基于三维数字化设计解决山地光伏工程光影遮挡问题

2017年07月25日 来源： 湖北省电力勘测设计院 作者：舒磊 谈宏力 章永志 张兆虎点击次数：41

简介： 三维数字化设计技术是地理信息系统、三维建模技术、数字化协同设计技术的集成应用。数字化设计手段、设计流程、设计成果与传统的制图设计都有很大区别。本文主要梳理了三维数字化手段在山地光伏工程中的设计流程，介绍了如何运用三维数字化设计手段解决工程中常见的光影遮挡问题。

1引言

我国的第十三个五年计划提出制定中国能源生产和消费的革命战略，要求推动能源消费供给技术革命和体制革命，这将为新能源的大发展创造新的机遇。新能源板块作为我院的核心业务之一，近几年业务发展迅速，新能源市场占有率不断攀升，与此同时一些问题和需要也随着发展开始凸显。例如，在山地光伏工程中光伏阵列布置的问题，电缆长度统计偏差的问题。我院对新能源工作的深入开展提出新的挑战，调整传统结构简单、手段单一的短平快发展模式，加强新能源设计技术、设计模式的创新。

与此同时，BIM技术和全生命周期管理的理念在设计院越来越得到广泛认可，三维数字化设计技术是地理信息系统、三维建模技术、数字化协同设计技术的集成应用。以信息化技术为推手，集成三维仿真技术构建新能源数字化设计平台，运用无人机技术、数字摄影测量技术建立新能源工程的勘测设计流程，实现质量提升、服务提升，树立新能源领域专业的工程咨询公司品牌形象。

通过三维数字化设计手段在山地光伏工程中的应用，总结出一套新的设计流程。本文主要梳理了三维数字化手段在山地光伏工程中的设计流程，并介绍了如何运用三维数字化设计手段解决工程中常见的光影遮挡问题。

2协同软件平台

光伏发电项目的三维数字化设计中涉及到的专业主要有光伏、总图、电气、建筑结构、水暖等，为满足全专业覆盖的要求需要搭建一个合适的软件平台。软件平台搭建的目的是要满足专业设计以及专业间协同的功能，协同设计模式中各个专业应用本专业的软件做数字化模型，所有文件由ProjectWise平台管理，各个专业以“参照”的方式嵌入其它专业的模型进行协同设计。搭建平台主要选用的 Bentley公司的系列软件，具体见下表：

光伏发电项目三维数字化设计软件列表

3基本流程

3.1要素分析

光伏工程在传统设计方法中，一般是依据勘测提供的地形资料判断分析地形，然后根据光照条件计算光伏阵列布置的最小间距，最后综合考虑布置光伏阵列。以某光伏工程为例光伏阵列的布置方案的原则是：1平整地面或可以通过少量挖填方实现平整的地面，阵列一律采用正南布置（方位角为0°），倾角采用最佳倾角22°；2对朝向为正南的坡地，阵列布置参照平整地面布置，方位角取为0°，南北倾角依地势通过支架调节为22°。3对非正南坡地，光伏阵列东西方向采用顺坡布置，南北方向通过支架或土方调节到22°。在工程中要求9:00~15:00时间区间，光伏板上不允许出现阴影，然而在实际工程中，常常还是会出现光影遮挡的问题。即使我们意识到工程中容易出现光影遮挡的问题，在设计中尽力避免同样错误，然而在复杂山地地形环境的工程中，此类问题还是会反复出现。

光伏工程的光影遮挡问题

通过对设计方法的分析，总结出几条原因如下：

(1)勘测地形资料为等高线。在常规的设计方中，设计人员在软件中仅仅以俯视平面的方式观察等高线及数值。由于工程面积较大,地形变化也多样化，而地形的角度及朝向依靠设计人读取数值判断，因此在地形判断上就会有很大误差甚至错误。

