CN111783298A - 一种智能光伏设计系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能光伏设计系统及方法，此系统包括场地输入模块，用于输入场地图纸；阴影计算模块，用于自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；组串计算模块，用于根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；阵列布置模块，用于根据阴影计算模块输出的阴影区域以及组串计算模块输出的不同规格光伏组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；阵列比较模块，用于计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。本发明具有自动化程度高、设计效率高等优点。

Description

一种智能光伏设计系统及设计方法

技术领域

本发明涉及光伏技术领域，具体涉及一种智能光伏设计系统及设计方法。

背景技术

光伏电站的前期设计方案的优劣关系到电站建设及运维成本，好的设计方案需要对组件布置，设备选型进行多种方案比较，而目前大部分的设计都需要设计师人工对组件选型及布置进行选择并设计，最终从多种方案中选择最佳设计方案，方案比对过程涉及阴影分析，组件阵列布置，组串数目优化，线缆选型，逆变器及汇流箱选择，工作量巨大，耗时较长且出错率高。而光伏电站建设周期短，时间紧，一般要求设计图纸在最短时间内完成，因此需要在最短时间内完成设计方案确定。

现有的设计方法一般是设计师根据项目场地表面情况设计光伏阵列，根据相关规范计算障碍物阴影及阵列前后间距，然后通过CAD等软件绘制组件阵列统计容量。近年来部分厂家基于sketchup软件开发辅助设计插件，该插件主要用于光伏建筑一体化设计，该插件能够计算不规则屋面的太阳能辐照分布，选择最佳辐照区域，提供给设计师参考，也能对简单的平面屋顶进行初步组件布置，计算可布置的组件数量。但是现有的基于sketchup软件开发的辅助设计插件主要用于建筑光伏领域，插件无法自动计算阴影区域，因此在组件自动排布过程中，可能会造成组件阴影遮挡。另外也无法基于AI人工智能算法计算组件在不同排列方式下可布置的容量及成本，并选择最佳的布置方案，sketchup插件主要用于建筑光伏领域，项目容量较小，不适合应用于大型地面电站。

此外，目前PVsyst软件在光伏行业应用也比较广泛，PVsyst是一款计算光伏系统发电量的模拟软件，可以根据输入的气象条件、光伏组件、逆变器、阴影模型等参数，得到该条件下的年发电量，一般用于光伏系统的设计与优化。PVsyst软件主要用于光伏系统的建模和仿真，设备选择及容量大小均为软件输入参数，因此PVsyst无法实现多种方案的自动比选计算，获得最佳方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种自动化程度高、设计效率高的智能光伏设计系统及设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种智能光伏设计系统，包括场地输入模块、阴影计算模块、组串计算模块、阵列布置模块和阵列比较模块；

所述场地输入模块，用于输入场地图纸；其中场地图纸中包括障碍物信息以及场地经纬度坐标；

所述阴影计算模块，用于自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；

所述组串计算模块，用于根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；

所述阵列布置模块，用于根据阴影计算模块输出的阴影区域以及组串计算模块输出的不同规格光伏组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；

所述阵列比较模块，用于计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括逆变器配置模块，用于在成本最优方案的基础上，根据光伏区容量大小及设备技术参数自动完成逆变器选型及布置。

还包括汇流箱配置模块，用于在成本最优方案的基础上，根据光伏区容量大小及设备技术参数自动完成汇流箱选型及布置。

还包括电缆选型及敷设模块，用于自动完成场区电缆选型及敷设，输出最终方案图纸。

所述阵列比较模块中嵌入有不同AI算法，用于针对用户布置及不同的组合方案，选择对应的AI算法进行计算，得到最优结果。

本发明还公开了一种如上所述的智能光伏设计系统的设计方法，包括步骤：

1)所述场地输入模块，输入场地图纸；其中场地图纸中包括障碍物信息以及场地经纬度坐标；

2)所述阴影计算模块，自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；

所述组串计算模块，根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；

3)所述阵列布置模块，根据阴影计算模块输出的阴影区域以及组串计算模块输出的不同规格组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；

4)所述阵列比较模块，计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤2)中，阴影计算模块绘制阴影区域的具体步骤为：

2.1)首先，阴影计算模块对项目场地图纸进行网格化处理；

2.2)根据场地经纬度坐标，计算获得场地预定时段的太阳高度角α及范围角β；

2.3)计算障碍物的预定时段的阴影长度L＝h/tgα、阴影在南北方向的投影长度h/tgα*cosβ、以及阴影在东西方向投影长度h/tgα*sinβ；其中h为障碍物高度；

