一种基于改进铁塔受力模型分析的塔载光伏布局方法

本发明涉及高压铁塔供电体系，具体涉及一种基于改进铁塔受力模型分析的塔载光伏布局方法。

背景技术：

1、高压输电实现了大规模电能的高效传输。为了更有效地利用当地可发电资源，市面上在输电铁塔上安装了光伏板太阳能收集装置。在多元化的应用场景下，为了增强铁塔的安全性和实用性，许多铁塔都安装了铁塔感知设备，用于监测塔体自身的沉降或倾斜度以及周围气象状况，使得铁塔的功能更加强大。基于光伏发电与传感器感知系统的结合，在高压铁塔领域取得了广泛的应用和发展。

2、然而，在相关技术方案中，特别是在铁塔感知设备的供电过程中光伏发电效率较低的情况下，虽然在一定程度上解决了发电效率的问题，但仍然存在着一些挑战。主要包括以下三个问题：一是塔载光伏的布局不佳，导致能源利用效率低下，未能充分利用光能；二是铁塔光伏的安装数量规划不清晰，存在无效安装现象，降低了光能捕获效率。三是对于塔载光伏布局的可行性分析存在不足之处，难以准确评估布局方案的可行性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于改进铁塔受力模型分析的塔载光伏布局方法，解决上述技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于改进铁塔受力模型分析的塔载光伏布局方法，包括以下步骤：

4、step1、基于风速载荷与受力分析模型，构建包含成本和发电功率目标与布局约束的塔载光伏布局多目标规划模型；

5、step2、确定风速类型，建立铁塔上搭载光伏的风速模型；

6、step3、采用基于模拟退火的粒子群算法对塔载光伏布局多目标规划模型进行求解，得到塔载光伏板的最佳数量；

7、step4、根据step3中得到的塔载光伏板的最佳数量，考虑风荷载和地震荷载，对铁塔主钢材建立受力分析模型，判断塔载光伏布局方式的可行性。

8、上述的step1的具体步骤为：

9、基于风速载荷与受力分析模型，构建包含成本和发电功率目标与布局约束的塔载光伏布局多目标规划模型，多目标规划模型具体为：

10、优化目标1：多个塔载光伏的总集电效率最大化：

11、

12、其中，ξ1表示多个塔载光伏的总集电效率最大化；dni为法向直接辐射照度，n为光伏板总数，ai为光伏面板采光面积，ηi为光伏板接收效率；

13、优化目标2：多个塔载光伏的总建设成本最小化：

14、

15、其中，dijm1，dijm2，dijm3分别为第一层，二层，三层塔载光伏的建设成本，bijm为塔载光伏的光缆布线总成本；

16、多目标规划的约束条件及定义方式汇总如下：

17、

18、其中：etotal为光伏总输出热功率，dni为法向直接辐射照度，n为光伏板总数，ai为光伏面板采光面积，ηi为光伏板接收效率；g0为太阳常数，a,b,c为所述铁塔所在时间对应海拔的函数，αs为太阳高度角。ηshadow为阴影遮挡效率，ηcos为余弦效率，ηpenetrate为大气透射率，ηreflex为镜面吸收率；ηl-i为该光伏板的阴影损失和挡光损失。

19、上述的step2的具体步骤为：

20、将风速分为六种类型：周期性风、基本风、渐变风、湍流风随机噪声风，具体表达形式如下：

21、v＝vwbi+vwri+vwni+vper+vtur；

22、其中：vwb为所述基本风风速，vwr为所述渐变风风速，vwn为所述随机噪声风速，vper为所述周期性风风速，vtur为所述湍流风风速；

23、首先确定基本风定义：

24、vwbi＝ci；

25、其中：vwbi为对应环境下的基础风速，ci为对应的风速具体数值；

26、其次确定渐变风定义：

27、

28、其中：vgradualmax为所述对应时间的渐变风峰值，t1为所述渐变风的起始时间，t2为所述渐变风的终止时间；

29、然后确定随机风定义：

30、vrand＝vrand maxrand(-1,1)cos(φvi+λvi)；

31、其中；vrand max为所对应时间的所述随即风的峰值，rand(-1,1)表示介于[-1,1]中的任意数以此模拟其随机性，φvi为所述随机风的波动间距，λvi为在[0,2π]范围内的随机数；设定周期性风风速：

32、

33、其中；vper为风速随时间变化的函数，a为振幅，f表示频率，表示相位差；

34、最后设定湍流风风速：

35、vtur＝v+σξ(t)；

36、其中；vtur表示风速随时间变化的函数，v表示平均风速，σ表示湍流强度，ξ(t)表示一个随机过程，代表湍流的随机性。

37、上述的step3的具体步骤为：

38、step3.1、首先确定所述单个铁塔光伏板热功率计算方法，确定所述光伏板的热量吸收效率由阴影遮挡效率、余弦效率、大气透射率以及镜面吸收率构成，带入所述光伏板组对应参数，分区域划分所述光伏板布置策略；