(2)光伏阵列布置一般在平面图上完成。光伏阵列布置之前，设计人员会根据光照条件及地形特征角度计算阵列布置的最佳间距，然后依照地形等高线判断地形特征角度，选择最佳间距布置光伏阵列。在实际布置的过程中，地形特征角度人为判断，光伏阵列区域大阵列数量繁多，容易出现阵列间距不合适的情况。在设计校核的过程中仍然是人为判断检查，无法有效的检查错误。因此阵列布置间距常常出现富裕过大浪费地域资源，或者间距不够造成阴影遮挡的问题。

(3)设计人员计算阵列布置的最佳间距都是依据地形的特征角度，但是实际工程的地形倾斜角度却是连续随机变化的。在某些地形特征角度变化的过度阶段，光伏阵列的布置往往容易出现光影遮挡的问题。

根据以上原因分析，总结出解决光伏阵列阴影遮挡问题的总要因素有：地形、光伏阵列间距、符合工程实际地形的布置方案（即光伏阵列与地形的协同设计）。

3.2三维数字化设计的流程

传统的设计仅仅基于平面图，在很多空间上的情况依靠人发挥想象以及简单符号化完成。山地光伏工程光伏阵列布置实际是一个随地形起伏按一定规则布置的过程，工程本身三维空间的特点非常显著。依据此特点，利用三维数字化设计技术在设计过程中建立模型完全模拟还原三维真实情况，能从根本上解决问题。在设计过程中涉及到地形分析、光伏阵列间距计算、协同布置设计。基本流程如下图：

  设计流程

4地形分析

山地光伏工程光伏阵列依地形起伏按一定规则布置，地形资料属于输入数据，是工程准确性的依据。地形的准确度、精度以及地形资料信息含量都对工程设计质量起到了决定性的作用。关于地形输入数据的成品，在本次研究中提供了传统勘测方法的等高线地形资料以及摄影实体建模形成的地形资料。

4.1等高线地形

目前常规做法是通过工程测量提供以等高线的方式表示的地形图。等高线地形图在工程设计中是重要的输入数据，一般包含了地形、地貌、地物等信息，能较好的满足工程设计的需要。在工程测量中，等高线地形是根据地貌特征点的勘测点数据处理最终绘制的。工程测量中地形特征点是不连续的，特征点之间的地形是通过点与点之间平滑连接处理的，因此等高线地形图“总是显得很光滑”。如果勘测点间距较大的情况下，也可能会遗失过渡区域的真实地形情况，在特殊情况下特别是在光伏工程中也会影响光伏阵列的布置。

等高线地形俯视和轴测观察视角

4.2摄影实体建模地形

摄影实体建模地形通常是利用以无人机获取倾斜影像，然后通过软件利用倾斜摄影技术计算并生成三维地膜模型。倾斜摄影建模的关键技术主要包括影像特征提取与匹配、自动空中三角测量、三维建模，在数据处理过程中采用人工调整误差较大的连接点，消除了其对其他连接点平差结果的影响，并且得到了更精确的数据成果。摄影实体建模的地膜模型的特点是具有完整真实的影像展示，对地形、地貌、地物等现实环境“一览无遗”；地膜高程精度达到分米级对地形高度的变化具有连续性。但是用此技术生成的模型使树木等地物遮挡了地面，在实际设计中需要用林地区域时无法掌握此区域地面高程数据。

摄影实体建模的地膜模型

4.3地形辅助分析

作为设计输入资料，等高线地形图和摄影实体建模的地膜模型各有特点，在工程中可以同时使用，互补长短。山地光伏工程中，需要综合分析地形，然后根据光照条件和地形坡度计算光伏阵列布置的最小间距，最后综合考虑布置光伏阵列。在地形分析中重要的指标是地面的坡度及平滑地形的范围。在常规的设计方中，设计人员在软件中仅仅以俯视平面的方式观察等高线及数值，人为判断难免有疏漏之处。在三维数字化设计中选用的软件是GEOPAK Site，这是一款可以基于数字高程模型做地形设计，土方计算的三维软件；专业解决总图中地形分析、土方计算、方案比较等系列问题。在三维软件中，通过软件对地形的分析功能可以有效地辅助设计人员选取合适布置光伏阵列的区域以。软件辅助计算地面角度，为光伏阵列布置提供精确的数据依据。具体操作流程如下：

