CN112560256B - 一种光伏组串最优间距计算系统和计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组串最优间距计算系统，包括：TIN图合并模块，所述TIN图合并模块将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β；太阳高度角计算模块；太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角计算模块；组串阴影值计算模块；中心点距离计算模块，所述中心点距离计算模块接收组串阴影随时间的值；最小中心点距离计算模块，所述最小中心点距离计算模块接收相邻光伏组串的中心点的距离Dc，并根据相邻光伏组串的中心点的距离Dc计算在T1‑T2时间段内不被阴影遮挡的最小值。以解决现有技术需要重复进行多次日照遮挡模拟，当地形复杂时，阵列最优间距计算值需要花费大量时间的问题。

Description

一种光伏组串最优间距计算系统和计算方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏组串最优间距计算系统和计算方法。

背景技术

光伏组串间距计算是光伏电站阵列布置中主要考虑的问题，根据《光伏发电站设计规范》GB 50797要求，地面光伏发电站的光伏方阵布置应满足“光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9：00～15：00(当地真太阳时)时段内前、后、左、右互不遮挡。”关于光伏组串间距的计算，通常做法为利用PVSyst软件进行阵列和地形坡度的模拟，进行日照遮挡因子分析，逐步获取最优间距值。这种做法需要重复进行多次日照遮挡模拟，当地形复杂时，阵列最优间距计算值需要花费大量时间。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的是提供一种光伏组串最优间距计算系统和计算方法。

本发明的技术方案是：一种光伏组串最优间距计算系统，包括：

TIN图合并模块，所述TIN图合并模块将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β，然后将每个区块的南北坡度α和东西坡度β发送给组串阴影值计算模块；

太阳高度角计算模块，所述太阳高度角计算模块计算出太阳高度角θ_h，并将θ_h发送给组串阴影值计算模块；

太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角δ，并将δ发送给组串阴影值计算模块；

组串阴影值计算模块，所述组串阴影值计算模块接收太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β，并根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值，然后将组串阴影随时间的值发送给中心点距离计算模块；

中心点距离计算模块，所述中心点距离计算模块接收组串阴影随时间的值，并根据组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，然后将相邻光伏组串的中心点的距离D_c发送给最小中心点距离计算模块；

最小中心点距离计算模块，所述最小中心点距离计算模块接收相邻光伏组串的中心点的距离D_c，并根据相邻光伏组串的中心点的距离D_c计算在T1-T2时间段内不被阴影遮挡的最小值。

优选地，所述T1为9：00，T2为15：00。

一种光伏组串阴影间距计算方法，包括：

将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β；

计算太阳高度角θ_h和太阳方位角δ，θ_h和δ随时间变化；

根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值；

根据计算组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，其中D_c随时间变化；

根据D_c计算在T1-T2时段内的组串不被阴影遮挡时相邻光伏组串的中心点的间距D_c最小值。

优选地，所述组串阴影随时间的值的计算方法为：

式中x_r表示任意点的阴影点在x方向的相对值，y_r表示任意点的阴影点在y方向的相对值，z_r表示任意点的阴影点在z方向的相对值，B为光伏组串宽度值，γ为组串固定倾角。

优选地，所述相邻光伏组串的中心点的距离D_c的计算方法为：

优选地，所述T1为9：00，T2为15：00。

优选地，将TIN图依据坡度合并成1个以上区块具体包括以下步骤：

S1、随机选取TIN图上的任意一个单元E，并求出单元E的法向量

将每个单元的标记符D_i设为0；

S2、遍历E单元的所有标记符Di＝0的相邻单元C_i，并将C_i对应的标记符D_i设为1，求出所有相邻单元C_i的法向量

如果相邻单元的法向量

与

的夹角小于λ，则合并相邻单元C_i和E得到新的区块EC，求出合并后新的区块EC的加权法向量

S3、令C_i＝E，跳转到S2，直到TIN图上所有单元的标记符D_i＝1。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，

