基于AutoCAD的分布式光伏电站 设计软件的介绍

赵 雨，籍楚雄，朱艳燕

(1.上海电力大学数理学院，上海201306；2.港华能源投资有限公司，苏州 215128)

0 引言

为实现碳达峰、碳中和目标，中国光伏行业迎来了蓬勃发展的外部助力。截至2021年底，中国分布式光伏发电累计并网装机规模达到1亿kW；2021年，分布式光伏发电新增并网装机规模约为2900万kW，约占全部光伏发电新增并网装机容量的55%[1]。

随着太阳电池的光电转换效率已逐渐达到极限，光伏组件的发电效率稳定提升0.1%已非常难，但因光伏发电系统设计时存在缺陷甚至出现错误而导致光伏组件的发电效率降低幅度超过0.1%的情况却极易发生。在分布式光伏电站的工程实践中，光伏组件不按最佳倾角安装及障碍物阴影部分的严重遮挡都会在一定程度上降低光伏组件的发电效率。而可安装光伏组件的屋顶包括平屋顶、斜屋顶等屋顶形式，以及彩钢瓦屋顶、陶瓷瓦屋顶、混凝土屋顶等多种材质的屋顶，屋顶上常会有天井、太阳能热水器等障碍物，这些障碍物旁边会产生阴影，如果阴影出现的时间过长，则不适合放置光伏组件，否则不仅会降低光伏组件的发电效率，而且严重时甚至会产生热斑效应[2]，损坏光伏组件。光伏电站在设计过程中不仅要调研项目所在地的经纬度、日照、阴雨天数等气象数据[3]，还要考虑光伏组件、逆变器的选型，光伏组件的排布，光伏支架的选型与排布，以及光伏发电系统的电气连接方式等多项内容，若这些内容仅依靠人工完成，工作量巨大。基于此，本文开发出一套基于AutoCAD的分布式光伏电站设计软件，该软件可极大降低分布式光伏电站的设计难度，提高设计效率，大幅降低光伏电站在前期、可研、施工等各阶段的设计时间。此外，该软件简单易操作，初学者可快速入门，使其能尽快熟悉光伏电站的设计流程和需遵守的基本原则，解决光伏发电项目多、时间紧情况下面临的人力资源紧缺的矛盾。

近年来，国内已有光伏行业同行尝试开发与本文所述软件类似的光伏电站设计软件。比如，2012年，刘学[4]提出了一种基于AutoCAD的民用建筑并网光伏发电系统计算机辅助设计软件，通过 AutoCAD 软件以VLISP为开发工具对计算机辅助设计(CAD)进行二次开发，实现了项目信息的新建、光伏组件最佳倾角及其年接收的太阳辐照总量的计算、光伏发电系统最佳装机容量的计算、光伏组件和并网逆变器的匹配选择、光伏组件最小允许安装间距的计算、安装并网光伏发电系统时建筑物防雷类别的确定、光伏发电系统年和月发电量的估算、光伏发电系统的投资额与投资回收期的计算、光伏发电系统环保效益的分析、相关数据库的更新等。

2017年，李世民等[5]申请了《一种太阳能光伏发电站的设计方法及系统》的发明专利。该系统基于Excel软件，可根据计算结果确定光伏组件的排布，并可对光伏阵列的排布进行优化计算；还能实现光伏电站中电缆、光伏阵列排布及场地平面的设计。

2019年，张俊俊等[6]申请了《一种光伏构件排布方法及光伏阵列建设确定方法》的发明专利，该专利提供的光伏构件排布方法及光伏阵列建设确定方法，实现了对建设区域内光伏构件的排布，专业技术人员无需依托专业的设计软件来进行排布设计，从而解决了现有技术中天窗、光伏组件及光伏组件立柱等的排布方法对设计人员专业性和技术性要求较高且耗时较长的问题。

上述文献中均未对女儿墙和其他障碍物产生的阴影对光伏组件排布的影响进行分析，更不具有自动删除被遮挡光伏组件的功能，而且不包括当今主流的光伏组件及逆变器的选型，也不具有自动生成光伏支架图、电气连接图等功能。但本文提出的软件(下文简称为“本软件”)不但能自动生成光伏组件排布图，而且实现了对障碍物的阴影分析，并能自动删除排布好的光伏方阵中被障碍物遮挡的光伏组件。

1 本软件的主要功能

考虑到VLISP和AutoCAD软件均具有强大的制图功能与通用性，因此本软件是以VLISP为工具，并基于AutoCAD进行开发。本软件覆盖了分布式光伏电站设计的整个过程，其模块包括：基本设置、图框操作、目录封面操作、排布图制作、光伏方阵设计、安装详图、总平面图设计、电气设计、监控通信、材料清单等。

