一种高原山地复杂地形的光伏阵列自动排布方法与流程

本发明涉及光伏阵列排布，具体涉及一种高原山地复杂地形的光伏阵列自动排布方法。

背景技术：

1、光伏发电已经成为全球新能源领域中的重要发展方向，光伏电站的建设已经普遍应用。光伏组件是将太阳光转化为直流电的基本单元，其性能和输出受到倾角、朝向、阴影遮挡等因素的影响。光伏阵列是由多个光伏组件按照一定规则排列在一起的集合，其布局方式直接影响到光伏电站的发电效率和用地效率。

2、山地光伏电站是指建设在山区或丘陵地带的光伏电站，其特点是地形复杂多变，坡度和朝向不一致，障碍物较多。山地光伏电站的设计难点之一是如何根据地形条件合理确定光伏阵列的倾角、朝向和间距，以避免或减少阴影遮挡，提高发电量和用地效率。

3、已有许多研究者在光伏阵列自动排布方面做出了很多努力，比如遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等。这些光伏阵列的自动排布算法主要针对平坦地区，适用性在复杂地形下并不理想，缺乏对于复杂地形的应对。然而，在高原山区这样的复杂地形条件下，光伏阵列的排布面临着很多困难，如地形复杂、地貌变化多、坡度大等问题，导致光伏阵列的安装难度较大，排布不当会导致建设成本高、电站性能不稳定，甚至失效。

4、目前，常用的山地光伏设计方法是手工排布法：即在excel表格中根据经验或使用较为简单的公式直接算出光伏板支架的高度范围，无法精确到具体高度。板间不存在关联，只能根据粗略范围手动调节单块光伏板的位置和参数，无法整体调整控制。这种方法耗时耗力，且精度不高。

5、光伏阵列排布未能将多种限定条件综合考虑进行排布，主要以支架在二维平面上的投影作为相对位置进行布置的，未考虑三维地形对光伏板布设的影响，忽略了地形起伏对阴影遮挡的影响，包括东西方向相邻板间的遮挡、南北方向因坡度造成的最大阴影遮挡，可能导致低效或浪费场地。

6、此外，光伏阵列排布结果放在施工现场未能直接按图纸安装，一般还需要外业安装人员根据施工现场情况凭经验反复进行调整。并且，在相对平坦的地方，支架前后间距左右高差，好调整；但是遇到崎岖不平的地方，当后面安装的光伏板需要调整前面的才能满足时，由于已安装好的光伏板不能调整，只能牺牲一部分的光伏板光照效率。整体布局难以把控，无法满足整体阵列区的美观问题，在布板合理性与经济效益上存在不确定性。

技术实现思路

1、为快速确定最佳的光伏阵列布局，兼顾布板合理性与经济效益，本发明提供一种高原山区复杂地形的光伏阵列自动排布方法，主要通过单排和多排两方面进行排布。

2、单排循环排布：对每一排光伏板的支架高度进行步进循环计算和调整，使同一排的光伏板满足东西方向错台要求以及支架高度限定条件，并对处于复杂地形的支架进行平缓处理，在满足上述条件的基础上进一步降低支架高度；其中，东西方向错台要求是指同一排任意相邻的两光伏板之间的南端高程差和北端高程差均不大于10cm；支架高度限定条件是指光伏板的支架高度不小于初始支架高度；处于复杂地形的支架是指光伏板的东西比降的绝对值大于设定的坡度值，平缓处理是指以相邻两块光伏板为单位，同时调整支架高度，使每一块光伏板的东西比降的绝对值不大于设定的坡度值；东西比降是指光伏板东西方向任意两端点间的高程差与两点间的水平距离之比。

3、多排循环排布：检查每一排光伏板之间是否存在南北遮挡，如果有遮挡返回被遮挡板，升高支架高度，直到无遮挡且与单排相邻板保持联动。

4、具体包括如下步骤：

5、s1，单块光伏板参数计算

6、光伏板采用单立柱式支架，每块光伏板有四个支架，对应四个桩基，从西向东依次为z1（x1，y1，z1）、z2（x2，y2，z2）、z3（x3，y3，z3）、z4（x4，y4，z4）；计算桩基z1、z2、z3、z4对应的支架顶点高程、、、，对应的支架高度、、、，以及光伏板的四个角点坐标；

