Sunlight软件在光伏电站设计中阴影分析的应用

1、sunlight介绍

Sunlight是一款用于三维日照分析的软件。Sunlight建立在完全自主版权的纯中文三维图形平台之上,不使用任何国外软件平台支撑就可以完成所有分析和计算工作,用户无需二次购买正版图形平台产品,用户使用时不涉及任何盗版问题。符合国家大力倡导的自主创新精神,在当前全社会版权意识日益增强和打击盗版的力度日益加大的形势下,对政府主管部门和广大设计单位都具有很大的现实意义。

软件提供三维建筑实体精确建模、多种格式的外部三维模型导入、曲面地形场地等造型手段,简单高效的“自造建筑”功能,直接建造常见的基于拉伸体的建筑轮廓,并有多种布置门窗、单双坡、多坡屋顶等各种造型屋顶自动生成和编辑功能。任意建模工具可输入多种几何造型。解决了一般软件中无法处理的复杂三维建筑模型建造、任意曲面造型等问题,如可以通过放样工具快速生成立交桥模型。

可导入多种外部软件生成的建筑模型,如Autocad的DWG文件,3DMAX的3DS文件和第三方软件日照分析模型,并可将结果输出为DWG文件和3DS文件。

软件严格按照国家及各地区有关日照的相应标准及规范,以三维实体模型作为分析数据依据,采用《建筑设计资料集》太阳位置计算公式、日影原理、光线返回法、阴影轮廓法等技术,提供日照基本计算数据设置和日照计算方法。在很多应用功能中,光伏友哥筛选了对光伏设计进行阴影分析事有帮助的一些功能供大家了解,其他功能大家可以网上百度了解。

(1)软件提供全国各省市经纬度表,包含2600多个城市信息,可计算全国所有地区日照情况,还可以根据用户输入的时间自动计算太阳高度角和方位角,绘制太阳棒影图和日照圆锥。

(2)可分析遮挡建筑和被遮挡建筑关系。

(3)“空间点分析”功能用于计算任意空间点的全天总日照时间、分段日照时段和最大连续日照时段,并以表格形式输出结果。

(4)“线上点日照时间分析”用于分析任意空间折线(如建筑首层窗台高度的轮廓线)上分布点的全天日照时间。

(5)“平面等时线”功能可计算多栋遮挡建筑影响下地面网格点上的全天日照时间和日照等时线,软件可自动处理建筑墙体内外的日照突变的情况。计算结果用数字法、符号法和立柱法表达。

(6)“立面等时线”功能可以计算建筑物墙面、拉伸体立面的等照时线,“任意面等时线”功能可计算任意三维面的日照遮挡,“坡地等时线”功能可计算曲面地形(如山体)的遮挡和自遮挡。

(7)可绘制主客体范围图和全天阴影遮挡范围图。

在上述功能中,对光伏设计而言,最常用的功能可以总结为:常用分析中的“真实阴影遮挡范围”,辅助分析中的“瞬时地面阴影轮廓,瞬时任意地面阴影轮廓,太阳方位计算,棒影图”,参数设置中的“日照标注和自定义朝北方向”。光伏设计工程师可以采用专业软件sunlight进行光伏设计的辅助分析,有利于精确分析阴影范围、遮挡情况和快速开展后续设计工作。下文中,光伏友哥针对常用的分析功能进行相关的介绍。

2、新建工程

打开sunlight软件,“新建工程”。根据对话框输入工程名和选择工程目录。如果有已建工程,则可以直接点击“打开工程”。

Sunlight软件在光伏电站设计中阴影分析的应用
图1 sunlight新建工程对话框

建好工程后,即可在软件中建模。如果已有DWG格式的CAD文件,打开“文件”下拉菜单栏,可以直接将DWG文件导入到sunlight软件。当sunlight软件完成分析,保存后,可在此菜单栏中选择“导出DWG文件”,工作成果即可导入到CAD软件中继续使用。

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图2 文件下拉菜单导入导出DWG文件

3、日照标准设置和指北针设置

参数设置的第一行为日照标准参数设置。Sunlight软件提供了默认的几种日照软件,其中有“默认全国住宅建筑冬至日日照标准”,可以作为冬至日的阴影分析。如果需要分析其他时间的阴影,可以在日照标准管理对话框中新建日照标准。如建立夏至日的标准,在设置日照标准中,根据对话框内容分别选择地理位置,分析日期,和有效日期时间带,时间间隔。其中时间间隔为分析过程中的步长,也是决定输出结果详细程度或者结果精度的数据,默认1分钟,即输出结果为1分钟一个曲线,由于对于光伏设计而言时间间隔1分钟并无必要,因此光伏友哥建议该输入条件设置为30分钟或者60分钟,下文均已30分钟模拟。

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图3-1 日照标准设置

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图3-2 日照标准设置

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图3-3 日照标准设置

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图3-4 日照标准设置

参数设置的下拉菜单栏中“自定义朝北方向”,点击后,在对话框中可以设置“正北方向与X轴夹角”,还可以将设置好的指北针方向标注到图形中。指北针默认90度角即上方朝向为正北,设置其他角度后,阴影分析中,阴影不再是左右对称。