39、step3.2、给定算法参数，初始化粒子群参与选址，初始化所述例子位置和速度；

40、step3.3、计算选址粒子的适应度并初始化退火温度pbest与gbest，判断终止条件是否满足，若不满足则计算每个选址适应度，以及选址粒子平均适应度；

41、step3.4、更新pbest与gbest，更新选址的位置和速度，并进一步计算每个粒子适应度以及平均适应度；

42、step3.5、判断△f，若不大于0则判断其是否大于初始设定随机值，若大于则接受选址粒子的位置和速度，△f为选址所处位置的评价值；

43、step3.6、根据最优选址粒子的收敛情况调整温度衰变系数，若不大于则直接根据最优选址粒子的收敛情况调整温度衰变系数，并进行退温操作；

44、step3.7、再次判断是否满足终止条件，若不满足则重新进行上述步骤，满足则输出最佳所述光伏板的最佳个数，以此满足最大效率吸收光能。

45、上述的step4的具体步骤为：

46、主钢材在实际受力状态下受到的弯矩和剪力影响包括：

47、

48、上式为铁塔钢材在风载荷以及地震载荷下的弹性应变能，其中hi为钢材的所处高度，ga为钢材的自身重力，ra为钢材的自身体积，αa为光伏面板与钢材夹角的数值；

49、动力分析涉及结构在动力荷载包括地震和风作用下的响应，模态分析和时程分析用于评估结构的动力特性；基本的动力分析公式为：

50、mu+cu+ku＝p(t)；

51、其中，m是质量矩阵，c是阻尼矩阵，k是刚度矩阵，u是位移向量，p(t)是随时间变化的外部荷载；

52、同时利用疲劳分析用于评估重复荷载作用下的结构的疲劳损伤和寿命，使用mine’s rule进行损伤累积的计算：

53、

54、其中，d是损伤指数，ni是在应力水平i下的循环次数，ni是在该应力水平下材料能承受的循环次数；

55、接着对铁塔杆件应力分析：

56、

57、其中σ为杆件应力，n为轴向力，a为截面面积，m为弯矩，s为截面模数；

58、桁架节点平衡方程，对于每个节点，写出平衡方程：

59、∑fx＝0,∑fy＝0,∑fz＝0；

60、其中，fi分别为x，y，z方向上的力；

61、功能梯度材料的弹性模量可以表示为：

62、

63、其中，e(z)是位置z处的弹性模量，e0是基准弹性模量，是弹性模量的梯度；

64、对于稳定性分析，本文采用屈曲分析来确定其稳定性，欧拉屈曲公式为：

65、

66、其中，pcr是临界荷载，e是杨氏模量，i是截面惯性矩，k是有效长度系数，l是杆件长度；

67、针对螺栓和焊缝，需要根据传递的内力来设计，螺栓的设计拉力可以使用公式：

68、

69、其中，p是螺栓的设计力，f是连接处的总力，n是螺栓数量，s是安全系数；

70、同时利用多尺度分析思想，描述桁架结构的局部刚度和整体稳定性：

71、

72、其中，a是杆件的截面面积，e是材料的弹性模量，l是杆件的长度，p是作用在杆件上的力。

73、上述的step3.1的具体步骤为：

74、step3.1.1、确定单个铁塔光伏太阳能板热功率计算方式；

75、step3.1.2、确定光伏板的热量吸收效率；

76、step3.1.3、带入光伏板组对应参数；

77、step3.1.4、分区域划分光伏板布置策略。

78、上述的step3.1.1具体步骤为：

79、首先确定单个铁塔光伏太阳能板热功率计算方式，所述单个铁塔上的光伏总输出热功率由法向直接辐射照度，光伏板总数，光伏面板采光面积和光伏板接收效率决定，具体计算公式如下：