2.4)计算障碍物阴影所占南北方向的网格个数h/tgα*cosβ/d，以及所占东西方向网格个数为h/tgα*sinβ/d，将阴影所占网格全部标注；其中网格间距为d。

所述步骤3)的具体过程为：

3.1)所述阵列布置模块将组件阵列投影到场地图纸表面，计算组件阵列所占网格数；

3.2)将组件阵列前后间距转换为网格数目，将可利用区域用组件阵列填充，统计填充的组件阵列数目。

步骤4)的具体过程为：

4.1)针对用户布置需求及多种不同的组合方案，通过选择对应的AI算法进行计算；

4.2)通过对应AI算法进行计算并选择成本最优结果；若无法得到最佳结果，则通过人工处理输出最佳方案。

在步骤1)中，障碍物信息包括障碍物大小及高度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过输入项目场地图纸信息，通过阴影计算模块自动对场地自动进行阴影计算及绘制，并通过阵列布置模块根据用户要求自主完成场地内光伏区组件布置，再通过阵列比较模块(内嵌不同AI算法)选取最佳型号组件及排布方式，最终输出图纸；整个设计及比较过程均计算机内部实现，因此能够大幅节省前期设计时间，自动化程度高、设计效率高。另外，本发明根据逆变器以及汇流箱的选型标准，通过逆变器配置模块、汇流箱配置模块和电缆选型及敷设模块完成逆变器和汇流箱自动选型，并最终完成厂区电缆布线，形成项目设备清单及成本估算，整个过程自动化程度高、效率高。

本发明中阵列比较模块中内嵌有不同AI算法，能够针对不同场地等要求采用匹配的AI算法，实现最优化布置；其中AI算法自动化程度高且出错率低；而且可通过升级算法及开发新算法，实现软件升级及功能扩展。本发明具备省时、可升级、兼容性强等优点，不仅适用于建筑屋顶，也适用于地面及山地光伏电站等。

附图说明

图1为发明的系统在实施例的方框结构图。

图2为本发明中障碍物阴影计算分析图。

图3为本发明中阵列布置示意图。

图4为本发明中阵列比较模块的工作流程图。

图例说明：1、场地输入模块；2、阴影计算模块；3、组串计算模块；4、阵列布置模块；5、阵列比较模块；6、逆变器配置模块；7、汇流箱配置模块；8、电缆选型及敷设模块；9、结果输出模块；10、光伏组件产品数据库；11、逆变器产品数据库。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的智能光伏设计系统，包括场地输入模块1、阴影计算模块2、组串计算模块3、阵列布置模块4和阵列比较模块5；

其中场地输入模块1为最初始的输入窗口(含有界面显示模块)，进行场地图纸的加载，场地图纸需标明场地内障碍物信息(包括大小及高度等)，并在输入窗口填入场地经纬度坐标，完成场地平面图纸输入后，再将处理完的场地图纸发送至阴影计算模块2；

阴影计算模块2，用于自动识别场地图纸中内部障碍物大小高度，结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段(如冬至日上午九点至下午三点)的阴影分布，并在平面图纸上绘制阴影区域；

组串计算模块3为与阴影计算模块2相并行的独立模块，用于根据场地输入模块1中的场地图纸中的经纬度从历史数据库中查询得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；阴影计算模块2及组串计算模块3结果作为阵列布置模块4的输入；

阵列布置模块4，用于根据上述输入结果，选择不同规格组件，分别进行横排或竖排等方式的布置，查询光伏组件产品数据库10，形成多种不同组合方案；

阵列比较模块5，用于计算不同组合方案下容量及支架用量，并输出成本最优方案。

本发明通过输入项目场地图纸信息，通过阴影计算模块2自动对场地自动进行阴影计算及绘制，并通过阵列布置模块4根据用户要求自主完成场地内光伏区组件布置，再通过阵列比较模块5(内嵌不同AI算法)选取最佳型号组件及排布方式，最终输出图纸；整个设计及比较过程均计算机内部实现，因此能够大幅节省前期设计时间。

本实施例中，还包括逆变器配置模块6、汇流箱配置模块7、电缆选型及敷设模块8和结果输出模块9。在光伏区布置最优方案确定后，将方案结果输出至逆变器配置模块6，逆变器配置模块6再根据光伏区容量大小及设备技术参数，查询逆变器产品数据库11，从而自动完成逆变器选型及布置；再将方案结果输出至汇流箱配置模块7，汇流箱配置模块7根据光伏区容量大小及设备技术参数自动完成汇流箱选型及布置；最后经电缆选型及敷设模块8完成场区电缆选型及敷设，经结果输出模块9输出最终方案图纸。其中图纸格式兼容CAD、sketchup等设计软件，便于设计人员在方案图纸上深化设计，形成最终施工图纸。

