一种基于阴影辐射分析的多因素光伏设备最优化铺设方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于阴影辐射分析的多因素光伏设备最优化铺设方法，包括以下步骤：获取建筑信息；依据建筑信息，对建筑表面进行阴影辐射分析，得到建筑表面中光伏设备可铺设区域；选取一组光伏设备铺设参数完成铺设方案；对方案进行评价；重复完成并评价铺设方案，直至得到最优铺设方案。本发明在光伏系统设计过程中考虑光照、天气因素、铺设条件、线路损耗、屋顶租金、改造成本及建外形筑因素等情况下，确定光伏组件的安装参数，并提出了一种基于建筑模型阴影辐射分析，以单位电能静态投资最小为目标的光伏发电设备最优铺设方法。
【专利说明】
一种基于阴影辐射分析的多因素光伏设备最优化铺设方法
技术领域
[0001] 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多因素光伏设备最 优化铺设方法。
【背景技术】
[0002] 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。光伏在建筑上的具体应用形式有:光伏屋顶、光伏瓦、光伏幕墙、光伏遮阳 板、建筑屋顶支架安装光伏、建筑立面支架安装光伏等。
[0003] 在屋顶光伏系统设计的过程中，光伏系统中影响因素包含:光照、天气因素、线路 损耗、屋顶租金、改造成本等，其中光照占据了最为重要的地位。为了使得光伏组件得到充 足的辐照量，需尽最大可能避免光伏组件在发电过程中的阴影，即增大光伏组件的阵列间 距。虽然增大阵列间距可以避免遮挡情况的发生，但由于屋顶面积受限，阵列间距无法无限 制的增加；同时，建筑屋顶存在楼梯间、栏杆等建筑外形因素，这些因素共同影响、制约着屋 顶光伏系统的设计。因此，需要寻找到一个合适的光伏设备安装倾角、阵列间距及铺设阈 值，以期望获得较低的单位电能的静态投资，以及较短的光伏系统回报期。
[0004] 实际工程中光伏阵列成排安装时，一般要求在冬至影子最长时，前后排光伏阵列 之间的距离要保证当地时间上午九点到下午三点之间前排不对后排造成遮挡。
[0005] 经典排间距计算公式如下：
[0006] si.n η = sirup * ??'ηδ + cos<p * cosa)
[0007] sinP = cos3*sin ω/cosn
[0008] D = cosP*H/tan(ri)
[0009] 公式中：n为太阳高度角；识为当地炜度;δ为太阳赤炜，冬至日的太阳赤炜角，为_ 23.5° ; ω为太阳时角，上午九点的时角为45° ;β为太阳方位角;H为前排阵列最高点与后排 组件最低位置的高度差。
[0010]现有光伏系统设计过程中，一般采用《光伏发电站设计规范(GB 50797-2012)》中 光伏阵列最佳倾角参考值或者太阳辐射量最大的理论值计算公式计算，基于最佳安装倾角 参考值计算出经典排间距，然后根据建筑铺设区域得到最终铺设方案。光伏组件的安装倾 角与阵列间距对屋顶光伏系统设计的影响是相互的、不可割裂的，同时影响着单位发电成 本和光伏系统的回报期。这种设计方式割裂了两者的关系，所以得到的设计方案并不准确。
[0011]本发明利用需铺设区域的建筑模型，通过发明中设计的优化方法，对需铺设区域 在考虑影响屋顶光伏系统设计因素情况下进行对铺设方案的优化。本发明在光伏系统设计 过程中考虑光照、天气因素、铺设条件、线路损耗、屋顶租金、改造成本及建筑外形因素等情 况下，基于光伏组件的阴影辐照分析，对铺设方案进行评价，并通过调整光伏组件安装倾 角、阵列间距和辐照量阈值等安装参数，最终找到最优铺设方案。
[0012] 本发明对屋顶光伏系统设计，实现了光伏屋顶的精细化设计，提高了屋顶面积的 利用率，并实现了对复杂环境下的屋顶光伏系统进行阴影辐射的仿真分析，获得精确的铺 设方案的全年辐照量，并综合考虑多个因素，根据评价函数自动获得最优的铺设方案。该方 法相对于现有光伏系统设计方式工作更加严谨，数据更加可靠，设计方案更加精准。
[0013] 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，包括步骤如下:组件倾角初算;阵列间距初算;阵列间距优化； 组件倾角优化四个步骤。提出首先计算组件倾角初值、接着基于倾角初值计算阵列间距初 值、再基于间距初值计算阵列最佳间距、最后基于最佳间距计算组件最佳倾角的交叉反馈 式综合计算确定光伏组件最佳倾角和阵列最佳间距方法，降低了度电成本。该方法使用预 定义表格的解决方案，而表格数据是通过规则场地辐照量的一般化数据，不能适应于非规 则场地的光伏优化铺设。同时，该方案并没有考虑到铺设区域租金、改造成本等因素，很难 支持多影响因素下的光伏设备的优化铺设。
[0014] 本发明基于公开号为CN 104778316 A: "一种基于建筑信息模型的光伏发电设备 辐射分析方法"，依赖该专利提供的方法进行阴影辐射分析。
