專利名稱：通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電站建設(shè)領(lǐng)域，特別是在太陽能電站設(shè)計中的利用陰影分析進(jìn)行太陽能電站建模的方法。
背景技術(shù)：
太陽能電站是利用太陽能電池組件將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，是地球的清潔能源和可再生能源。隨著太陽能電池組件的快速發(fā)展，太陽能電站的建設(shè)也是日新月異，在太陽能電站設(shè)計過程中，一個最關(guān)鍵的步驟是對各受能原件，也就是太陽能電池組件進(jìn)行布置，以盡量減少陰影遮擋為目的，從而達(dá)到最大限度地利用太陽光能。目前，在太陽能電站設(shè)計中，太陽能組件一般都是布置在平面地形中。在陰影計算時，工作人員結(jié)合固定的太陽能組件，依據(jù)天文公式手工推導(dǎo)出冬至日上午9時太陽能電池組件在北方向的投影作為各太陽能電池組件的最大陰影長度，在施工過程中按照此最大陰影長度對各組件進(jìn)行布置。因此目前只能通過兩種布置形式進(jìn)行太陽能電站的建設(shè)，其一是通過加大太陽能組件之間的間距來消除陰影的影響，這必然會增加項目的占地面積； 其二是在各太陽能組件上允許有一定的陰影遮擋，這種布置方式必然會造成整個電站轉(zhuǎn)換效率的降低。無疑這種兩種布置形式都不是太陽能電站建設(shè)的最優(yōu)設(shè)計方案。并且，目前這種人工計算方法存在以下不足1)只能計算冬至日上午9時的陰影長度；幻只能用于計算平面地形中的陰影；幻僅能計算固定支架的光伏組件之間的陰影， 不能計算運(yùn)動的太陽能組件的陰影情況。然而隨著太陽能光伏領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及人們對電力的極大需求，僅能在平面地形中建設(shè)太陽能電站已經(jīng)不能滿足需求。因此在太陽能電站設(shè)計中必須要全面考慮以下因素例如需要計算太陽能組件在全天每一時間的陰影長度、當(dāng)太陽能電站占地較大且地形復(fù)雜時地形對太陽能組件的影響、當(dāng)太陽能組件采用單軸跟蹤或者雙軸跟蹤光伏組件時陰影的變化情況、以及房屋樹木等障礙物對電站布置的影響等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠結(jié)合地形條件、障礙物以及太陽能組件的運(yùn)行特性，對太陽能電站設(shè)計中的陰影進(jìn)行綜合計算分析，進(jìn)一步建立太陽能電站模型的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，基于GIS地理信息系統(tǒng)和三維技術(shù)，包括以下步驟a.獲取太陽能電站建設(shè)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合生成三角形或六邊形網(wǎng)格，并依此繪制三維地形圖；b.采集太陽能電站建設(shè)區(qū)域內(nèi)的障礙物數(shù)據(jù)，根據(jù)障礙物數(shù)據(jù)繪制障礙物模型， 并標(biāo)注在三維地形圖上；
C.在步驟a和步驟b所確定的三維地形圖和障礙物模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行陰影預(yù)計算，得出由于地形和障礙物影響而產(chǎn)生的全天候每一時段的陰影分布圖；d.采集太陽能組件的尺寸、連接型式以及太陽能組件的控制運(yùn)行特性，繪制太陽能組件模型；f.以步驟c和步驟d所確定的陰影分布圖以及太陽能組件模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行太陽能組件的優(yōu)化布置，并生成太陽能電站初始模型；g.對步驟f所生成的太陽能電站初始模型重新進(jìn)行陰影計算；h.當(dāng)計算得出的陰影分布不滿足要求時，重復(fù)步驟f_g，對太陽能組件進(jìn)行重新布置和陰影計算；當(dāng)計算得出的陰影分布滿足要求時，即確定太陽能電站最終模型。本發(fā)明步驟c所述的陰影預(yù)計算和步驟g所述的陰影計算方法如下所述首先，根據(jù)公式δ = 23. 