1)本发明通过随时间变化的太阳高度角θ_h和随时间变化的太阳高度角θ_h，计算出的相邻光伏组串的中心点的距离D_c也是随时间变化的，计算出D_c在T1-T2时间段内不被阴影遮挡的最小值，即可算出光伏板的最佳间距，相比现有技术，本发明直接获得最优间距，而不是通过多次模拟，计算量更小，工作效率更高；

2)本发明通过将T1设为9：00，T2设为15：00，正好是一天中日照最佳时段，避免了选取时间过宽导致光伏组串最佳间距过大导致土地利用率低的问题；

3)本发明通过随时间变化的太阳高度角θ_h和太阳方位角δ，结合每个区块的南北坡度α和东西坡度β，计算得到的相邻光伏组串的中心点的距离D_c也是随时间变化的，因此在T1-T2时段内的组串不被阴影遮挡时相邻光伏组串的中心点的间距D_c最小值即是光伏组串的最佳间距，相比现有技术，本发明直接获得最优间距，而不是通过多次模拟，计算量更小，工作效率更高。

附图说明

图1为本发明实施实例1的光伏组串的几何模型；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

实施例1：参考图1至图3，一种光伏组串最优间距计算系统，包括：TIN图合并模块，所述TIN图合并模块将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β，然后将每个区块的南北坡度α和东西坡度β发送给组串阴影值计算模块；太阳高度角计算模块，所述太阳高度角计算模块计算出太阳高度角θ_h，并将θ_h发送给组串阴影值计算模块；太阳方位角计算模块，太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角δ，并将δ发送给组串阴影值计算模块；组串阴影值计算模块，所述组串阴影值计算模块接收太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β，并根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值，然后将组串阴影随时间的值发送给中心点距离计算模块；中心点距离计算模块，所述中心点距离计算模块接收组串阴影随时间的值，并根据组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，然后将相邻光伏组串的中心点的距离D_c发送给最小中心点距离计算模块；最小中心点距离计算模块，所述最小中心点距离计算模块接收相邻光伏组串的中心点的距离D_c，并根据相邻光伏组串的中心点的距离D_c计算在T1-T2时间段内的最小值。

本发明通过太阳高度角计算模块计算出随时间变化的太阳高度角θ_h，通过太阳方位角计算模块计算出随时间变化的太阳高度角θ_h，通过TIN图合并模块将地形相似的单元合并为一个区块，同时TIN图合并模块还能计算出每个区块的坡度，组串阴影值计算模块结合上述参数计算出随时间变化的组串阴影值，中心点距离计算模块根据组串阴影随时间的值和组串参数计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，最小中心点距离计算模块根据组串的相邻光伏组串的中心点的距离D_c值计算出相邻光伏组串的中心点的距离D_c计算在T1-T2时间段内不被阴影遮挡的最小值；

优选地，所述T1为9：00，T2为15：00。

一种光伏组串阴影间距计算方法，包括：

将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β；

计算太阳高度角θ_h和太阳方位角δ，θ_h和δ随时间变化；

根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值；

根据计算组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，其中D_c随时间变化；

根据D_c计算在T1-T2时段内的组串不被阴影遮挡时相邻光伏组串的中心点的间距D_c最小值。

光伏组串常规为沿东西走向布置，朝南倾斜(倾角γ)，地形东西坡度β。一般地，光伏组串有安装高度要求，但同一地平面上，光伏组串中心点所在的平面平行与地面，为便于分析，假定地平面抬高至光伏组串的下边缘，这样可以简化坡面方程且不影响阴影间距计算。对于任意地形，建立光伏组串的几何模型如图1所示，光伏组串长度为L，宽度为B，光伏组串为矩形P₀P₁P₂P₃，水平面为矩形P₀P₄P₆P₇所示，光伏组串底边P₀P₃、顶边P₁P₂，β＝∠P₃P₀P₇，γ＝∠P₂P₃P₅。