7、s2，单排光伏板循环计算

8、s21，对于每一排光伏板，若某光伏板东西比降i的绝对值大于设定的坡度最大值slopemax时，将此光伏板的i值赋为slopemax；

9、s22，自西向东开始循环检查每一排光伏板东西方向错台要求，使任一光伏板n以及与光伏板n相邻的前一块板m之间的北端高程差和南端高程差的绝对值均不大于10cm，即且；

10、s23，在满足东西错台条件下，调整光伏板的第二支架高度和第三支架高度，使两者不小于初始支架高度，即且；

11、s24，对于相邻光伏板m和光伏板n，若或者，则此组光伏板所处位置为复杂地形，需要进行平缓处理，对光伏板m和光伏板n进行支架高度调整，使且，为光伏板n的东西比降，为光伏板m的东西比降，为设定的坡度较大值；

12、s25，降低支架用量，设定一个支架检查高度，当光伏板支架高度超过时，则与前后板检查，在不影响其他条件的情况下，进行降低处理；

13、s26，以光伏板n为开始板，按照s22-s25进行计算和调整，当满足s22-s25中所有条件，则进行下一块光伏板n＋1的计算，当s22-s25中任一步骤不满足对应条件，则根据不同情况对光伏板n或者其前一块光伏板m的支架进行调整，直至每一排光伏板符合s22-s25中所有条件；

14、s3 南北方向多排循环检查

15、东西方向单排循环完成后，根据实地地理纬度、时角，计算出南北遮挡最小距离p，根据南北遮挡最小距离p判断南北方向是否有遮挡，如果有遮挡则返回被遮挡板，升高支架高度，直到无遮挡,同时将调整过的光伏板所在单排进行单排循环，在无南北遮挡的条件下保证东西方向单排循环的条件。从而，光伏阵列在特定复杂环境和规定时间段内，各方向均无遮挡。

16、单块光伏板参数计算具体过程如下：

17、s11，计算桩基z1、z4的支架高度

18、初始东西降比：，坡度：；

19、桩基的支架顶点高程，为桩基的支架高度，初始值为；

20、根据东西比降i，计算桩基的支架顶点高程，桩基的支架高度；

21、s12，计算光伏板空间姿态参数

22、光伏板在x轴、y轴、z轴方向分量：；

23、光伏板方位角：；为南北倾角；

24、光伏板倾角：；

25、光伏板法线向量：；

26、光伏板横梁向量，自西向东方向：

27、，

28、；

29、光伏板斜梁向量，由南向北方向：

30、

31、，

32、；

33、 i、j、k为空间向量的单位基底；

34、光伏板横梁向量×斜梁向量，，a、b、c、d为多项式系数；

35、

36、；

37、当过光伏板左前角点时，则；

38、s13，计算光伏板角点坐标

39、已知光伏板长度l、宽度b、支架间距d，由此可计算得光伏板的四个边角点b1、b2、b3、b4在以由西向东第一个支架为原点的平面坐标系的坐标为、、、，其中， b1为光伏板的1号角点，位于西南端，b2为2号角点，位于东南端，b3为3号角点，位于西北端，b4为4号角点，位于东北端，由此可得光伏板角点的空间坐标：

40、；

41、；

42、；

43、；

44、s14，桩基z2、z3的支架高度

45、桩基的支架顶点高程，支架高度；

46、桩基的支架顶点高程，支架高度。

47、步骤s22的具体过程如下：

48、同一排光伏板中自西向东取相邻的光伏板m和光伏板n，计算两者的北端高程差，南端高程差，其中，分别表示光伏板m的2号、3号光伏板角点高程；分别表示光伏板n的1号、4号光伏板角点高程；若且，则进入下一步，调整光伏板的支架高度；若或，则步进抬升光伏板n第一个支架的高度，重新计算光伏板n的东西比降 in后，更新光伏板n的数据；若或，当光伏板m为第一块板时，则步进抬升光伏板m第四个支架的高度，重新计算光伏板m的东西比降 im后，更新光伏板m的数据，当光伏板m不为第一块板时，计算步进抬升后，光伏板m-1与光伏板m南端高程差 n9以及光伏板m-1与光伏板m北端高程差 n10，满足且，则对步进抬升后，重新计算光伏板m的东西比降 im，更新光伏板m的数据，不满足且，则对光伏板m的第一支架高度步进抬升，重新计算光伏板m的东西比降im后，更新光伏板m-1的数据。