45sin(360*(dn+284)/365)計算得出每日的赤緯角δ ；其次根據(jù)赤緯角 δ、 時角ω和公式α = arcsin (sin Φ *sin δ+cos Φ cos δ cos ω),計算太陽高度角 α ；根據(jù)太陽高度角α、赤緯角δ、時角ω以及公式γ = arcsin (cos δ *sin ω / COS α)，計算得出太陽方位角Υ ；根據(jù)太陽高度角α、障礙物高度D和公式L = D/tan(a)，計算得出障礙物的陰影長度L;最后，根據(jù)障礙物的陰影長度L、太陽方位角Y以及公式1^ = 1>(08(^)，計算得出障礙物在北方向的陰影長度Ln ；其中dn為一年中每日的順序數(shù)；ω為時角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；D為障礙物高度。本發(fā)明中所述的數(shù)據(jù)采集方式為所述地形數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)的采集通過衛(wèi)星遙感、航測或者現(xiàn)場實(shí)測獲得，數(shù)據(jù)的比例尺不高于1 500，等高線間距不大于lm。本發(fā)明對步驟b的限定為步驟b中所述的障礙物包括房屋、樹木和電力線塔等， 障礙物數(shù)據(jù)包括尺寸、高度、形狀以及地理位置。本發(fā)明對步驟d的限定在于步驟d中所述的太陽能組件的控制運(yùn)行特性包括固定支架、單軸跟蹤、雙軸跟蹤、跟蹤規(guī)律以及太陽能組件傾角。本發(fā)明對步驟f的限定在于步驟f中所述的優(yōu)化布置包括太陽能組件的行列布置以及垂直于水平面的豎向布置，行列布置包括行列數(shù)目和間距大小，豎向布置根據(jù)地形以及各組件的高程進(jìn)行計算確定。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于進(jìn)行太陽能組件優(yōu)化布置時，對于數(shù)量較多的太陽能組件采用批量化布置形式。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的技術(shù)進(jìn)步是本發(fā)明綜合考慮了地形、建筑物以及其他人為設(shè)定的障礙物對太陽能組件產(chǎn)生的影響，能夠?qū)Ω魈柲芙M件進(jìn)行全天候不同時段的陰影進(jìn)行計算分析，使太陽能光伏組件達(dá)到最優(yōu)化布置，既保證太陽能光伏組件的科學(xué)化布置，又能使太陽能組件的轉(zhuǎn)換效率最大化。采用本發(fā)明建設(shè)的太陽能電站，對于節(jié)約占地、植被保護(hù)及防止荒漠化設(shè)計都具有極大的促進(jìn)意義。


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圖1為本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明一種通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其流程圖如圖1所示，該方法依托于計算機(jī)，并基于GIS地理信息系統(tǒng)和三維技術(shù)，包括以下步驟a.通過全球定位系統(tǒng)對太陽能電站建設(shè)區(qū)域的地形進(jìn)行測量，并將測量的地形數(shù)據(jù)通過輸入接口傳輸給GIS地理信息系統(tǒng)，GIS地理信息系統(tǒng)對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合生成三角形或六邊形網(wǎng)格，采用三維技術(shù)，繪制三維地形圖；其中全球定位系統(tǒng)所測量的數(shù)據(jù)比例尺為1 500，等高線間距為lm。b.通過全球定位系統(tǒng)對太陽能電站建設(shè)區(qū)域的障礙物進(jìn)行測量，并將測得的障礙物數(shù)據(jù)通過輸入接口傳輸給GIS地理信息系統(tǒng)，GIS地理信息系統(tǒng)根據(jù)障礙物數(shù)據(jù)繪制障礙物模型，并標(biāo)注在三維地形圖上；其中障礙物包括房屋、樹木和電力線塔等人為建設(shè)可能對太陽能組件產(chǎn)生陰影的實(shí)物，障礙物數(shù)據(jù)包括尺寸、高度、形狀以及地理位置等。c.在步驟a和步驟b所確定的三維地形圖和障礙物模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行陰影預(yù)計算，得出由于地形和障礙物影響而產(chǎn)生的全天候每一時段的陰影分布圖；其中，陰影預(yù)計算方法如下所述首先，根據(jù)公式δ = 23. 