设定P₀为坐标原点，则可以得到：

P₀(0,0,0) (1)

P₁(-B sinγsinβ,B cosγ,B sinγcosβ) (2)

P₂(Lcosβ-B sinγsinβ,B cosγ,L sinβ+B sinγcosβ) (3)

P₃(Lcosβ,0,Lsinβ) (4)

光伏组串的控制点为P₀、P₁、P₂、P₃四个点，其中P₀、P₃两个点为沿地面布置，其阴影点永远重合于自身点，因此，只需要分析P₁、P₂两个点的阴影即可，实际上，由于太阳光线为平行光线，同一时刻P₁、P₂的阴影点存在固定关系。现针对P₁点的阴影进行分析。

优选地，所述组串阴影随时间的值的计算方法为：

式中x_r表示任意点的阴影点在x方向的相对值，y_r表示任意点的阴影点在y方向的相对值，z_r表示任意点的阴影点在z方向的相对值，B为光伏组串宽度值。

太阳光线的直线l参数方程

已知太阳方位角δ和太阳高度角θ_h，则太阳光线的入射向量为：

S_L＝(cosθ_hsinδ,cosθ_hcosδ,sinθ_h) (5)

太阳光线的直线l参数方程为：

其中，坐标(x₀,y₀,z₀)即为光伏组串边缘控制点P₁、P₂两个点的坐标。光伏组串控制点的阴影相对坐标(x_r,y_r,z_r)＝(x-x₀,y-y₀,z-z₀)，即：

地形坡面A的平面方程

已知地面地形南北坡度α(角度值)，地形东西坡度β(角度值)，结合图1所示的光伏组串的几何模型，地面东西向向量：

n₁＝(cosβ,0,sinβ) (8)

地面南北向向量：

n₂＝(0,cosα,sinα) (9)

则，坡面平面法向量：

过点P₀的地形坡面的平面方程:

sinβcosα·x+cosβsinα·y-cosβcosα·z＝0 (11)

当太阳光线平行于地平面时，光伏组串的阴影间距将无线大，即无论如何调整光伏板间距均无法满足不遮挡要求，根据式(5)、(10)，此时光线方向向量与地面法向量点乘为0，S_L·S_A＝0，即：

sinβcosαcosθ_hsinδ+cosβsinαcosθ_hcosδ-cosβcosαsinθ_h＝0 (12)

上式可以简化为：

tanαcosδ+tanβsinδ＝tanθ_h (13)

一般地，太阳光直线总与地型坡面存在交点，此时将式(6)带入式(11)：

结合式(7)、(14)，得到式(15)如下：

又α∈(-90°,90°)，β∈(-90°,90°)，则，cosα≠0，cosβ≠0，上式可以简化为：

根据P₁、P₂两点坐标，分别结合式(2)、(16)和式(3)、(16)有：

即P₁、P₂两点的阴影点相对坐标完全相等，阴影的长度完全相同。光伏组串的阴影在南北向的竖直投影净间距即为y_r，光伏组串的阴影在东西向的竖直投影净间距即为x_r。

优选地，所述相邻光伏组串的中心点的距离D_c的计算方法为：

在确定净间距y_r下，南北相邻光伏组串(两个阵列x坐标相同)的中心点的距离D_c：

需要指出的是，式(17)、(18)的应用是考虑到光伏阵列中存在足够多列的组串，一般地，当组串阵列列数超过2列即可适用。当阵列中只有一列或者两列组串时，光伏组串最优间距需要利用式(17)，考虑x_r与组串尺寸L的相对关系确定。