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图4 指北针设置

4、障碍物阴影分析案例

常用分析中的“真实阴影遮挡范围”,辅助分析中的“瞬时地面阴影轮廓,棒影图”,三个功能提供了,针对障碍物,进行不同日期的阴影分析和绘制遮挡范围线,以及不同时间点的太阳高度角和方位角信息。下文针对一个柱状物体分析真太阳时9:00到15:00之间的阴影。在常用分析中,点击“真实阴影遮挡范围”,逐次选择夏至日、春分/秋分、冬至日,形成阴影范围如左图所示;在辅助分析中,点击“瞬时地面阴影轮廓”,逐次选择夏至日、春分/秋分、冬至日,形成的阴影如中图所示;在辅助分析中,点击“棒影图”,逐次选择夏至日、春分/秋分、冬至日,可形成标注时间、太阳高度角、太阳方位角的棒影图,即中图中增加时间、太阳高度角、太阳方位角三要素的标注,下图右图为冬至日棒影图。

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图5 阴影图类型示例

本文建立一个案例模型,两个厂房分别高15米和10米,命名为A屋面和B屋面,还有一个30米高的柱状建筑物。平面布置图经过拉伸后,三维立体图如下图所示。

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图6 sunlight中案例建模

柱状建筑物对A、B屋面形成的阴影遮挡分析,采用辅助分析中的“瞬时任意地面阴影轮廓”,步骤是,先选择遮挡实体,然后选择投影面,如下图彩色的阴影线(设置时间步长为30分钟,默认时间为1分钟)。A屋面对B屋面的阴影遮挡同理。为了进一步显示阴影效果,可以点击“日照实时阴影显示”,在对话框中选定日期为冬至日后,拖动时间条,即可看到黑色阴影动态变化。

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图7 建筑朝向正南是的障碍物阴影分析

当自定义朝北方向时,如正北方向与X轴夹角60度,即北偏东30度时,阴影变化如下图所示。

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图8 建筑朝向改变后(北偏东30°)阴影分析

窗口右下角的工具栏中,提供了不同的视角按钮,具体每个标志对应的含义,比较简单,本文不做过多的介绍。

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图9 视角工具栏

根据上文的阴影范围分析,我们可以看到柱状障碍物较高,在两个不同高度的屋面上形成的阴影是不连续的,应使用“瞬时任意地面阴影轮廓”的功能分别模拟,或者使用“瞬时地面阴影轮廓”模拟时,输入不同的高度,分别对不同高度的AB两屋面模拟,但每次模拟时超出屋面的部分应去掉。当建筑朝向不是正南正北的时候,应对指北针方向进行设置,避免模拟结果错误。

由于光伏电站建设的场地,有平地、混凝土平屋面、彩钢瓦坡屋面或者其他坡屋面,在sunlight软件中,通过不同视角、工具推拉、平屋顶和多坡屋顶等工具,建立各种坡屋面进行模拟,也非常便利。再通过上述阴影模拟方法,可以绘制障碍物不同坡度、不同高度上的阴影。下文提供一个简单的案例,见下图,建立坡屋顶,障碍物在坡屋顶上的阴影分析。对于很多复杂的户用屋顶光伏系统的设计,分析障碍物在屋面上的阴影遮挡非常便利和有效,这种阴影是难以通过太阳高度角、方位角、三角函数等公式计算的。阴影分析后,在非阴影区,即可安装光伏系统设计要求进行光伏组件布置工作。

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图10 障碍物在坡屋顶上的投影分析

5、太阳轨迹的数据

建筑物或障碍物的阴影曲线、区域,是由太阳轨迹和相对空间条件决定的。若需查询太阳轨迹数据,可在辅助分析菜单栏中点击“太阳方位计算”,设定输入条件:地理位置,分析时间,输入分析时刻,点击计算,该对话框中提供了方位角和高度角的计算结果。如果计算全天的太阳位置数据,点击最下面一行“全天方位计算”按钮,输出“太阳位置记事本”,从日出到日落每半个小时的太阳位置数据。

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图11 太阳方位计算对话框

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图12 太阳位置数据示例

6、总结

光伏电站中前后阵列间距的设计,通常都是针对组件位于平地、方位角朝向正南方向的情景,根据光伏电站设计规范中的公式即可计算。在光伏系统设计中,女儿墙或建筑物等障碍物的阴影分析,主要是规避阴影遮挡区域后用来做光伏组件布置图。对于障碍物的遮挡阴影分析,通常是采用障碍物和组件的高差乘以阴影系数,即得出阴影范围。但对于复杂情景,无论是组件的阵列间距还是障碍物的阴影分析,都难以计算。应用光伏软件PVsyst进行的阴影分析主要用来分析阴影对发电量产生的损失,做复杂场景中的障碍物分析并不方便。简单的障碍物阴影通过公式计算虽然可行,但是计算量非常大,绘制到图纸上更不容易,稍微复杂的阴影情况就难以操作。比较而言,Sunlight软件提供了CAD图纸导入和导出,阴影分析简单方便,展示直观,为光伏设计工程师进行光伏设计提供了便利。

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