[0015] 因此，本发明提出一种综合考虑上述影响因素，基于建筑模型阴影辐射分析，以单 位电能静态投资最小为目标的光伏发电设备最优铺设方法。
【发明内容】
[0016] 本发明利用建筑模型，通过建筑仿真软件对优化过程中铺设方案进行数学仿真， 判断需铺设区域，对需铺设区域在考虑屋顶遮挡因素、地理因素、系统成本等影响因素情况 下进行铺设方案的优化，最终得到适合该区域的铺设方案。在光伏系统设计过程中考虑安 装倾角、阵列间距、光照、天气因素、铺设条件、线路损耗、屋顶租金、改造成本及建筑外形因 素等情况下实现了光伏屋顶的紧密化设计，提高了屋顶面积的利用率，并实现了对复杂环 境下的屋顶光伏系统进行更加精确的分析，使得在屋顶有限铺设区域内，通过调整光伏设 备安装倾角、阵列间距、铺设阈值等铺设参数，改变光伏设备的铺设数量，缩短光伏设备的 投资回报期，达到单位电能的静态投资最小。
[0017] -种基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优铺设方法，包括以下步 骤：
[0018] (1)获取建筑信息。
[0019] 获取需铺设区域包含光伏发电设备的建筑模型，包括该建筑模型所处地理位置、 建筑形状、大小及高度等参数以及铺设区域租金、光伏设备价格等信息。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、维度炜度、太阳高度角。
[0020] 所述的建筑模型使用的光伏设备（即光伏发电设备）可以采用各种形式的光伏设 备，如，光伏遮阳板、建筑屋顶支架安装光伏、建筑立面支架安装光伏等。
[0021] (2)依据步骤（1)建筑信息，对建筑表面进行阴影辐射分析，得到建筑表面中光伏 设备可铺设区域。
[0022] 阴影福射分析方法基于公开号为CN 104778316 A: "一种基于建筑信息模型的光 伏发电设备辐射分析方法"。
[0023] 依据信息模型，获得光照接收面的形状以及尺寸信息，将需铺设区域划分为若干 网格，利用射线法依据该信息模型地理位置的天气等因素，对每个网格进行辐射统计分析。 依据建筑表面的辐照量、天气等因素，选取合适辐射量数值作为铺设阈值，判断每个网格是 否满足铺设阈值，选定建筑表面中辐射量大于阈值的点作为可铺设区域。
[0024] (3)依据步骤(2)选取一组光伏设备铺设参数完成铺设方案。
[0025] (4)对步骤(3)铺设方案进行阴影辐射分析。
[0026]阴影福射分析结果，由公开号为CN 104778316 A: "一种基于建筑信息模型的光伏 发电设备辐射分析方法"计算得出。
[0027] (5)依据步骤(4)阴影辐射分析结果，利用评价函数对步骤(2)铺设方案进行评价。
[0028] T={PV(G，A，U)+R+S}/{F(G，A，U)*S*o*p*N}
[0029] T表示单位电能的静态投资;G表示光伏设备前后排间距;表示光伏设备安装倾角； U表示光伏设备铺设条件;PV(G，A，U)表示在前后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺设条 件为U下的光伏系统总投资，包括光伏设备、电缆、支架、逆变器等总投资;F(G，A，U)表示在 前后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺设条件为U下的年光伏发电量;R表示铺设区域的 租金;S表示改造成本;δ表示光伏组件转换效率;σ表示福射量与发电量转换中的天气因数； P表示辐射量与发电量转换中的设备及线路损耗因素;N表示光伏系统使用年限。
[0030] (6)记录当前最优铺设方案，重复步骤(3-6)工作，直至满足终止条件或者迭代次 数，得到最优铺设方案。
[0031] 最优铺设方案包括光伏设备的安装倾角、阵列间距、方位角、数量、放置位置等信 息。
[0032] 本发明以单位电能的静态投资最小为目标，实现了屋顶光伏系统的紧密化设计， 提高了屋顶面积的利用率，实现对复杂环境下的屋顶光伏系统进行更加精确的分析，使得 在有限铺设区域内，通过调整光伏设备的安装参数，改变光伏设备的铺设数量，使得发电总 量增加，缩短光伏设备的投资回报期，实现单位电能的静态投资最小。
【附图说明】
[0033]图1为本发明实施例中的实施例流程图；
[0034]图2为本发明实施例中的实施例模型3D示意图；
[0035] 图3为本发明实施例中的人工铺设方案示意图；
[0036] 图4为本发明实施例中的软件铺设方案示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明基于建筑建筑模型的多因素光伏发电设备最优铺设方案 设计方法进行详细描述，本实施例中，优化算法以遗传算法为原型，但本发明的具体实施方 式不局限于此。