地形辅助分析流程

5光伏阵列间距

光伏阵列布置的间距不够会造成阴影遮挡的问题，间距过大会浪费地域资源。阵列间距是布置工作中的一个重要参数。在山地光伏工程中，间距与地形的坡度息息相关，设计人员会根据光照条件及地形特征角度计算阵列布置的最佳间距。间距计算示意图及公式如下所示：

两排阵列之间距离示意图

图中，L为一级光伏阵列斜平面高度，H为一级光伏阵列水平高度，B为安装倾角，a为太阳高度角，c为太阳方位角，r为太阳入射线水平面上投影在后排阵列之间的长度，d为前排阵列阴影长度，D为阵列之间的间距，e为阵列阴影在东西方向的影响长度。

按上述几何关系，运用三角函数，可得d、D值计算公式如下：

式中：ω——时角（与正常发电时间有关）；

δ——太阳赤纬角（在冬至日-23.45℃至夏至日+23.45℃范围内变化）；

φ——纬度（本工程站址地处北纬44°27.6'）；

s——阴影系数，s=d/H。

首先计算影子系数和平地的阵列间距。计算结果与三维模型验算结果吻合，详见下图：

影子系数及平地光伏阵列间距计算结果

山地光伏工程中地形的坡度会变化，因此阵列布置间距需要根据地形坡度变化而计算。地形特征坡度在南北向与东西向组合取值按0°到15°之间，得到光伏阵列间距计算结果列表。同时按列表情况建立每种情况的模型进行光影验算。在某光伏发电工程中我们通过公式计算与三维软件中光影互相印证，为地形特征坡度下的光伏阵列间距提供准确的数据。计算部分结果见下图：

地形特征坡度光伏阵列间距计算结果

6协同设计

通过计算出地形特征坡度光伏阵列间距基本能解决光伏阵列的布置问题。但是在实际工程中山地地形不是单纯的某个特征角度，一般情况下地形角度会渐变，且变化规律随机分布。因此按照计算的间距平面布置光伏阵列仍然有出现错误的情况。为了设计结果的精细化，在三维数字化设计流程中使地形与光伏阵列布置协同设计。布置设计时，严格依据地形角度，按照规则布置光伏阵列。设计过程其实就是对工程三维仿真模拟，最大程度上还原工程三维空间上的占位，然后依靠精确的模型模拟光照情况，在模型中能直观的检验出布置不合理的地方，通过修改最终完成无差错的设计。

光伏阵列三维验证光影遮挡结果

7技术指标分析

在某60MW山地光伏项目中采用了传统设计及三维数字化设计手段，并采集了光影遮挡出错的数据进行分析比较。数据采集中以每2WM为单位，并且以不同地形特征坡度的情况下分别对比。数据见下表：

光影遮挡数据列表

注：表中逗号前后的数字为传统方法和三维数字化设计出现光影遮挡错误的数据。

从列表的数据分析，利用三维数字化设计手段减少了工程设计中出现光影遮挡错误，在地形变化较复杂的区域体现的更明显。通过此方法为工程减少了返工的次数，节约了成本及时间。

8总结

三维数字化设计的特点有：专业之间协同性强：三维模型直观性强；模型信息统计方便；信息模型贯穿工程全生命周期，设计的流程和方法与传统设计有很大不同，重点着眼解决的问题是利用精细化设计提高工程设计质量。三维数字化设计的特点分散体现在工程设计的各个细节部分，在整个工程综合利用中就发挥出强大作用。本文主要梳理了三维数字化设计关于山地光伏工程阵列布置的设计流程和方法，利用三维数字化设计的特点解决工程中光影遮挡的问题。