建筑物屋顶光伏板排布系统技术方案

本发明专利技术公开了建筑物屋顶光伏板排布系统，其包括用户接口单元、测量单元、定位单元、服务器和主机单元，基于所测量出的三维模型，主机单元计算屋顶平面周界上构筑物的尺寸及方位，并基于预设时刻太阳光照方位特性扣除其遮挡范围后得到目标区域；以小块矩形块为基础在目标区域中以L形、T形或十字形等结构特征进行相邻矩形块匹配来形成各部署组合，在各部署组合中根据光伏板前后、东西间距及长度约束进行光伏板的组合排列测算；最后以各种部署组合中光伏板面积最大的一种组合排列作为排布结果，并通过输出模块输出。本发明专利技术根据构筑物特征进行屋顶区域提取和光伏板的优化排布，能最大化利用屋顶面积，且适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
建筑物屋顶光伏板排布系统
本专利技术涉及光伏发电
，具体涉及一种建筑物屋顶光伏板排布系统。
技术介绍
随着科技的进步与社会的发展，能源需求逐渐增大，非可再生能源已满足不了日常需求。据统计，2017年中国能源消费占比最大的为煤炭，紧随其后的是石油，接下来的是水电及天然气，可再生能源占比非常少。在这种情况下，中国迫切需要改善能源消费结构，向着新能源的发展方向来解决能源需求危机。最近几年，新能源的出现大大缓解了能源危机，其中太阳能以操作安全、范围分布广、清洁环保等优点获得了各个国家青睐，因此，光伏发电相关技术的研究与应用具有很大的必要性。近年来，中国包括风能、太阳能在内的可再生能源发电的设备成本大幅下降。比如，光伏组件的成本已经从2000年的50元/瓦，下降到现在的2元/瓦左右。虽然太阳能和风能的年发电小时数分别仅为燃煤发电年利用小时数的约1/3和1/2，但发电成本已接近燃煤，远低于燃气发电。同时，可再生能源发电成本还必须考虑安装空间地形及成本、接入成本、消纳成本等。目前，发展光伏等可再生能源的瓶颈是安装空间和接纳能力，而首先就是安装空间的问题。光伏不像石油、天然气、煤炭一样蕴藏于地底矿床，都属于低密度能源，需要足够大的安装空间。到哪里去找适宜的安装空间？建筑屋顶可以成为重要的光伏资源承载地。目前，我国城乡建筑屋顶和可接受足够太阳光的垂直表面超过100亿平方米。如果这些建筑表面被开发利用，每年可发电2万亿千瓦时，约为我国目前全年总发电量的28％。建设屋顶光伏系统，不仅可以解决产地本身的生产生活用电问题，而且将剩余的电量输送给电网，会成为增收的重要途径。当前，屋顶光伏系统可以作为新基建战略的一部分。统一规划、建设、改造“光伏+直流+智能充电桩”的一体化建筑供配电系统，不仅会把电力成本降下来，而且能为未来发展高端制造业提供清洁能源，同时还能带动一批新兴产业，如光伏电池、发电设备、新型蓄电池，电动汽车、充电桩、直流供配电等朝阳产业。光伏阵列排布方式分为两种，分别为固定式光伏阵列排布方式及跟踪式排布方式。固定式光伏排列方式因其造价低、对地形要求不高、建设容易等优势一直以来作为最主要的排列方式，但同时其发电效率不高成为了其最大缺陷。跟踪式排布方式又分为水平单轴跟踪和双轴跟踪，其中水平单轴跟踪通过跟踪太阳的高度角来提高光伏阵列上的太阳辐射量。双轴跟踪通过光伏阵列实时跟踪太阳运动，使得太阳光直射光伏阵列，从而使得光伏系统发电量最大化。虽然跟踪式光伏站发电量更大、输出电能更平稳，优于固定式光伏电站；但跟踪式光伏电站对地形要求高、造价高等仍然限制其发展，同时，一年四季中每一天不同时刻阳光的直射角度随时都处于变化之中，并且受天气环境如雨雪、大风等天气影响，大大影响太阳能电池板的工作效率。因此，对于屋顶光伏阵列，一般用固定式。城市、乡村的建筑物屋顶有广泛的空间，供光伏发电使用。但是，由于建筑除了提供房屋遮蔽所之外还有建筑美学的价值，而屋顶还需要提供供水、新风空调、通信、广告等多种其他功能；因此，建筑物屋顶一般很少是直通平坦的平面，往往有很多构筑物，如水箱、风机、冷凝系统、广告牌、景观照明装置等。这些构筑物的存在，使得屋顶光伏发电的排布设计非常棘手，现有技术往往是缩小范围而直接在屋顶规划处一块目标区域以放置光伏板。例如，申请号为201811582857.3的中国专利申请，根据太阳辐射最佳倾角得出光伏板的最佳倾角，输入光伏板的最佳倾角、排列方式和光伏板尺寸，对建筑物屋顶的光伏组件进行数字化建模，其中，以平面来描述屋顶；而申请号为201811538965.0的中国专利申请，则在平直的斜屋顶上以一个矩形区域对光伏板进行排列。因此，目前需要一种根据建筑物屋顶上实际构筑物的分布来对屋顶进行光伏板优化排布的系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种建筑物屋顶光伏排布系统，根据屋顶实际结构并基于构筑物的阴影干涉范围，对建筑物屋顶进行区域分割与组合，以最大化的利用屋顶空间来进行光伏发电，从而解决现有技术中仅采用屋顶一个较小内接矩形区域进行光伏阵列排布而造成空间浪费的技术问题。