡度变化比率最大值所在的方向，是一个重要的地形因素，关系着每一部分地球表面所接收太阳光的强弱，及接收太阳照射时间长短，也是影响光伏阵列间距变化的一个重要因素。

如图2所示，山地光伏项目场区占地面积较大，一般50MW容量占地1500-2000亩。光伏场区施工要求相对较低，为保证不对山地有较大扰动，一般不会进行较大面积的场地平整工作。若山坡倾角较大，机械设备无法进场作业，施工过程中人员、设备的危险性也较高。当前国内用于光伏项目施工的山地履带式机械最大安全作业倾角不超过25°，山地轮式机械最大安全作业倾角不超过15°。在已提供的地形图区域内筛选出满足机械作业环境的土地，是每一个山地光伏项目进行中至关重要的一步。

根据实际工程经验，坡度在0-5°范围内，不会因坡度问题导致施工难度增加；坡度在5-10°范围内，施工难度会有增加，相较于平地，施工机械需要考虑一定的施工安全措施；坡度在10-15°范围内，轮式机械作业较为困难，需要采取一定辅助措施或用履带式机械替代轮式机械施工作业；坡度在15°-20°范围内，人工、机械施工难度明显上升，需采取有效措施保证施工安全；坡度在20-25°范围内，基本已达到机械作业环境极限，尽量采取人工作业替代大型机械作业以免出现机械侧翻等危险情况，人工作业时需采取安全措施；坡度大于25°，不宜施工。

为保证光伏阵列前后排在冬至日真太阳时9:00-15：00不存在相互遮挡现象，光伏阵列前后排间需预留一定的距离。对于山地光伏，朝向相同的山坡，坡度不同，组件前后排间需预留的距离也不同。以正南坡、正东坡为例，正南坡坡度越大，组件前后排预留间距越小。正东坡坡度越大，前后排预留间距越大。

以贵州威宁地区某山地光伏项目为例，项目所在地的经纬度为N26.98°、E103.77°，拟建项目区域的地形坡度在0-70°，坡向0-360°。选用的光伏组件边框尺寸为1650×992mm，光伏组件采用2×12的排列方式安装在光伏支架上，最佳倾角为23°，光伏组件朝向为正南。根据以上信息，适当考量施工难度，采用山地光伏阵列间距计算方法得到坡度在25°内对光伏阵列前后排间距，具体见表1。

表1不同坡度、坡向情况下的光伏阵列间距

由表1及图3可知，虽然光伏阵列间距计算时坡度已控制在20°以内，但是由于山体坡向不同，坡度在20°左右，0-360°坡向范围内的光伏阵列最大间距已达到24811.19mm，相较于平地光伏阵列间距5173.54mm，光伏阵列间距增加了约3.8倍。

因此，坡度大小可直接等同于施工难度大小，坡度越大，施工难度随之相应增大。

基于坡度、坡向(间距、施工难度)、区域的相邻程度(是否便于施工、运营管理)等方面对拟建光伏区地形进行有效分类，划分出资源价值等级，按照等级划分优先选用资源较好，便于统筹规划的区域进行优先布置，最终实现对光伏项目布置方案的优化。

如图4-5所示，该山地光伏项目光伏场区布置方案的坡度、坡向地形分布图，其中图4(a)、图5(a)为该山地光伏项目可研阶段的光伏布置方案的坡度、坡向分布图，由图可知，可研方案共计14个区，光伏布置区的坡向基本为东南、南、西南等阳坡为主，但布置区内存在30°以上的超限坡度；另外，该方案光伏布置区较为分散，不利于施工管理及运营期维护管理。

图4(b)、图5(b)为利用ArcGIS进行DEM地形分析优化后的光伏布置方案，与可研阶段方案相比，光伏布置区由原来的14个区优化到5个区，这有利于施工阶段的管理及运营期的维护管理。光伏布置区的坡向仍以东南、南、西南等阳坡为主，坡度也基本控制在20°左右。

通过后期实际的施工验证，优化后的布置方案分区较少，适合施工的统一管理。选取的布置区坡度较为合理，坡度基本控制在20°以内，能满足施工机械的作业环境；另外，布置区坡向选择控制在112.5°-247.5°之间，有效减小了组件南北中心间距，减少的土地征用量。