45sin(360*(dn+284)/365)計算得出每日的赤緯角δ ；其次根據(jù)赤緯角 δ、 時角ω和公式α = arcsin (sin Φ *sin δ+cos Φ cos δ cos ω),計算太陽高度角 α ；根據(jù)太陽高度角α、赤緯角δ、時角ω以及公式γ = arcsin (cos δ *sin ω / COS α)，計算得出太陽方位角Υ ；根據(jù)太陽高度角α、障礙物高度D和公式L = D/tan(a)，計算得出障礙物的陰影長度L;最后，根據(jù)障礙物的陰影長度L、太陽方位角Y以及公式1^ = 1>(08(^)，計算得出障礙物在北方向的陰影長度Ln ；其中dn為一年中每日的順序數(shù)；ω為時角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋籇為障礙物高度。d.通過計算機(jī)輸入接口將太陽能組件的尺寸、連接型式以及太陽能組件的控制運(yùn)行特性等參數(shù)輸入到GIS地理信息系統(tǒng)中，計算機(jī)采用三維技術(shù)繪制太陽能組件模型；太陽能組件的控制運(yùn)行特性包括固定支架、單軸跟蹤、雙軸跟蹤、跟蹤規(guī)律以及太陽能組件傾角等參數(shù)。f.以步驟c和步驟d所確定的陰影分布圖以及太陽能組件模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行太陽能組件的優(yōu)化布置，并生成太陽能電站初始模型；其優(yōu)化布置包括太陽能組件的行列布置以及垂直于水平面的豎向布置，行列布置包括行列數(shù)目和間距大小，豎向布置根據(jù)地形以及各組件的高程進(jìn)行計算確定。g.對步驟f所生成的太陽能電站初始模型重新進(jìn)行陰影計算，其中陰影計算方法通步驟c中的陰影預(yù)計算方法。h.當(dāng)計算得出的陰影分布不滿足要求時，重復(fù)步驟f_g，對太陽能組件進(jìn)行重新布置和陰影計算；當(dāng)計算得出的陰影分布滿足要求時，即可確定太陽能電站最終模型。
實(shí)施例例如，需要在緯度φ為39°的位置建設(shè)一個太陽能電站，太陽能電站建設(shè)區(qū)域中有一棵樹，高度D為5米，計算該樹在1月1日上午9點(diǎn)在北方向上的陰影。首先，根據(jù)公式δ = 23. 45sin (360* (1+284)/365)計算得出1月1日的赤緯角δ =-23. 0116° ；其次，將δ =-23.0116°，時角=45°，帶入下式α = arcsin(sin 39° *sin 23.0116° +cos39° cos 23.0116° cos 45° )計算太陽高度角α = 15. 057 ° ；再將計算得出的赤緯角δ、時角ω和太陽高度角α帶入下式y(tǒng) = arcsin(cos 23. 0116° *sin45° /cosl5. 05726° )計算得出太陽方位角Y = 42. 37492° ；將太陽高度角α = 15. 05726 °和障礙物高度D帶入公式L = 5/ tan (15. 05726° )，計算得出樹的陰影長度L = 18. 58594m ；最后，將太陽方位角Y和樹的陰影長度L帶入公式Ln = 18. 58594*cos(42. 37492° )計算得出樹在北方向的陰影長度Ln. = 13. 73037m。其他障礙物的陰影預(yù)計算和初始模型建成后的陰影計算，都按照上述方法進(jìn)行計算，以進(jìn)一步保證太陽能電站中太陽能組件轉(zhuǎn)換效率的最大化。當(dāng)太陽能電站較大，且太陽能組件較多時，對太陽能組件優(yōu)化布置可采用批量布置形式，這種布置形式可節(jié)約時間，減少工作量。計算機(jī)執(zhí)行完本發(fā)明所述的各步驟后，可通過輸出設(shè)備將分析過程中形成的中間結(jié)果以及分析過程結(jié)束后生成的太陽能電站最終模型進(jìn)行輸出。其中，中間結(jié)果包括太能能電站建設(shè)前期的三維地形圖、標(biāo)注有障礙物模型的三維地形圖、原始情景陰影分布圖、任一時刻陰影分布圖、任一位置的陰影影響小時分布圖、各太陽能組件的坐標(biāo)表、高程信息表以及太陽能電站初始模型等。
權(quán)利要求