本专利技术专利首先基于测量单元，获得建筑物或建筑物屋顶的三维模型，以主机单元中的三维计算模块基于该模型对突出屋顶平面的各种构筑物进行三维尺寸计算，再根据各构筑物的分布方位在干涉处理模块中进行关键时点如冬至日9时/15时的太阳照射分析，计算各构筑物对屋顶平面的阴影遮蔽范围，从而得到可部署光伏板阵列的目标区域；受限于构筑物在屋顶平面上的交叉干涉，往往使该目标部署区域为非规则的多矩形组合形体，因此，有必要提出一种优化排布处理算法，通过充分利用该非规则区域，来获得最大光伏板排布发电面积。为此，经实地屋顶数据采集和研究分析，本专利技术采用先对多矩形组合形体中交叉区域进行提取，然后分别将该交叉区域进行东西或南北方向组合比对的处理方法，其中，在组合以后的区域分割中，还深入研究了相邻矩形区域交错即南、北向界线不一致情况下，两相邻区域光伏板的相互阴影干涉问题。本专利技术基于对相邻交错光伏板阴影的投影分析，通过三角几何建模与处理获得了两相邻区域光伏板之间东西向间距的计算式，从而可以基于该计算式获得各组合情形下非规则区域中光伏板的优化分布。本专利技术的技术解决方案是：提供一种以下结构的建筑物屋顶光伏板排布系统，包括：用户接口单元、测量单元、定位单元、服务器和主机单元，所述用户接口单元用来进行操作与显示，所述测量单元用来对屋顶进行各向三维测量，获得屋顶三维模型，所述主机单元分别与用户接口单元、测量单元、定位单元和服务器相连；所述主机单元包括事件处理模块、三维计算模块、干涉处理模块、排布优化模块及输入模块、输出模块，并且其被配置为：基于屋顶三维模型和模型实物尺度换算关系，三维计算模块计算得到屋顶各构筑物的三维尺寸及方位数据；干涉处理模块计算预设时刻太阳光照射下所述构筑物的阴影遮蔽区域，获得屋顶部署光伏板的非矩形可利用目标区域，针对所述目标区域，排布优化模块先获取预设时刻光伏板互不遮挡、及预设倾角约束下光伏板阵列的前后间距和东西间距的计算式；以所述目标区域的内部边界作延长线直至与目标区域的边界相交，以内部边界延长线为直角边所围范围与所述目标区域的交集区域构成的矩形为待组合矩形；以所述待组合矩形为基础，对所述目标区域其他部分按内部边界延长线进行划分得到多个可利用矩形块；将所述待组合矩形与可利用矩形块分别进行合并尝试，对能形成更大矩形的各合并尝试实施合并，并将合并后的矩形与目标区域剩余可利用矩形块共同构成一种部署组合；对于各种部署组合，分别按所获取的前后间距、东西间距计算式，并在光伏板的长度约束条件下在所述合并后的矩形、及其对应的剩余可利用矩形块分别进行光伏板的组合排列测算；最后以各种部署组合中光伏板面积最大的一种组合排列作为排布结果，并通过输出模块输出。作为优选，所述预设时刻为冬至日9时或15时，所述间距计算式以相邻光伏板为基础进行设置，其中，前后间距计算式为：式中，L为南侧光伏板的斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.建筑物屋顶光伏板排布系统，其包括：用户接口单元、测量单元、定位单元、服务器和主机单元，/n所述用户接口单元用来进行操作与显示，/n所述测量单元用来对屋顶进行各向三维测量，获得屋顶三维模型，/n所述主机单元分别与用户接口单元、测量单元、定位单元和服务器相连；所述主机单元包括事件处理模块、三维计算模块、干涉处理模块、排布优化模块及输入模块、输出模块，并且其被配置为：/n基于屋顶三维模型和模型实物尺度换算关系，三维计算模块计算得到屋顶各构筑物的三维尺寸及方位数据；干涉处理模块计算预设时刻太阳光照射下所述构筑物的阴影遮蔽区域，获得屋顶部署光伏板的非矩形可利用目标区域，/n针对所述目标区域，排布优化模块先获取预设时刻光伏板互不遮挡、及预设倾角约束下光伏板阵列的前后间距和东西间距的计算式；以所述目标区域的内部边界作延长线直至与目标区域的边界相交，以内部边界延长线为直角边所围范围与所述目标区域的交集区域构成的矩形为待组合矩形；/n以所述待组合矩形为基础，对所述目标区域其他部分按内部边界延长线进行划分得到多个可利用矩形块；将所述待组合矩形与可利用矩形块分别进行合并尝试，对能形成更大矩形的各合并尝试实施合并，并将合并后的矩形与目标区域剩余可利用矩形块共同构成一种部署组合；对于各种部署组合，分别按所获取的前后间距、东西间距计算式，并在光伏板的长度约束条件下在所述合并后的矩形、及其对应的剩余可利用矩形块分别进行光伏板的组合排列测算；最后以各种部署组合中光伏板面积最大的一种组合排列作为排布结果，并通过输出模块输出。/n...

