基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)解決山地光伏工程光影遮擋問(wèn)題

 
應(yīng)用產(chǎn)品：ProjectWise、AECOsim Building Designer、SubStation、Acute3D、BRCM等

1引言

我國(guó)的第十三個(gè)五年計(jì)劃提出制定中國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的革命戰(zhàn)略，要求推動(dòng)能源消費(fèi)供給技術(shù)革命和體制革命，這將為新能源的大發(fā)展創(chuàng)造新的機(jī)遇。新能源板塊作為我院的核心業(yè)務(wù)之一，近幾年業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，新能源市場(chǎng)占有率不斷攀升，與此同時(shí)一些問(wèn)題和需要也隨著發(fā)展開(kāi)始凸顯。例如，在山地光伏工程中光伏陣列布置的問(wèn)題，電纜長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)偏差的問(wèn)題。我院對(duì)新能源工作的深入開(kāi)展提出新的挑戰(zhàn)，調(diào)整傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、手段單一的短平快發(fā)展模式，加強(qiáng)新能源設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新。
與此同時(shí)，BIM技術(shù)和全生命周期管理的理念在設(shè)計(jì)院越來(lái)越得到廣泛認(rèn)可，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是地理信息系統(tǒng)、三維建模技術(shù)、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的集成應(yīng)用。以信息化技術(shù)為推手，集成三維仿真技術(shù)構(gòu)建新能源數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建立新能源工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升、服務(wù)提升，樹(shù)立新能源領(lǐng)域?qū)I(yè)的工程咨詢公司品牌形象。
       通過(guò)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段在山地光伏工程中的應(yīng)用，總結(jié)出一套新的設(shè)計(jì)流程。本文主要梳理了三維數(shù)字化手段在山地光伏工程中的設(shè)計(jì)流程，并介紹了如何運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段解決工程中常見(jiàn)的光影遮擋問(wèn)題。

2協(xié)同軟件平臺(tái)

光伏發(fā)電項(xiàng)目的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中涉及到的專業(yè)主要有光伏、總圖、電氣、建筑結(jié)構(gòu)、水暖等，為滿足全專業(yè)覆蓋的要求需要搭建一個(gè)合適的軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)搭建的目的是要滿足專業(yè)設(shè)計(jì)以及專業(yè)間協(xié)同的功能，協(xié)同設(shè)計(jì)模式中各個(gè)專業(yè)應(yīng)用本專業(yè)的軟件做數(shù)字化模型，所有文件由ProjectWise平臺(tái)管理，各個(gè)專業(yè)以“參照”的方式嵌入其它專業(yè)的模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。搭建平臺(tái)主要選用的 Bentley公司的系列軟件，具體見(jiàn)下表：
 
光伏發(fā)電項(xiàng)目三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件列表

序號(hào)	專業(yè)	應(yīng)用軟件	軟件廠商	作用
1	總圖	GEOPAK Site	Bentley	建立數(shù)字地面模型、對(duì)場(chǎng)地平整道路布置進(jìn)行設(shè)計(jì)
2	實(shí)景建模	Acute3D	Bentley	攝影實(shí)景建模
3	建筑、結(jié)構(gòu)、暖通	AECOsim Building Designer	Bentley	光伏陣列、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通的數(shù)字化模型布置
4	電氣	SubStation	Bentley	升壓站接線及電氣設(shè)備的布置設(shè)計(jì)
5	電氣	BRCM	Bentley	電纜橋架的布置設(shè)計(jì)
6	協(xié)同	ProjectWise	Bentley	提供平臺(tái)，管理各個(gè)專業(yè)文件，支持各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

