王夢(mèng)璕 劉麗娜

江西省電力設(shè)計(jì)院

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)屋頂光伏電站工程中運(yùn)用研究

王夢(mèng)璕 劉麗娜

江西省電力設(shè)計(jì)院

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)精度、設(shè)計(jì)效率的要求不斷提高，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，成為國內(nèi)外高水平工程公司在工程設(shè)計(jì)、工程管理及實(shí)施階段的重要輔助手段。結(jié)合南昌市機(jī)關(guān)事務(wù)管理局市委、市政府屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目(以下簡稱本工程)，本文基于該工程實(shí)例，探討了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的應(yīng)用與研究。

屋頂光伏電站；光影分析；數(shù)字化設(shè)計(jì)

本工程由江西省電力設(shè)計(jì)院投資建設(shè)，在屋面上安裝1140塊265Wp太陽能電池組件，總安裝容量302.1kWp。整體工程僅占用南昌市委辦公大樓及市政府大樓屋面空間，項(xiàng)目總建設(shè)工期3個(gè)月。本文主要針對(duì)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)主要幾個(gè)模塊經(jīng)行闡述：系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、光伏設(shè)計(jì)、宣傳方案設(shè)計(jì)等。

1 總體數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)以Bentley公司MicroStation為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)平臺(tái)，上面架構(gòu)電氣、土建專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)工程分析、計(jì)算及數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同。通過ProjectWise文件管理協(xié)同平臺(tái)，同時(shí)融合Bentley設(shè)計(jì)平臺(tái)及光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件PVsyst。

2 工程運(yùn)用詳點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)收集到的南昌站1994～2013年逐月實(shí)際太陽能輻射總量求出南昌站代表年各月太陽能輻射總量。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，計(jì)算出最佳傾角，首年發(fā)電量計(jì)算，25年發(fā)電量，節(jié)能減排等光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并出各相關(guān)計(jì)算書。

根據(jù)國際上公認(rèn)的PVsyst軟件計(jì)算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法，計(jì)算出不同傾斜面上的年平均太陽輻照量進(jìn)行比較，得出傾角在23°時(shí)可獲得最大的太陽輻照量。根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供南昌地區(qū)并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電站中光伏陣列最佳傾角參考值22.67°，及逆變器最佳輸入電壓以及電池板工作環(huán)境等因素進(jìn)行修正后，同時(shí)考慮市委市政府大樓屋面區(qū)域限制，本工程采用20°傾角固定式安裝方式，多晶硅太陽能電池組件的串聯(lián)方式為20塊/串。

2.2 光伏設(shè)計(jì)

在屋面光伏電站設(shè)計(jì)過程中，光伏陣列一般根據(jù)建筑物朝向，并按最佳傾角布置，在實(shí)際工程中由于市政市委樓建筑造型相對(duì)復(fù)雜，該工程被嚴(yán)格要求不能影響建筑物原本美觀，本工程作為“低碳綠色能源示范基地”，要求設(shè)計(jì)、施工都必須遵循綠色節(jié)能等要求。故采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)際情況布置光伏板的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中利用太陽能電池板安裝角度、建筑物遮擋、光照三個(gè)因素檢測(cè)光伏整列布置的合理性。

在三維軟件Microstation中設(shè)置工程地點(diǎn)經(jīng)緯度，相同安裝方式下，選著當(dāng)?shù)囟寥?每年12月22日為冬至日，為全年光照效果最弱日)作為模擬光照條件，模擬光照效果，對(duì)比根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果，如下：

下圖為軟件模擬光影效果與公式計(jì)算結(jié)果比對(duì)：

公式計(jì)算結(jié)果 軟件模擬效果(測(cè)量單位為：米) D=2.536m

根據(jù)比較可知，三維軟件Microstation的光影模擬效果是有正確的實(shí)際指導(dǎo)意義，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)方案定為太陽能電池板前后排組件陣列間距設(shè)計(jì)為1.1m。利用Substation布置出太陽能電池板三維模型，可模擬該工程整個(gè)屋面在全年任意時(shí)刻的光影效果。搭建市政樓及市委樓周圍環(huán)境模型，較真實(shí)的模擬出周圍建筑物、市政樓市委樓本身建筑造型在當(dāng)?shù)囟寥?每年12月22日為，冬至日為全年光照效果最弱日)內(nèi)對(duì)屋面太陽能電池板的光影遮擋效果。模擬結(jié)論得出市委樓在冬至日上午9點(diǎn)到11點(diǎn)太陽能電池板局部會(huì)被遮擋，但11點(diǎn)到下午5點(diǎn)可被太陽光充分照射，滿足光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)定需求：每兩列組件之間的間距設(shè)置必須保證在太陽高度角最低的冬至日時(shí)，所有太陽能電池上仍有6小時(shí)以上的日照時(shí)間。利用三維手段，結(jié)合工程周圍環(huán)境、光照條件、仿真模擬，通過布置、校核、修改、驗(yàn)證最終得到最優(yōu)化最合理的布置方案。

3 工程技術(shù)難點(diǎn)

基于本工程的數(shù)字化設(shè)計(jì)運(yùn)用，得出Benltey三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，在光伏發(fā)電工程中可真實(shí)的模擬太陽能電池板在當(dāng)?shù)厝我鈺r(shí)間點(diǎn)的光照效果，對(duì)光伏板的光影分析有相當(dāng)直觀的指導(dǎo)意義，并可作為檢驗(yàn)方案可行性的效果模擬，有相當(dāng)?shù)膬r(jià)值。但是Benltey三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中所需的計(jì)算功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不能提供良好的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。由于軟件無法實(shí)現(xiàn)光伏板批量化自動(dòng)布置，針對(duì)屋面光伏點(diǎn)來說該功能缺陷還不是很明顯，但是很難運(yùn)用到山地光伏工程，大大的限制了工程類型運(yùn)用范圍。

4 結(jié)束語

數(shù)字化設(shè)計(jì)方式以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，采用三維直觀的空間表現(xiàn)形式，統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)環(huán)境，高效地完成多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，數(shù)字化設(shè)計(jì)尺寸更加準(zhǔn)確，工程量統(tǒng)計(jì)更加精準(zhǔn)，利用三維模型提高設(shè)計(jì)的合理性，三維環(huán)境的真實(shí)模擬，準(zhǔn)確有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整。數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合多平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，互補(bǔ)互融，達(dá)到工程設(shè)計(jì)方案最優(yōu)。

[1]中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì) 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范 中國計(jì)劃出版社.2012 [2]Microstation V8中文使用手冊(cè)

[3]易曠怡 太陽能光伏建筑一體化協(xié)同設(shè)計(jì)研究 北京交通大學(xué) 2013 [4]楊金煥 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)(第2版)電子工業(yè)出版社 2013