1.一種通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，基于Gis地理信息系統(tǒng)和三維技術(shù)，其特征在于包括以下步驟a.獲取太陽能電站建設(shè)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合生成三角形或六邊形網(wǎng)格，并依此繪制三維地形圖；b.采集太陽能電站建設(shè)區(qū)域內(nèi)的障礙物數(shù)據(jù)，根據(jù)障礙物數(shù)據(jù)繪制障礙物模型，并標(biāo)注在三維地形圖上；c.在步驟a和步驟b所確定的三維地形圖和障礙物模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行陰影預(yù)計算，得出由于地形和障礙物影響而產(chǎn)生的全天候每一時段的陰影分布圖；d.采集太陽能組件的尺寸、連接型式以及太陽能組件的控制運(yùn)行特性，繪制太陽能組件模型；f.以步驟c和步驟d所確定的陰影分布圖以及太陽能組件模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行太陽能組件的優(yōu)化布置，并生成太陽能電站初始模型；g.對步驟f所生成的太陽能電站初始模型重新進(jìn)行陰影計算；h.當(dāng)計算得出的陰影分布不滿足要求時，重復(fù)步驟f_g，對太陽能組件進(jìn)行重新布置和陰影計算；當(dāng)計算得出的陰影分布滿足要求時，即確定太陽能電站最終模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于步驟c所述的陰影預(yù)計算和步驟g所述的陰影計算方法如下所述首先，根據(jù)公式δ =23.4kin(360*(dn+284)/365)計算得出每日的赤緯角δ ；其次牛艮據(jù)赤諱角δ、時角ω禾口公式α = arcsin (sin Φ *sin δ +cos Φ cos δ cos ω),計算太陽高度角α ；根據(jù)太陽高度角α、赤緯角S、時角ω以及公式γ = arcsin(cos5*sinW/cosa), 計算得出太陽方位角、；根據(jù)太陽高度角α、障礙物高度D和公式L = D/tan(a )，計算得出障礙物的陰影長度L ；最后，根據(jù)障礙物的陰影長度L、太陽方位角γ以及公式1^ = 1>(08(^)，計算得出障礙物在北方向的陰影長度Ln;其中dn為一年中每日的順序數(shù)；ω為時角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；D為障礙物高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于所述地形數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)的采集通過衛(wèi)星遙感、航測或者現(xiàn)場實(shí)測獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于步驟b中所述的障礙物包括房屋、樹木和電力線塔，障礙物數(shù)據(jù)包括尺寸、高度、形狀以及地理位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于步驟d中所述的太陽能組件的控制運(yùn)行特性包括固定支架、單軸跟蹤、雙軸跟蹤、跟蹤規(guī)律以及太陽能組件傾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于步驟f中所述的優(yōu)化布置包括太陽能組件的行列布置以及垂直于水平面的豎向布置，行列布置包括行列數(shù)目和間距大小，豎向布置根據(jù)地形以及各組件的高程進(jìn)行計算確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，其特征在于進(jìn)行太陽能組件優(yōu)化布置時，對于數(shù)量較多的太陽能組件采用批量化布置形式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過陰影分析建立太陽能電站模型的方法，包括以下步驟地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)以及太陽能組件數(shù)據(jù)的采集；陰影分布圖的繪制；太陽能電站初始模型的建立；模型建立后的陰影分析計算。本發(fā)明綜合考慮了地形、建筑物以及其他人為設(shè)定的障礙物對太陽能組件產(chǎn)生的影響，使太陽能光伏組件達(dá)到最優(yōu)化布置，既保證太陽能光伏組件布局的科學(xué)化，又能使太陽能組件的轉(zhuǎn)換效率最大化。
文檔編號H02N6/00GK102163341SQ20111007920
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者張曉威 申請人:河北省電力勘測設(shè)計研究院