3基本流程

3.1要素分析

       光伏工程在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，一般是依據(jù)勘測(cè)提供的地形資料判斷分析地形，然后根據(jù)光照條件計(jì)算光伏陣列布置的最小間距，最后綜合考慮布置光伏陣列。以某光伏工程為例光伏陣列的布置方案的原則是：1平整地面或可以通過(guò)少量挖填方實(shí)現(xiàn)平整的地面，陣列一律采用正南布置（方位角為0°），傾角采用最佳傾角22°；2對(duì)朝向?yàn)檎系钠碌?，陣列布置參照平整地面布置，方位角取?°，南北傾角依地勢(shì)通過(guò)支架調(diào)節(jié)為22°。3對(duì)非正南坡地，光伏陣列東西方向采用順坡布置，南北方向通過(guò)支架或土方調(diào)節(jié)到22°。在工程中要求9:00~15:00時(shí)間區(qū)間，光伏板上不允許出現(xiàn)陰影，然而在實(shí)際工程中，常常還是會(huì)出現(xiàn)光影遮擋的問(wèn)題。即使我們意識(shí)到工程中容易出現(xiàn)光影遮擋的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中盡力避免同樣錯(cuò)誤，然而在復(fù)雜山地地形環(huán)境的工程中，此類問(wèn)題還是會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。
       通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方法的分析，總結(jié)出幾條原因如下：
       (1)勘測(cè)地形資料為等高線。在常規(guī)的設(shè)計(jì)方中，設(shè)計(jì)人員在軟件中僅僅以俯視平面的方式觀察等高線及數(shù)值。由于工程面積較大,地形變化也多樣化，而地形的角度及朝向依靠設(shè)計(jì)人讀取數(shù)值判斷，因此在地形判斷上就會(huì)有很大誤差甚至錯(cuò)誤。
    (2)光伏陣列布置一般在平面圖上完成。光伏陣列布置之前，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)光照條件及地形特征角度計(jì)算陣列布置的最佳間距，然后依照地形等高線判斷地形特征角度，選擇最佳間距布置光伏陣列。在實(shí)際布置的過(guò)程中，地形特征角度人為判斷，光伏陣列區(qū)域大陣列數(shù)量繁多，容易出現(xiàn)陣列間距不合適的情況。在設(shè)計(jì)校核的過(guò)程中仍然是人為判斷檢查，無(wú)法有效的檢查錯(cuò)誤。因此陣列布置間距常常出現(xiàn)富裕過(guò)大浪費(fèi)地域資源，或者間距不夠造成陰影遮擋的問(wèn)題。
    (3)設(shè)計(jì)人員計(jì)算陣列布置的最佳間距都是依據(jù)地形的特征角度，但是實(shí)際工程的地形傾斜角度卻是連續(xù)隨機(jī)變化的。在某些地形特征角度變化的過(guò)度階段，光伏陣列的布置往往容易出現(xiàn)光影遮擋的問(wèn)題。
根據(jù)以上原因分析，總結(jié)出解決光伏陣列陰影遮擋問(wèn)題的總要因素有：地形、光伏陣列間距、符合工程實(shí)際地形的布置方案（即光伏陣列與地形的協(xié)同設(shè)計(jì)）。

3.2三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的流程

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅僅基于平面圖，在很多空間上的情況依靠人發(fā)揮想象以及簡(jiǎn)單符號(hào)化完成。山地光伏工程光伏陣列布置實(shí)際是一個(gè)隨地形起伏按一定規(guī)則布置的過(guò)程，工程本身三維空間的特點(diǎn)非常顯著。依據(jù)此特點(diǎn)，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立模型完全模擬還原三維真實(shí)情況，能從根本上解決問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到地形分析、光伏陣列間距計(jì)算、協(xié)同布置設(shè)計(jì)。基本流程如下圖：
   

4地形分析

山地光伏工程光伏陣列依地形起伏按一定規(guī)則布置，地形資料屬于輸入數(shù)據(jù)，是工程準(zhǔn)確性的依據(jù)。地形的準(zhǔn)確度、精度以及地形資料信息含量都對(duì)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量起到了決定性的作用。關(guān)于地形輸入數(shù)據(jù)的成品，在本次研究中提供了傳統(tǒng)勘測(cè)方法的等高線地形資料以及攝影實(shí)體建模形成的地形資料。

4.1等高線地形

目前常規(guī)做法是通過(guò)工程測(cè)量提供以等高線的方式表示的地形圖。等高線地形圖在工程設(shè)計(jì)中是重要的輸入數(shù)據(jù)，一般包含了地形、地貌、地物等信息，能較好的滿足工程設(shè)計(jì)的需要。在工程測(cè)量中，等高線地形是根據(jù)地貌特征點(diǎn)的勘測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理最終繪制的。工程測(cè)量中地形特征點(diǎn)是不連續(xù)的，特征點(diǎn)之間的地形是通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)之間平滑連接處理的，因此等高線地形圖“總是顯得很光滑”。如果勘測(cè)點(diǎn)間距較大的情況下，也可能會(huì)遺失過(guò)渡區(qū)域的真實(shí)地形情況，在特殊情況下特別是在光伏工程中也會(huì)影響光伏陣列的布置。
 

