基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法及系统

技术领域

本发明属于新能源发电领域，具体涉及一种基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法及系统。

背景技术

在可再生能源飞速发展的大环境下，随着风电、光伏等大规模开发，我国华北、西北等光资源富集的区域，相对平坦开阔的可光伏建设的土地已消耗殆尽。光伏项目投资者借着光伏发电技术革新和设备价格走低的行业现状，尝试着向中低山丘陵区推进。

光伏发电行业已正式进入平价上网时代，在此背景条件下，光伏投资方需要尽可能的扩大规模，以降低初投资中公共部分的成本分摊。如此，出现了大范围复杂地形筛选光伏可利用地的需求。纯人工筛选，即耗费设计大量时间，又不能保证准确性，投入人力过多时，还存在筛选尺度不一致的问题。为提高大范围复杂地形筛选光伏可利用场地工作的效率和准确性，特提出此筛选方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法，在保证准确性的前提下，提高复杂地形筛选光伏可利用地的效率，为光伏项目前期开发节省时间，节约设计者的重复性工作的时间投入。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法，具体如下：利用可进行三角形曲面建模的软件导入大范围的地形图创建三角形曲面，

获取曲面内的所有的空间三角形平面及其法向量，并分别按顺序保存在各自的链表结构中，分别得到三角形平面链表和三角形法向量链表；

遍历法向量链表，求取对应的三角形平面的坡度单位向量；

将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为负值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向可布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量和XOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于相应的东西向限制坡度和南北向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为正值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向允许布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于南北向允许坡度值，和XOZ平面分向量小于东西向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果判断三角形可用，则将对应的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域。

所述可进行三角形曲面建模的软件为Civil3d或CAD。

通过法向量计算其坡向坡度向量具体如下：

设三角形平面的法向量为(A1，B1，C1)，三角形平面与水平面的夹角为θ，三角形相对于水平面的坡度单位向量为(A2,B2,C2)，已知水平面的坡度向量为(0,0,1)；

则有

B1/A1＝B2/A2

A2*A2+B2*B2+C1*C2＝1

如此求得三角形平面相对于水平面的坡度向量(A2,B2,C2)。

采用平行四边形法则将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量。

通过坡度向量计算XOZ平面和YOZ平面的分向量具体如下：

已知三角形平面相对于水平面的坡度单位向量为(A2,B2,C2),

则该三角形平面的方程可以表示为A1x+B1y+C1z+D1＝0，

设有一立方体OPQRSTUV其对角线OU为单位向量(A2,B2,C2)，

将点(0,0,0)带入平面方程(A1x+B1y+C1z+D1＝0)，可知D1＝0；则平面方程变为A1x+B1y+C1z＝0；

将点(0，B2)带入平面方程(A1x+B1y+C1z＝0)可求得三角形平面在YOZ平面上的分向量OW；

将点(A2,0)带入平面方程(A1x+B1y+C1z＝0)可求得三角形平面在XOZ平面上的分向量ON。

在空间曲面上标记所述三角形时基于Civil3d的二次开发接口进行。

基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选系统，包括三角形曲面创建模块、三角形法向量链表获取模块、坡度单位向量计算模块、三角形平面分向量获取模块以及判断模块

三角形曲面创建模块利用可进行三角形曲面建模的软件导入大范围的地形图创建三角形曲面，

三角形法向量链表获取模块用于获取曲面内的所有的空间三角形平面及其法向量，并分别按顺序保存在各自的链表结构中，分别得到三角形平面链表和三角形法向量链表；

坡度单位向量计算模块用于遍历法向量链表，求取对应的三角形平面的坡度单位向量；

三角形平面分向量获取模块用于将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量；

筛选模块用于对分向量进行判断并将可用的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域；

具体的，如果YOZ平面上的分向量Y方向为负值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向可布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量和XOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于相应的东西向限制坡度和南北向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为正值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向允许布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于南北向允许坡度值，和XOZ平面分向量小于东西向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果判断三角形可用，则将对应的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域。

一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的方法省去了人工逐区域分析地形图所花费的大量时间；应用的软件亦是常规工程设计所需的软件，计算工作量较小；而且整个范围内选择的标准统一，避免了人工筛选时因为肉眼的局限性造成的尺度不统一的情况，而且能避免人工筛选时遗漏，能极大地提高筛选的准确率和效率。

附图说明

图1为本发明的单个三角形通过法向量获取坡度分向量的示意图；

图2为坡度向量(单位向量)分解为XOZ平面和YOZ平面分向量示意图

图3为本发明的项目应用实例截图。

附图中的△ABC仅仅是为说明本筛选方法假定的一个空间三角形实例的示意图。实际应用本方法可以利用Civil 3D软件(或其他可进行三角形曲面建模的软件)的基础功能和二次开发才能实现。首先，利用Civil 3D软件(或其他可进行三角形曲面建模的软件)导入大范围的地形图(等高线)创建三角形曲面。其次，利用Civil 3D的API获取曲面内的所有的空间三角形及其法向量。然后再依照本筛选方法所述过程进行逐一的比对筛选可布置的三角形。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图，对专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法，具体如下：利用可进行三角形曲面建模的软件导入大范围的地形图创建三角形曲面，