本软件可适用于绝大部分屋顶光伏电站的设计，比如，平屋面、斜屋面及彩钢瓦屋顶等。本软件中的排布图制作模块不但能自动生成光伏组件的排布图，且能对障碍物阴影进行分析，并且自动删除排布图中被障碍物遮挡的光伏组件；光伏方阵设计模块能自动绘出光伏支架的结构图；安装详图模块包括彩钢瓦安装详图和混凝土安装详图，此处以彩钢瓦安装详图为例进行介绍，该模块能自动绘制出彩钢瓦屋顶护栏的安装示意图、彩钢瓦屋顶逆变器的安装示意图、彩钢瓦屋顶桥架-检修通道的安装详图、彩钢瓦屋顶桥架下墙的安装示意图、彩钢瓦屋顶光伏支架的安装示意图；总平面图设计模块能进行逆变器、低压并网柜的布置，桥架的设计，接地线的布置，接地系统和施工线路的统计，清洁系统的设计及检修通道的设计与统计；电气设计模块具有电气高压接入设置、电气低压接入设置、光伏组串设计、光伏组件型号及技术参数添加、逆变器交流电缆与直流电缆的数量更新等功能；监控通信模块能自动生成光纤通信监控系统结构示意图、无线通信监控系统的结构示意图、分布式光伏电站视频监控部分卷册、监控器和环境监测仪数据；材料清单模块一键生成Excel格式的低压光伏发电系统材料清单。

2 本软件的使用流程

本软件的总体使用流程如图1所示。

图1 软件的总体使用流程图Fig. 1 Overall use flow chart of software

图1中进行障碍物阴影分析时，需先输入女儿墙或障碍物的尺寸，然后本软件会自动进行阴影分析，并自动删除阴影内的光伏组件。

3 排布图设计中的设置方式

1)选择“初始化设置”后，软件会自动生成设计光伏电站时的基本图层。

2)选择“地区设置”后，需选择省、市，软件会自动生成所需地区的气象参数，但也可手动输入。地区设置的界面如图2所示。

图2 地区设置的界面 Fig. 2 Interface of regional setting

3)光伏组件参数的设置。选择光伏组件的生产厂家和型号后，软件会自动生成光伏组件的技术参数。本软件中的数据库包括了当今主流的光伏组件型号，而且还能对型号进行及时更新。光伏组件参数设置的界面如图3所示。

图3 光伏组件参数设置的界面 Fig. 3 Interface of PV module parameter setting

4)逆变器参数设置。选择逆变器的品牌和型号后，软件会自动生成逆变器的技术参数。逆变器参数设置的界面如图4所示。

图4 逆变器参数设置的界面Fig. 4 Interface of inverter parameter setting

5)交流电缆参数设置。操作步骤为：选择电缆参数→电缆初选→电缆选型→确认。

6)光伏组串中光伏组件数量的计算。可根据已选好的光伏组件及逆变器型号由软件自动计算光伏组串中光伏组件的数量，然后软件会给出推荐值。软件中的算法是按照GB 50797—2012《光伏发电站设计设计规范》的相关要求进行设计的[7]。

4 排布图制作模块中的设置方式

排布图制作模块的界面如图5所示。

图5 排布图制作模块的界面Fig. 5 Interface of layout drawing module

1)阴影分析的设置。依据实际需要选择女儿墙阴影分析或障碍物阴影分析，然后输入女儿墙或障碍物相对于屋顶的高度及建筑物的方位角，从而进行阴影分析。

2)光伏方阵的设置。可设置屋面上光伏方阵检修时主次通道的宽度、模数，然后选择坡屋面排布或平屋面排布，当选择坡屋面排布时，光伏方阵的倾角默认为0°；当选择平屋面排布时，光伏方阵倾角依据屋面设置中的“方阵倾角”来确定。

3)光伏组件统计的设置依据提示框勾选需要统计的光伏组件，包括光伏组件的制造商、型号、数量、单块光伏组件的功率及光伏组件的总容量，然后得到统计结果。光伏组件统计的界面如图6所示。

图6 光伏组件统计的界面Fig. 6 Interface of PV module statistics

5 方阵设计模块的功能

方阵设计模块的功能包括光伏支架与立柱的绘制及光伏支架基础的计算等。该模块可自动生成彩钢瓦或混凝土屋面上光伏组件支架和支架立柱的安装示意图。也可手动绘制不同类型光伏支架及其立柱。支架绘制的界面如图7所示。

图7 支架绘制的界面Fig. 7 Interface of bracket drawing

6 材料清单模块的设置

按照材料清单模块操作步骤的指引选择光伏支架的布置区域，该模块将自动生成光伏支架材料清单，光伏支架材料清单的界面如图8所示。

图8 光伏支架材料清单的界面Fig. 8 Interface of bill of materials for PV brackets

7 安装详图模块的功能

安装详图模块可根据光伏电站所在地的场景类型及用户需求自动生成各部件的安装详图，如图9所示。

图9 安装详图的界面 Fig. 9 Interface of detailed installation drawing

8 结论

针对目前国内缺乏专业、高效的分布式光伏电站施工图设计软件，且各家公司的施工图纸制作存在不规范、设计效率低的问题。本文以VLISP为工具，基于AutoCAD开发了一套分布式光伏电站设计软件。该软件可应用于多种屋顶场景，包括基本设置、图框操作、目录封面操作、排布图制作、光伏方阵设计、安装详图、总平面图设计、电气设计、监控通信、材料清单等模块，覆盖了分布式光伏电站设计的全过程。该软件将多项功能集成化，极大提高了设计效率，大幅降低了分布式光伏电站在前期、可研、施工等各阶段的设计时间。本研究可为分布式光伏电站的设计、施工提供参考。