本发明根据逆变器以及汇流箱的选型标准，通过逆变器配置模块6、汇流箱配置模块7和电缆选型及敷设模块8完成逆变器和汇流箱自动选型，并最终完成厂区电缆布线，形成项目设备清单及成本估算，整个过程自动化程度高、设计效率高。

如图2所示，阴影计算模块2首先对项目场地图纸进行网格化处理，根据用户输入的经纬度坐标，计算获得项目地预定时段(如冬至日上午9点及下午3点)太阳高度角α及范围角β；假设屋顶障碍物高度为h，则阴影长度L＝h/tgα，阴影南北方向及东西方向投影长度分别为h/tgα*cosβ和h/tgα*sinβ，若网格间距为d，则障碍物阴影所占南北方向及东西方向网格个数为h/tgα*cosβ/d和h/tgα*sinβ/d，通过这种计算方法，可以将屋顶阴影所占网格全部标注，为下一部阵列布置提供条件。当然，在其它实施例中，也可以通过建立平面坐标系的方式获得阴影区域分布。

如图3所示，阵列布置模块4首先将组件阵列投影到场地图纸表面，计算组件阵列所占网格数，将组件阵列前后间距转换为网格数目，将可利用区域用阵列网格填充，同时统计填充数目，即可得出装机容量。

本实施例中，阵列比较模块5中嵌入有不同AI算法，例如在容量优先的情况下，软件会根据阴影模块结果，最大化布置光伏组件，获得屋顶最大可布置组件容量；在发电量优先模式下，软件会按当地最佳倾角布置光伏组件，实现最大发电量。针对用户布置需求及不同组合方案结果，进行计算并选择最优结果；若AI算法无法得到最佳结果，则可以人工处理输出最佳方案，如图4所示。由于阵列比较模块5中内嵌有不同AI算法，能够针对不同场地等要求采用匹配的AI算法，实现最优化布置；其中AI算法自动化程度高且出错率低；而且可通过升级算法及开发新算法，实现软件升级及功能扩展。

本发明具备省时、可升级、兼容性强等优点，不仅适用于建筑屋顶，也适用于地面及山地光伏电站等。

本发明还公开了一种如上所述的智能光伏设计系统的设计方法，包括步骤：

1)所述场地输入模块1，输入场地图纸；其中场地图纸中包括障碍物信息以及场地经纬度坐标；

2)所述阴影计算模块2，自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；

所述组串计算模块3，根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；

3)所述阵列布置模块4，根据阴影计算模块2输出的阴影区域以及组串计算模块3输出的不同规格组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；

4)所述阵列比较模块5，计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。

本实施例中，在步骤2)中，阴影计算模块2绘制阴影区域的具体步骤为：

2.1)首先，阴影计算模块2对项目场地图纸进行网格化处理；

2.2)根据场地经纬度坐标，计算获得场地预定时段的太阳高度角α及范围角β；

2.3)计算障碍物的预定时段的阴影长度L＝h/tgα、阴影在南北方向的投影长度h/tgα*cosβ、以及阴影在东西方向投影长度h/tgα*sinβ；其中h为障碍物高度；

2.4)计算障碍物阴影所占南北方向的网格个数h/tgα*cosβ/d，以及所占东西方向网格个数为h/tgα*sinβ/d，将阴影所占网格全部标注；其中网格间距为d。

本实施例中，步骤3)的具体过程为：

3.1)所述阵列布置模块4将组件阵列投影到场地图纸表面，计算组件阵列所占网格数；

3.2)将组件阵列前后间距转换为网格数目，将可利用区域用组件阵列填充，统计填充的组件阵列数目。

本实施例中，步骤4)的具体过程为：

4.1)针对用户布置需求及多种不同的组合方案，通过选择对应的AI算法进行计算；

4.2)通过对应AI算法进行计算并选择成本最优结果；若无法得到最佳结果，则通过人工处理输出最佳方案。

由于内嵌有不同AI算法，能够针对不同场地等要求采用匹配的AI算法，实现最优化布置；其中AI算法自动化程度高且出错率低；而且可通过升级算法及开发新算法，实现软件升级及功能扩展。