优选地，所述T1为9：00，T2为15：00。

优选地，将TIN图依据坡度合并成1个以上区块具体包括以下步骤：

S1、随机选取TIN图上的任意一个单元E，并求出单元E的法向量

将每个单元的标记符D_i设为0；

S2、遍历E单元的所有标记符Di＝0的相邻单元C_i，并将C_i对应的标记符D_i设为1，求出所有相邻单元C_i的法向量

如果相邻单元的法向量

与

的夹角小于λ，则合并相邻单元C_i和E得到新的区块EC，求出合并后新的区块EC的加权法向量

S3、令C_i＝E，跳转到S2，直到TIN图上所有单元的标记符D_i＝1。

这里的加权法向量是指每个待合并的相邻单元的法向量之和。这里将TIN图合并时避免了每一次都需要遍历所有单元，二是遍历过的单元不再遍历，运算效率得到大大提升，另外通过法向量与加权法向量的比较来合并相邻单元，避免了区块合并过程中产生累计误差。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光伏组串最优间距计算系统，其特征在于，包括：

TIN图合并模块，所述TIN图合并模块将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β，然后将每个区块的南北坡度α和东西坡度β发送给组串阴影值计算模块；

太阳高度角计算模块，所述太阳高度角计算模块计算出太阳高度角θ_h，并将θ_h发送给组串阴影值计算模块；

太阳方位角计算模块，所述太阳方位角计算模块计算出太阳方位角δ，并将δ发送给组串阴影值计算模块；

组串阴影值计算模块，所述组串阴影值计算模块接收太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β，并根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值，然后将组串阴影随时间的值发送给中心点距离计算模块；

中心点距离计算模块，所述中心点距离计算模块接收组串阴影随时间的值，并根据组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，然后将相邻光伏组串的中心点的距离D_c发送给最小中心点距离计算模块；

最小中心点距离计算模块，所述最小中心点距离计算模块接收相邻光伏组串的中心点的距离D_c，并根据相邻光伏组串的中心点的距离D_c计算在T1-T2时间段内不被阴影遮挡的最小值。

2.根据权利要求1所述的光伏组串最优间距计算系统，其特征在于，所述T1为9：00，T2为15：00。

3.一种光伏组串最优间距计算方法，其特征在于，包括：

将TIN图依据坡度合并成1个以上区块，并计算每个区块的南北坡度α和东西坡度β；

计算太阳高度角θ_h和太阳方位角δ，θ_h和δ随时间变化；

根据太阳高度角θ_h、太阳方位角δ、南北坡度α和东西坡度β计算组串阴影随时间的值；

根据计算组串阴影随时间的值计算相邻光伏组串的中心点的距离D_c，其中D_c随时间变化；

根据D_c计算在T1-T2时段内的组串不被阴影遮挡时相邻光伏组串的中心点的间距D_c最小值。

4.根据权利要求3所述的光伏组串最优间距计算方法，其特征在于，所述组串阴影随时间的值的计算方法为：

式中x_r表示任意点的阴影点在x方向的相对值，y_r表示任意点的阴影点在y方向的相对值，z_r表示任意点的阴影点在z方向的相对值，B为光伏组串宽度值，γ为组串固定倾角。

5.根据权利要求4所述的光伏组串最优间距计算方法，其特征在于，所述相邻光伏组串的中心点的距离D_c的计算方法为：

6.根据权利要求3所述的光伏组串最优间距计算方法，其特征在于，所述T1为9：00，T2为15：00。

7.根据权利要求3所述的光伏组串最优间距计算方法，其特征在于，将TIN图依据坡度合并成1个以上区块具体包括以下步骤：

S1、随机选取TIN图上的任意一个单元E，并求出单元E的法向量

将每个单元的标记符D_i设为0；

S2、遍历E单元的所有标记符Di＝0的相邻单元C_i，并将C_i对应的标记符D_i设为1，求出所有相邻单元C_i的法向量

如果相邻单元的法向量

与

的夹角小于λ，则合并相邻单元C_i和E得到新的区块EC，求出合并后新的区块EC的加权法向量

S3、令C_i＝E，跳转到S2，直到TIN图上所有单元的标记符D_i＝1。

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