4.2攝影實(shí)體建模地形

攝影實(shí)體建模地形通常是利用以無(wú)人機(jī)獲取傾斜影像，然后通過(guò)軟件利用傾斜攝影技術(shù)計(jì)算并生成三維地膜模型。傾斜攝影建模的關(guān)鍵技術(shù)主要包括影像特征提取與匹配、自動(dòng)空中三角測(cè)量、三維建模，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用人工調(diào)整誤差較大的連接點(diǎn)，消除了其對(duì)其他連接點(diǎn)平差結(jié)果的影響，并且得到了更精確的數(shù)據(jù)成果。攝影實(shí)體建模的地膜模型的特點(diǎn)是具有完整真實(shí)的影像展示，對(duì)地形、地貌、地物等現(xiàn)實(shí)環(huán)境“一覽無(wú)遺”；地膜高程精度達(dá)到分米級(jí)對(duì)地形高度的變化具有連續(xù)性。但是用此技術(shù)生成的模型使樹(shù)木等地物遮擋了地面，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要用林地區(qū)域時(shí)無(wú)法掌握此區(qū)域地面高程數(shù)據(jù)。

4.3地形輔助分析

作為設(shè)計(jì)輸入資料，等高線地形圖和攝影實(shí)體建模的地膜模型各有特點(diǎn)，在工程中可以同時(shí)使用，互補(bǔ)長(zhǎng)短。山地光伏工程中，需要綜合分析地形，然后根據(jù)光照條件和地形坡度計(jì)算光伏陣列布置的最小間距，最后綜合考慮布置光伏陣列。在地形分析中重要的指標(biāo)是地面的坡度及平滑地形的范圍。在常規(guī)的設(shè)計(jì)方中，設(shè)計(jì)人員在軟件中僅僅以俯視平面的方式觀察等高線及數(shù)值，人為判斷難免有疏漏之處。在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中選用的軟件是GEOPAK Site，這是一款可以基于數(shù)字高程模型做地形設(shè)計(jì)，土方計(jì)算的三維軟件；專業(yè)解決總圖中地形分析、土方計(jì)算、方案比較等系列問(wèn)題。在三維軟件中，通過(guò)軟件對(duì)地形的分析功能可以有效地輔助設(shè)計(jì)人員選取合適布置光伏陣列的區(qū)域以。軟件輔助計(jì)算地面角度，為光伏陣列布置提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。具體操作流程如下：

5光伏陣列間距

    光伏陣列布置的間距不夠會(huì)造成陰影遮擋的問(wèn)題，間距過(guò)大會(huì)浪費(fèi)地域資源。陣列間距是布置工作中的一個(gè)重要參數(shù)。在山地光伏工程中，間距與地形的坡度息息相關(guān)，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)光照條件及地形特征角度計(jì)算陣列布置的最佳間距。間距計(jì)算示意圖及公式如下所示：
                        圖中，L為一級(jí)光伏陣列斜平面高度，H為一級(jí)光伏陣列水平高度，B為安裝傾角，a為太陽(yáng)高度角，c為太陽(yáng)方位角，r為太陽(yáng)入射線水平面上投影在后排陣列之間的長(zhǎng)度，d為前排陣列陰影長(zhǎng)度，D為陣列之間的間距，e為陣列陰影在東西方向的影響長(zhǎng)度。
按上述幾何關(guān)系，運(yùn)用三角函數(shù)，可得d、D值計(jì)算公式如下：
式中：ω——時(shí)角（與正常發(fā)電時(shí)間有關(guān)）；
δ——太陽(yáng)赤緯角（在冬至日-23.45℃至夏至日+23.45℃范圍內(nèi)變化）；
φ——緯度（本工程站址地處北緯44°27.6'）；
s——陰影系數(shù)，s=d/H。
        首先計(jì)算影子系數(shù)和平地的陣列間距。計(jì)算結(jié)果與三維模型驗(yàn)算結(jié)果吻合，詳見(jiàn)下圖：
    山地光伏工程中地形的坡度會(huì)變化，因此陣列布置間距需要根據(jù)地形坡度變化而計(jì)算。地形特征坡度在南北向與東西向組合取值按0°到15°之間，得到光伏陣列間距計(jì)算結(jié)果列表。同時(shí)按列表情況建立每種情況的模型進(jìn)行光影驗(yàn)算。在某光伏發(fā)電工程中我們通過(guò)公式計(jì)算與三維軟件中光影互相印證，為地形特征坡度下的光伏陣列間距提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。計(jì)算部分結(jié)果見(jiàn)下圖：