关于光伏阵列间距计算采用以下方法，如图6-图16，步骤1，构建方位图，方位图的方位坐标中设有需设置光伏阵列坡面的坡度以及全年照射产生最长影子时刻的太阳方位角。

按照《光伏发电站设计规范》GB50797-2012要求，光伏阵列各排各列的布置应保证全年9:00-15:00(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡，即冬至日当天9:00-15:00时段内前、后、左、右互不遮挡，只需保证冬至日当天9:00-15:00时段内光伏阵列不遮挡，即可保证全年内光伏阵列间互不遮挡。

步骤2，计算坡度在太阳方位角方向的分量、横坐标上的分量和纵坐标上的分量。

坡度分量的计算公式如下：

当

时，

当

时，

当

时，

其中，θ为太阳方位角，

为坡向，λ为坡度，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，λ″为坡度在横坐标的分量，λ″′为坡度在纵坐标的分量。

步骤3，基于坡度分量和相邻光伏阵列的几何关系，计算光伏阵列间距。

光伏阵列竖直高度的计算公式如下：

当

时，

H′＝(Lsinβ-Lcosβtanλ″)/cosλ″′

当

时，

H′＝(Lsinβ-Lcosβtanλ″)/cosλ″′

当

时，

H′＝(Lsinβ+Lcosβtanλ″)/cosλ″′

其中，H′为光伏阵列竖直高度，L为光伏阵列倾斜面长度，β为光伏阵列倾斜角。

光伏阵列间距的计算公式如下：

当

时，

D＝Lcosβ+H′[sinλ′+cosλ′/tan(α+λ′)]cosλ′cosθ

当

时，

当

时，

其中，D为光伏阵列间距，α为太阳高度角。

为了进一步说明上述方法，以坡向为偏东坡为例，随坡面布置的光伏阵列为研究对象，根据日照规律，此时在全年真太阳时9:00-15:00时间段内影子最长的时间为冬至日15:00的时候。

根据坡向可分以下几种情况：

第一种：

构建的方位图如图7所示，方位图以E方向为横坐标(横坐标正半轴表示方向为E，正半轴表示方向为W)，以N方向为纵坐标(纵坐标正半轴表示方向为N，正半轴表示方向为S)，从图中可以看出λ′<0，表面在θ方向上表现为偏南坡，λ″<0、λ″′>0表面坡向为东南坡，此时光伏阵列左视、后视图如图8、9所示。

根据图中标出的几何关系可得：

第二种：

构建的方位图如图10所示，从图中可以看出λ′>0，表面在θ方向上表现为偏北坡，λ″<0、λ″′>0表面坡向为东南坡，此时光伏阵列左视、后视图如图11、12所示。

根据图中标出的几何关系可得：

第三种：

构建的方位图如图13所示，从图中可以看出λ′>0，表面在θ方向上表现为偏北坡，λ″>0、λ″′>0表面坡向为东北坡，此时光伏阵列左视、后视图如图14、15所示。

根据图中标出的几何关系可得：

假设某地区20MW山地光伏电站项目，光伏场区占地面积较大，场内地形较为复杂，地势起伏不定，具体信息见表2。

表2项目基本信息

根据光伏阵列间距数学模型计算得到该地不同坡度、坡向的阵列间距，计算结果见表3，并由计算结果得到不同坡度条件下，光伏阵列间距随坡向变化的走势，如图16所示。

表3不同坡度、坡向情况下的光伏阵列间距(mm)

从表3中可以看出，利用本文的光伏阵列间距计算模型可以快速得到不同坡度、不同坡向条件下的阵列间距，这有利于全方位了解山地光伏项目区域内不同地形的光伏阵列间距，便于更精准地评估不同朝向地块的可利用性。

上述方法考虑了太阳方位角方向的坡度分量对光伏阵列影响，相较于传统的方法，更能精确的计算出不同坡向、坡度的情况下的光伏阵列间距，并且通过本发明得到了不同坡度情况下，光伏阵列间距随坡向变化的规律，能为今后的山地光伏项目前期选址及设计阶段经济性优化比选提供一种切实有效帮助。