[0038] -种多影响因素光伏发电设备最优铺设方法，包括以下步骤：（本实施例中建筑模 型所处地理位置为30 · 25° N，120 · 17° E)
[0039] (1)获取建筑信息（如图2实施例模型3D示意图）。
[0040]获取需铺设区域包含光伏发电设备的建筑模型，包括该建筑模型所处地理位置、 建筑形状、大小及高度等参数以及铺设区域租金、光伏设备价格等信息。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、维度炜度、太阳高度角。
[0041] 所述的建筑模型使用的光伏设备（即光伏发电设备)可采用多种形式的光伏设备， 如光伏遮阳板、建筑屋顶支架安装光伏、建筑立面支架安装光伏等。
[0042] (2)依据步骤（1)建筑模型，对建筑表面进行阴影辐射分析，获得建筑表面中光伏 设备可铺设区域。
[0043] 阴影福射分析方法基于公开号为CN 104778316 A: "一种基于建筑信息模型的光 伏发电设备辐射分析方法"。
[0044]依据信息模型，获得光照接收面的形状以及尺寸信息，将需铺设区域划分为若干 网格，利用射线法依据该信息模型地理位置的天气等因素，对每个网格进行辐射统计分析。 依据建筑表面的辐照量、天气等因素，选取合适辐射量数值作为铺设阈值，判断每个网格是 否满足铺设阈值，选定建筑表面中辐射量大于阈值的点作为可铺设区域。
[0045] (3)依据步骤(2)选取一组光伏设备铺设参数完成铺设方案。
[0046] a)查找该地理位置下光伏阵列最佳倾角参考值，并计算经典排间距。
[0047]查找该地理位置下光伏阵列最佳倾角参考值，并计算经典排间距，其目的在于保 证算法取值在合理范围内，减少优化算法的计算次数，缩短优化算法的运行时间。
[0048]根据《光伏发电站设计规范(GB 50797-2012)》，附录B光伏阵列最佳倾角参考值： 表B全国各大城市光伏阵列最佳倾角参考值:杭州并网系统推荐倾角，选择26°作为初始值。
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]得到在安装倾角为26°下光伏组件之间排间距，约为2.8M。
[0053] b)确定光伏设备安装倾角、阵列间距及铺设阈值合理范围，并完成初始铺设方案。 [0054] 这里选取：网格辐照量1000Kw.h/m2*Year作为可铺设条件，即当辐照量大于等于 10001(?.1 1/1112竹册^寸可以进行铺设光伏设备。安装倾角范围为12°-36°。阵列间距范围为20 分米-35分米。
[0055] (4)对步骤(3)铺设方案进行阴影辐射分析。
[0056] 阴影福射分析结果，由公开号为CN 104778316 A: -种基于建筑信息模型的光伏 发电设备辐射分析方法计算得出。
[0057] (5)依据步骤(4)阴影辐射分析结果，利用评价函数对步骤(2)铺设方案进行评价。
[0058] T={PV(G，A，U)+R+S}/{F(G，A，U)*S*o*p*N}
[0059] T表示单位电能的静态投资；G表示光伏设备前后排间距;A表示光伏设备安装倾 角;U表示光伏设备铺设条件;PV(G，A，U)表示在前后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺 设条件为U下的光伏系统总投资，包括光伏设备、电缆、支架、逆变器等总投资;F(G，A，U)表 示在前后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺设条件为U下的年光伏发电量;R表示铺设区 域的租金成本;S表示改造成本;δ表示光伏组件转换效率;σ表示福射量与发电量转换中的 天气因数;P表示辐射量与发电量转换中的设备及线路损耗因素;N表示光伏系统使用年限。 这里取光伏组件转换效率S为16.5% ;辐射量与发电量转换中的天气因数σ为0.55;辐射量 与发电量转换中的设备及线路损耗因素P为0.9。
[0060] (6)记录当前最优铺设方案，重复步骤(3-6)工作，直至满足终止条件或者迭代次 数，得到最优铺设方案。
[0061] a)编码。算法首先要用字符串表达所研究问题的解，表达问题解的字符串称为个 体。
[0062] 这里采用二进制编码方法，采用六位二进制编码，如安装倾角16°的编码为 010000,阵列间距选取分米为单位，3. 1米等于31分米，编码为011111，采用（010000， 011111)作为其中一组编码。
[0063] b)计算群体中每个个体的适应值。适应值是衡量个体好坏的指标，适应值函数依 据目标函数而定，这里取进化到当前一代位置的最小目标函数值。
[0064] c)依概率对该代群体中个体进行选择、交叉及变异操作，得到新一代的群体。
[0065]最优铺设方案包括光伏设备的安装倾角、阵列间距、方位角、数量、放置位置等信 息。