获取曲面内的所有的空间三角形平面及其法向量，并分别按顺序保存在各自的链表结构中，分别得到三角形平面链表和三角形法向量链表；

遍历法向量链表，求取对应的三角形平面的坡度单位向量；

将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为负值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向可布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量和XOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于相应的东西向限制坡度和南北向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为正值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向允许布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于南北向允许坡度值，和XOZ平面分向量小于东西向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果判断三角形可用，则将对应的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域。

所述可进行三角形曲面建模的软件为Civil3d或CAD。

通过法向量计算其坡向坡度向量具体如下：

设三角形平面的法向量为(A1，B1，C1)，三角形平面与水平面的夹角为θ，三角形相对于水平面的坡度单位向量为(A2,B2,C2)，已知水平面的坡度向量为(0,0,1)；

则有

B1/A1＝B2/A2

A2*A2+B2*B2+C1*C2＝1

如此求得三角形平面相对于水平面的坡度向量(A2,B2,C2)。

采用平行四边形法则将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量。

通过坡度向量计算XOZ平面和YOZ平面的分向量具体如下：

已知三角形平面相对于水平面的坡度单位向量为(A2,B2,C2),

则该三角形平面的方程可以表示为A1x+B1y+C1z+D1＝0，

参考图2，设有一立方体OPQRSTUV其对角线OU为单位向量(A2,B2,C2)，

将点(0,0,0)带入平面方程(A1x+B1y+C1z+D1＝0)，可知D1＝0；则平面方程变为A1x+B1y+C1z＝0；

将点(0，B2)带入平面方程(A1x+B1y+C1z＝0)可求得三角形平面在YOZ平面上的分向量OW；

将点(A2,0)带入平面方程(A1x+B1y+C1z＝0)可求得三角形平面在XOZ平面上的分向量ON。

在空间曲面上标记所述三角形时基于Civil3d的二次开发接口进行。

参见图1，本发明提供一种适用于大范围复杂地形图筛选光伏可利用地的方法。空间坐标系XYZ中O为零点，OD是三角形ABC的法向量，E点、F点分别是平面ABC延伸平面在X轴、Y轴的交点，做线段DG垂直于EF，H点为D点在XOY平面上的正投影，则∠DGH是平面ABC与XOY平面的夹角，由D点向G点在DG上截取长度为1的线段DI，则向量DI与平面ABC相对于XOY平面的坡度单位向量平行且模相等。设有一点J(x,y,z)使得向量OJ平行于向量DI，且其模等于1。如此，可通过向量垂直关系、勾股定理、以及向量OD和向量OJ的ΔY/ΔX相等三个关系即可求解出J点的位置。求得向量OJ后，即可得到OJ向量在YOZ平面分向量和XOZ平面分向量，随之可得到相应的分向量与对应的坐标轴的夹角，即可与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向可布置坡度比较大小，进而判断是否可以布置光伏组串。

实施例

参考图3，某风光综合基地新能源发电工程，本工程风电场规划装机容量4500MW，光伏规划装机容量1500MW，可研性研究阶段实测1:2000比例尺地形图逾4300km

另一方面，本发明还可以提供一种基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选系统，包括三角形曲面创建模块、三角形法向量链表获取模块、坡度单位向量计算模块、三角形平面分向量获取模块以及判断模块

三角形曲面创建模块利用可进行三角形曲面建模的软件导入大范围的地形图创建三角形曲面，

三角形法向量链表获取模块用于获取曲面内的所有的空间三角形平面及其法向量，并分别按顺序保存在各自的链表结构中，分别得到三角形平面链表和三角形法向量链表；

坡度单位向量计算模块用于遍历法向量链表，求取对应的三角形平面的坡度单位向量；

三角形平面分向量获取模块用于将三角形平面的坡度向量分解为XOZ平面和YOZ平面的分向量；

筛选模块用于对分向量进行判断并将可用的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域；

具体的，如果YOZ平面上的分向量Y方向为负值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向可布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量和XOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于相应的东西向限制坡度和南北向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果YOZ平面上的分向量Y方向为正值，再与项目所在纬度下的东西向可布置坡度和南北向允许布置坡度比较大小，如果YOZ平面分向量与XOY平面的夹角小于南北向允许坡度值，和XOZ平面分向量小于东西向限制坡度，则此三角形可用于布置光伏；

如果判断三角形可用，则将对应的三角形存入新的链表中，待所有的法向量遍历完成，所有的可用于光伏布置的空间三角形就全部存储在新的链表中，然后再在空间曲面上标记所述三角形筛选出光伏可布置区域。

再有，一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于空间三角形法向量的光伏可利用地筛选方法。

所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。

处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。

对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。

计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当的理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于本发明权利要求所划定的保护范围之内。