本发明通过输入项目场地图纸信息，自动对场地自动进行阴影计算及绘制，并根据用户要求自主完成场地内光伏区组件布置，并通过阵列比较模块5(内嵌不同AI算法)选取最佳型号组件及排布方式，最终输出图纸；图纸格式兼容CAD、sketchup等设计软件，便设计人员在方案图纸上深化设计，形成最终施工图纸；由于设计及比选均为计算机内部计算过程，因此能够大幅节省前期设计时间。另外方案的比选是采用不同的AI算法计算实现，出错率低；另外可通过升级算法及开发新算法，实现软件升级及功能扩展。本发明具备省时、可升级、兼容性强等优点，不仅适用于建筑屋顶，也适用于地面及山地光伏电站，能够针对不同场地采用不同的AI算法，实现最优化布置。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能光伏设计系统，其特征在于，包括场地输入模块(1)、阴影计算模块(2)、组串计算模块(3)、阵列布置模块(4)和阵列比较模块(5)；

所述场地输入模块(1)，用于输入场地图纸；其中场地图纸中包括障碍物信息以及场地经纬度坐标；

所述阴影计算模块(2)，用于自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；

所述组串计算模块(3)，用于根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；

所述阵列布置模块(4)，用于根据阴影计算模块(2)输出的阴影区域以及组串计算模块(3)输出的不同规格光伏组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；

所述阵列比较模块(5)，用于计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。

2.根据权利要求1所述的智能光伏设计系统，其特征在于，还包括逆变器配置模块(6)，用于在成本最优方案的基础上，根据光伏区容量大小及设备技术参数自动完成逆变器选型及布置。

3.根据权利要求2所述的智能光伏设计系统，其特征在于，还包括汇流箱配置模块(7)，用于在成本最优方案的基础上，根据光伏区容量大小及设备技术参数自动完成汇流箱选型及布置。

4.根据权利要求3所述的智能光伏设计系统，其特征在于，还包括电缆选型及敷设模块(8)，用于自动完成场区电缆选型及敷设，输出最终方案图纸。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的智能光伏设计系统，其特征在于，所述阵列比较模块(5)中嵌入有不同AI算法，用于针对用户布置及不同的组合方案，选择对应的AI算法进行计算，得到最优结果。

6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的智能光伏设计系统的设计方法，其特征在于，包括步骤：

1)所述场地输入模块(1)，输入场地图纸；其中场地图纸中包括障碍物信息以及场地经纬度坐标；

2)所述阴影计算模块(2)，自动识别场地图纸中障碍物信息，并结合场地经纬度坐标，计算障碍物在预定时段的阴影分布，并绘制阴影区域；

所述组串计算模块(3)，根据场地图纸中的经纬度得到场地历史年最高及最低温度，计算得到不同规格光伏组件串联数目范围；

3)所述阵列布置模块(4)，根据阴影计算模块(2)输出的阴影区域以及组串计算模块(3)输出的不同规格组件串联数目范围，选择不同规格的组件，分别进行不同方式的布置，形成多种不同的组合方案；

4)所述阵列比较模块(5)，计算不同组合方案下的容量及支架用量，并输出成本最优方案。

7.根据权利要求6所述的智能光伏设计系统的设计方法，其特征在于，在步骤2)中，阴影计算模块(2)绘制阴影区域的具体步骤为：

2.1)首先，阴影计算模块(2)对项目场地图纸进行网格化处理；

2.2)根据场地经纬度坐标，计算获得场地预定时段的太阳高度角α及范围角β；

2.3)计算障碍物的预定时段的阴影长度L＝h/tgα、阴影在南北方向的投影长度h/tgα*cosβ、以及阴影在东西方向投影长度h/tgα*sinβ；其中h为障碍物高度；

2.4)计算障碍物阴影所占南北方向的网格个数h/tgα*cosβ/d，以及所占东西方向网格个数为h/tgα*sinβ/d，将阴影所占网格全部标注；其中网格间距为d。

8.根据权利要求6或7所述的智能光伏设计系统的设计方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程为：

3.1)所述阵列布置模块(4)将组件阵列投影到场地图纸表面，计算组件阵列所占网格数；

3.2)将组件阵列前后间距转换为网格数目，将可利用区域用组件阵列填充，统计填充的组件阵列数目。

9.根据权利要求6或7所述的智能光伏设计系统的设计方法，其特征在于，步骤4)的具体过程为：

4.1)针对用户布置需求及多种不同的组合方案，通过选择对应的AI算法进行计算；

4.2)通过对应AI算法进行计算并选择成本最优结果；若无法得到最佳结果，则通过人工处理输出最佳方案。

10.根据权利要求6或7所述的智能光伏设计系统的设计方法，其特征在于，在步骤1)中，障碍物信息包括障碍物大小及高度。

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