6協(xié)同設(shè)計(jì)

    通過(guò)計(jì)算出地形特征坡度光伏陣列間距基本能解決光伏陣列的布置問(wèn)題。但是在實(shí)際工程中山地地形不是單純的某個(gè)特征角度，一般情況下地形角度會(huì)漸變，且變化規(guī)律隨機(jī)分布。因此按照計(jì)算的間距平面布置光伏陣列仍然有出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。為了設(shè)計(jì)結(jié)果的精細(xì)化，在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)流程中使地形與光伏陣列布置協(xié)同設(shè)計(jì)。布置設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格依據(jù)地形角度，按照規(guī)則布置光伏陣列。設(shè)計(jì)過(guò)程其實(shí)就是對(duì)工程三維仿真模擬，最大程度上還原工程三維空間上的占位，然后依靠精確的模型模擬光照情況，在模型中能直觀的檢驗(yàn)出布置不合理的地方，通過(guò)修改最終完成無(wú)差錯(cuò)的設(shè)計(jì)。

7技術(shù)指標(biāo)分析

在某60MW山地光伏項(xiàng)目中采用了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，并采集了光影遮擋出錯(cuò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。數(shù)據(jù)采集中以每2WM為單位，并且以不同地形特征坡度的情況下分別對(duì)比。數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：
光影遮擋數(shù)據(jù)列表

坡度   區(qū)域編號(hào)	0°~3°	0°~6°	0°~9°	0°~12°	-3°~6°	-3°~9°
1	3,1	5,1	5,2	7,2	10,0	10,1
2	2,0	4,0	4,0	6,0	12,2	11,2
3	3,0	2,0	2,0	8,0	8,0	9,0
4	2,0	2,0	2,0	5,0	10,1	10,1
5	1,0	3,1	3,1	8,1	10,0	10,0

注：表中逗號(hào)前后的數(shù)字為傳統(tǒng)方法和三維數(shù)字化設(shè)計(jì)出現(xiàn)光影遮擋錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
從列表的數(shù)據(jù)分析，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段減少了工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)光影遮擋錯(cuò)誤，在地形變化較復(fù)雜的區(qū)域體現(xiàn)的更明顯。通過(guò)此方法為工程減少了返工的次數(shù)，節(jié)約了成本及時(shí)間。

8總結(jié)

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有：專業(yè)之間協(xié)同性強(qiáng)：三維模型直觀性強(qiáng)；模型信息統(tǒng)計(jì)方便；信息模型貫穿工程全生命周期，設(shè)計(jì)的流程和方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大不同，重點(diǎn)著眼解決的問(wèn)題是利用精細(xì)化設(shè)計(jì)提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分散體現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)部分，在整個(gè)工程綜合利用中就發(fā)揮出強(qiáng)大作用。本文主要梳理了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)于山地光伏工程陣列布置的設(shè)計(jì)流程和方法，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)解決工程中光影遮擋的問(wèn)題。
 
 
 
 
參考文獻(xiàn)：
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[2] 楊國(guó)東，王民水 .傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用及展望[J]，測(cè)繪與空間地理信息，2016，39（1）
[3] 桂寧，董彥松，蔣米敏，李俊男 .基于建筑信息模型的光伏設(shè)備自動(dòng)化優(yōu)化鋪設(shè)研究[J]，浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，35（3）
 
作者簡(jiǎn)介：
舒  磊（1979.10- ），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究與應(yīng)用工作，shul@hbedi.com
談宏力（1973.04- ），男，學(xué)士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠設(shè)計(jì)管理、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究與應(yīng)用工作，電子郵件：tanhl@hbedi.com