49、步骤s23的具体过程如下：

50、检查光伏板n的支架高度，若光伏板n的第二支架和第三支架均不小于初始支架高度，则进入下一步，对复杂地形处的光伏板进行平缓处理；若不满足上述条件，则判断光伏板n是否为最后一块板，当光伏板n为最后一块板时，若满足且，则步进抬升光伏板n的第一支架高度，更新光伏板n的数据，若只满足，则计算步进抬升后，光伏板m与光伏板n的南端高程差 n11以及光伏板m与光伏板n的北端高程差 n12，满足且，则对步进抬升，不满足且，则对步进抬升，若只满足，则对步进抬升，抬升后均重新计算 in，更新光伏板n的数据；当光伏板n不为最后一块板时，若满足且，则步进抬升光伏板m的第一支架高度，若只满足，则计算步进抬升后，光伏板m与光伏板n的南端高程差 n9以及光伏板m与光伏板n的北端高程差 n10，满足且，则对步进抬升，并更新光伏板m的数据，不满足且，则对步进抬升，若只满足，则对步进抬升，并重新计算；对步进抬升后，若光伏板m为第一块板，则更新光伏板m的数据，若光伏板m不为第一块板，则返回光伏板m-1。

51、步骤s24的具体过程如下：

52、当，步进提升和，重新计算和，返回光伏板m-1，计算其数据；

53、当，计算步进抬升后，光伏板m与光伏板n的南端高程差 n9以及光伏板m与光伏板n的北端高程差 n10，若满足且，则步进抬升和，再重新计算和后更新光伏板m的数据，若不满足且，则步进降低后，重新计算和，返回光伏板m-1。

54、步骤s25的具体过程如下：

55、当或者时，则继续判断光伏板n是否为最后一块，若光伏板n为最后一块，则步进降低，重新计算，返回光伏板n；若光伏板n不为最后一块，则步进降低，重新计算，返回光伏板m。

56、步骤s3的具体过程如下：

57、以冬至日当天光照条件为基准计算南北遮挡最小距离，计算以下参数：

58、太阳高度角：；

59、太阳方位角：；

60、两方阵之间距离：；

61、坡面阵列间距：；

62、t为时角，为地理纬度，为赤纬角， p为阵列间距即南北遮挡最小距离， p为两个东西横排方阵之间距离，斜坡与水平面夹角。

63、有益效果：本发明提供一种适用于高原山区复杂地形的光伏阵列自动排布方法，在考虑东西方向错台要求、南北方向阴影遮挡要求、支架高低限定要求和复杂地形支架平缓处理等因素的基础上，通过多层次循环迭代，快速确定最佳的光伏阵列布局，到达整个阵列区域全局最优。具体优势如下：

64、1、提高排布精度：根据地形、气候和光照等多种因素，自动调整光伏阵列的布局，使其更好地适应复杂的地形环境，提高排布精度，精确获得每根支架高度。

65、2、提高排布效率：采用优化算法，实现了光伏阵列自动排布的全流程。输入具体要求参数，通过循环迭代多种限定条件，快速确定最佳的光伏阵列布局，有效提高排布效率。

66、3、减少成本：通过多条件限定布局，减少光伏阵列的支架材料的使用，降低成本。

67、4、在考虑多种因素的基础上，自动调整光伏阵列的布局，快速确定最佳的光伏阵列布局，获得设计和施工所需的各类参数和数据。

68、5、本发明的光伏阵列自动排布算法可以应用于高原山区等复杂地形环境，提高光伏发电的效率和精度，能够综合考虑经济效益等多个因素，为高原山区的光伏电站的设计和建设提供科学的参考和决策依据，具有广泛的应用前景。