[0066]实施例中经过算法优化后得到最优铺设方案光伏设备安装倾角为23°，阵列间距 为2.2M。
[0067]在光伏阵列倾角参考值26°，则计算出理论间距为2.8M，实施例中人工铺设方案如 图3人工铺设方案所示。
[0068]经过算法优化后，铺设方案如图4软件铺设方案所示。
[0069]人工铺设方案与软件铺设方案，对比结果如下表人工铺设方案与软件铺设方案对 比。
[0071 ]表1人工铺设方案与软件铺设方案对比
[0072] 由于该建筑区域较为复杂，单纯人工的分析无法准确的估计所有光伏设备表面接 收到的辐照量，故在部分区域的光伏组件会受到较多的遮挡。同时，人工的铺设方案基本上 没有考虑光伏阵列行之间的相互遮挡，其间距的计算也是通过理论间距公式直接得到，并 没有考虑铺设区域的拓扑、租金等因素。本优化铺设方案通过进行阴影辐照度分析，充分考 虑了安装倾角与阵列间距对平均辐照量的影响，以及租金等因素的影响。最终优化的阵列 间距从2.8M减小到2.2M，并且软件铺设方案改变了光伏设备的安装倾角，26°降低到23°，减 小安装倾角与阵列间距的结果增加了光伏设备铺设的数量40个，单位面积辐照量得到增 加，约为7.97%，虽然光伏系统投资增加较多，但是由于获得总辐照量的上升，单位发电成 本下降约2.46%并且降低了光伏系统的回报期约1.34%。
[0073] 软件设计铺设方案与人工设计铺设方案相比，在光伏系统设计过程中优先考虑了 光伏设备安装倾角与阵列间距对光伏系统辐照量的影响以及两者之间的相互影响，实现了 光伏屋顶的紧密化设计，提高了屋顶面积的利用率，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，缩短光伏设备的投资回报期，达 到单位电能的静态投资最小。
【主权项】
1. 一种基于阴影辐射分析的多因素光伏设备最优化铺设方法，其特征在于，包括以下 步骤： (1) 获取建筑信息； (2) 依据步骤（1)建筑信息，对建筑表面进行阴影辐射分析，得到建筑表面中光伏设备 可铺设区域； (3) 依据步骤(2)选取一组光伏设备铺设参数完成铺设方案； (4) 对步骤(3)铺设方案进行阴影辐射分析； (5) 依据步骤(4)阴影辐射分析结果，利用评价函数对步骤(2)铺设方案进行评价； (6) 记录当前最优铺设方案，重复步骤(3-6)工作，直至满足终止条件或者迭代次数，得 到全局最优铺设方案。2. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于:步骤（1)中，建筑信息包括所处地地理位置、建筑形状、大小及高度参数以 及铺设区域租金、光伏设备信息。3. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于:步骤(2)中，阴影辐射分析方法基于公开号为CN 104778316 A:-种基于建 筑信息模型的光伏发电设备辐射分析方法。4. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于:步骤(3)中，铺设参数包括光伏设备的安装倾角、阵列间距、铺设阈值。5. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于：步骤(4)中，阴影辐射分析结果，由公开号为CN 104778316 A:-种基于建 筑信息模型的光伏发电设备辐射分析方法计算得出。6. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于:步骤(5)中，评价函数如下： T={PV(G，A，U)+R+S}/{F(G，A，U)*S*o*p*N} T表示单位电能的静态投资;G表示光伏设备前后排间距;A表示光伏设备安装倾角;U表 示光伏设备铺设条件;PV(G，A，U)表示在前后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺设条件 为U下的光伏系统总投资，包括光伏设备、电缆、支架、逆变器等总投资;F(G，A，U)表示在前 后排间距为G，安装倾角为A，光伏设备铺设条件为U下的年光伏发电量;R表示铺设区域的租 金;S表示改造成本;δ表示光伏组件转换效率;σ表示福射量与发电量转换中的天气因数;p 表示辐射量与发电量转换中的设备及线路损耗因素;Ν表示光伏系统使用年限。7. 根据权利要求1所述的基于阴影辐射分析的多影响因素光伏发电设备最优化铺设方 法，其特征在于:步骤(6)中，最优铺设方案包括光伏设备的安装倾角、阵列间距、方位角、数 量、位置信息。
【文档编号】G06Q50/06GK106055816SQ201610405596
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月11日
【发明人】桂宁, 李俊男
【申请人】嘉兴国电通新能源科技有限公司, 浙江理工大学, 桂宁