【技术特征摘要】
1.建筑物屋顶光伏板排布系统，其包括：用户接口单元、测量单元、定位单元、服务器和主机单元，
所述用户接口单元用来进行操作与显示，
所述测量单元用来对屋顶进行各向三维测量，获得屋顶三维模型，
所述主机单元分别与用户接口单元、测量单元、定位单元和服务器相连；所述主机单元包括事件处理模块、三维计算模块、干涉处理模块、排布优化模块及输入模块、输出模块，并且其被配置为：
基于屋顶三维模型和模型实物尺度换算关系，三维计算模块计算得到屋顶各构筑物的三维尺寸及方位数据；干涉处理模块计算预设时刻太阳光照射下所述构筑物的阴影遮蔽区域，获得屋顶部署光伏板的非矩形可利用目标区域，
针对所述目标区域，排布优化模块先获取预设时刻光伏板互不遮挡、及预设倾角约束下光伏板阵列的前后间距和东西间距的计算式；以所述目标区域的内部边界作延长线直至与目标区域的边界相交，以内部边界延长线为直角边所围范围与所述目标区域的交集区域构成的矩形为待组合矩形；
以所述待组合矩形为基础，对所述目标区域其他部分按内部边界延长线进行划分得到多个可利用矩形块；将所述待组合矩形与可利用矩形块分别进行合并尝试，对能形成更大矩形的各合并尝试实施合并，并将合并后的矩形与目标区域剩余可利用矩形块共同构成一种部署组合；对于各种部署组合，分别按所获取的前后间距、东西间距计算式，并在光伏板的长度约束条件下在所述合并后的矩形、及其对应的剩余可利用矩形块分别进行光伏板的组合排列测算；最后以各种部署组合中光伏板面积最大的一种组合排列作为排布结果，并通过输出模块输出。


2.根据权利要求1所述的建筑物屋顶光伏板排布系统，其特征在于，所述预设时刻为冬至日9时或15时，所述间距计算式以相邻光伏板为基础进行设置，其中，
前后间距计算式为：
总
式中，L为南侧光伏板的斜置长度，β为安装倾角，为当地纬度。


3.根据权利要求2所述的建筑物屋顶光伏板排布系统，其特征在于，东西间距计算式取为：



式中，Lmax为东西相邻两块光伏板中较长一块、或其北端距目标区域南端最远一块的斜置长度，太阳方位角而太阳高度角


4.根据权利要求1所述的建筑物屋顶光伏板排布系统，其特征在于，屋顶的构筑物位于目标区域范围周边角落，所述不规则目标区域为L形、T形或十字形，所述待组合矩形位于L形、T形或十字形的交叉部位，且其分别与东西方向、或南北方向的可利用矩形块进行合并尝试。


5.根据权利要求1所述的建筑物屋顶光伏板排布系统，其特征在于，所述测量单元为三维激光扫描单元，所述三维激光扫描单元扫描得到屋顶点云数据后进行分割处理，将点云分成不同的面片区域，并以点、线、多边形的形式构建包括构筑物屋顶的三维模型；
所述三维计算模块以平台上标志物的实际尺寸及其在...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹细勇，胡晓静，赵黄海，张建生，陈亮，杨凯，
申请(专利权)人：中国计量大学上虞高等研究院有限公司，中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33