一种基于DEM的山地光伏布置方案优化系统，包括：

获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据模块；

坡度特征提取模块，坡度表述为空间某点的切平面与水平面的夹角，表示该点所在切平面的倾斜程度，其数学表达式为：

其中，

分别表示该点高差为在x,y方向上的偏导数；

坡向特征提取模块，坡向表述为空间某点切平面外法线的朝向，利用ArcGIS软件在ArcGIS中提取坡向的公式为：

Aspect＝Slope_y/Slope_x

其中Aspect为坡向方位角，slope x为x方向上的坡度，slope y为y方向上的坡度；

筛选光伏布置区模块，筛选坡度在20°以内，坡向在112.5°-247.5°之间的区域设为光伏布置区。

光伏组件列阵间距计算模块，包括方位图构建模块：构建方位图，方位图的方位坐标中设有需设置光伏阵列坡面的坡度以及全年照射产生最长影子时刻的太阳方位角；

坡度分量计算模块：计算坡度在太阳方位角方向的分量、横坐标上的分量和纵坐标上的分量；

高度和间距计算模块：基于坡度分量和相邻光伏阵列的几何关系，计算光伏阵列间距。

其中，坡度分量计算模块计算坡度分量的公式为，

当

时，

当

时，

当

时，

其中，θ为太阳方位角，

为坡向，λ为坡度，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，λ″为坡度在横坐标的分量，λ″′为坡度在纵坐标的分量。

高度和间距计算模块计算光伏阵列间距的公式为，

当

时，

D＝Lcosβ+H′[sinλ′+cosλ′/tan(α+λ′)]cosλ′cosθ

当

时，

当

时，

其中，D为光伏阵列间距，θ为太阳方位角，

为坡向，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，H′为光伏阵列竖直高度，β为光伏阵列倾斜角，L为光伏阵列倾斜面长度，α为太阳高度角。

确立光伏布置方案模块。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据；

S2：坡度特征提取；

S3：坡向特征提取；

S4：筛选光伏布置区；

S5：光伏组件列阵间距计算；

S6：确立光伏布置方案；

所述步骤S5光伏组件列阵间距计算方法包括构建方位图，方位图的方位坐标中设有需设置光伏阵列坡面的坡度以及全年照射产生最长影子时刻的太阳方位角；

计算坡度在太阳方位角方向的分量、横坐标上的分量和纵坐标上的分量；

基于坡度分量和相邻光伏阵列的几何关系，计算光伏阵列间距；

坡度分量的计算公式为，

当

时，

当

时，

当

时，

其中，θ为太阳方位角，

为坡向，λ为坡度，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，λ″为坡度在横坐标的分量，λ″′为坡度在纵坐标的分量；

光伏阵列间距的计算公式为，

当

时，

D＝Lcosβ+H′[sinλ′+cosλ′/tan(α+λ′)]cosλ′cosθ

当

时，

当

时，

其中，D为光伏阵列间距，θ为太阳方位角，

为坡向，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，H′为光伏阵列竖直高度，β为光伏阵列倾斜角，L为光伏阵列倾斜面长度，α为太阳高度角。

2.根据权利要求1所述的一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，坡度表述为空间某点的切平面与水平面的夹角，表示该点所在切平面的倾斜程度，其数学表达式为：

其中，

分别表示该点高差为在x,y方向上的偏导数。

3.根据权利要求1所述的一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，坡向表述为空间某点切平面外法线的朝向，利用ArcGIS软件在ArcGIS中提取坡向的公式为：

Aspect＝Slope_y/Slope_x

其中Aspect为坡向方位角，slope x为x方向上的坡度，slope y为y方向上的坡度。

4.根据权利要求1所述的一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，筛选坡度在20°以内的区域。

5.根据权利要求4所述的一种基于DEM的山地光伏布置方案优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，筛选坡向控制在112.5°-247.5°之间的区域。

6.一种基于DEM的山地光伏布置方案优化系统，其特征在于，包括：

获取DEM数据文件中点位平面坐标数据及高程数据模块；

坡度特征提取模块；

坡向特征提取模块；

筛选光伏布置区模块；

光伏组件列阵间距计算模块；

确立光伏布置方案模块；

所述光伏组件列阵间距计算模块的计算方法包括构建方位图，方位图的方位坐标中设有需设置光伏阵列坡面的坡度以及全年照射产生最长影子时刻的太阳方位角；

计算坡度在太阳方位角方向的分量、横坐标上的分量和纵坐标上的分量；

基于坡度分量和相邻光伏阵列的几何关系，计算光伏阵列间距；

坡度分量的计算公式为，

当

时，

当

时，

当

时，

其中，θ为太阳方位角，

为坡向，λ为坡度，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，λ″为坡度在横坐标的分量，λ″′为坡度在纵坐标的分量；

光伏阵列间距的计算公式为，

当

时，

D＝Lcosβ+H′[sinλ′+cosλ′/tan(α+λ′)]cosλ′cosθ

当

时，

当

时，

其中，D为光伏阵列间距，θ为太阳方位角，

为坡向，λ′为坡度在太阳方位角方向的分量，H′为光伏阵列竖直高度，β为光伏阵列倾斜角，L为光伏阵列倾斜面长度，α为太阳高度角。

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