80、

81、其中：etotal为光伏总输出热功率，dni为法向直接辐射照度，n为光伏板总数，ai为光伏面板采光面积，ηi为光伏板接收效率；

82、再确定法向直接辐射照度的定义方式：

83、

84、其中：g0为太阳常数，a,b,c为所述铁塔所在时间对应海拔的函数，αs为太阳高度角；

85、step3.1.2具体步骤为：

86、对铁塔上中的某一个光伏板进行研究，并得出其热量吸收效率的计算方法，具体计算公式如下：

87、η＝ηshadowηcosηpenetrateηreflex；

88、其中：ηshadow为阴影遮挡效率，ηcos为余弦效率，ηpenetrate为大气透射率，ηreflex为镜面吸收率；

89、首先确定镜面吸收率：

90、此处令镜面吸收率为不变常数；

91、ηreflex＝constant；

92、其中：ηreflex为镜面吸收率，假定所述铁塔中每一面光伏板的板面吸收率相同，为某一常数；

93、然后确定空气透射率：

94、一面光伏板的大气透射率的计算公式如下：

95、ηpenetrate＝1.97×10-8×dhr,i2-0.0001176dhr,i0.99321；

96、其中，ηpenetrate为单个光伏板镜面中心与空气厚度关系之间的距离，其中厚度关系由具体实地考察依据大数定律汇总得到；

97、接着确定余弦效率；

98、根据数量积的定义，得到单个光伏板对应的余弦值，得出余弦效率计算公式为；

99、

100、其中：为入射光线方向向量，为单个光伏板的镜面法向量；

101、最后根据对应遮挡物确定遮挡效率：

102、确定塔挡损失：

103、首先考虑经过光伏板上的入射光线是否经过塔身，即被塔身遮挡，当遮挡后即不需考虑是否该光线的入射和反射；

104、入射光线可表示为；

105、

106、描述光锥束侧边任一光线；

107、

108、再将光锥坐标系进行坐标变换，换为地面坐标得到；

109、

110、其中取光伏板面上任意一点g(xb,yb,zb)，联立方程：

111、

112、得到以下式子：

113、(xrb2+yrb2)t2+2(xbxrb+ybyrb)t+xb2+yb2-r2＝0；

114、其所对应的判别式如下：

115、

116、若△≥0，则：

117、

118、若为判断入射主光线是否被塔身遮挡，同理如上联立方程求判别式；且每块光伏板的入射光线均需要判断是否被塔身遮挡，则此时将第i根入射光椎束是否被塔身遮挡记为b1i，其为0，1变量：

119、

120、确定阴影损失与挡光损失：

121、记光伏板离散化后共有s个点，其中共有s个点为“无效点”，则该光伏板的阴影损失和挡光损失如下：

122、

123、其中：ηl-i为该光伏板的阴影损失和挡光损失；

124、此时确定无效点的判断标准：

125、以铁塔坐标系为中介，通过坐标转换矩阵将目标点坐标和太阳光方向向量转化至镜面坐标系，此时目标点的坐标为gb(xb,yb,rb)，反射光方向向量为rb(xrb,yrb,zrb)；

126、在铁塔坐标系中，可以得到从目标点发出的光伏反射光线所在的直线方程：

127、

128、若x∈[-wa/2,wa/2]且y∈[-wb/2,wb/2]同时z∈[-wc/2,wc/2]，认为光伏反射光线与光伏板相机，即目标点存在挡光损失，为“无效点”，wa,wb,wc分别为光伏板的板面宽度和板面高度和板面长度；

129、将光伏板离散化为s个点后，通过遍历的方法逐一判断每一个点是否为“无效点”，得出“无效点”的数量sl，由此可以得出光伏板的阴影损失和挡光损失；

130、

131、step3.1.3具体步骤为：

132、光伏板的采光面积为镜面宽度与镜面高度的乘积：

133、ai＝wa×wb；

134、其中，wa,wb分别为光伏板面的宽度以及高度；

135、给出铁塔中所有光伏板的位置坐标：

136、gi＝gb(xb,yb,rb)；

137、同时给出所有光伏板的光线反射坐标：

138、ri＝rb(xrb,yrb,zrb)；

139、给出所述铁塔时间的海拔h；

140、确定光伏板的单位建设成本di，其为所选材料以及建设方式决定；

141、step3.1.4具体步骤为：

142、在第二个至第n个区域，光伏板的排布原则为：在铁塔的同一个区域内，每一层布置的光伏板数量相同，不同层之间光伏板交错排列；不同区域间第一层的周向间距相等，通过周向间距极限因子确定每一个区域内的层数；

143、周向间距为“特征直径”和“方位间距”中较大的值，根据光伏板的排布原则，不同区域间第一层的周向间距相等：

144、△a2,1＝△a3,1＝l＝△az,1＝max{asf·wa,△d}；

145、其中：将铁塔划分为z个区域，asf为方位间距因子常数；

146、假设光伏板的排布原则，在同一区域内，每一层部署均匀排列的光伏板总数相同，且得到周向间距计算方法：

147、

148、考虑到两层之间的距离，需满足如下式子：

149、

150、通过周向间距极限因子确定每一个区域内的层数：

151、

152、其中：将铁塔划分为z个区域，第i个区域共有mi层，ar为常数；

153、确定区域与区域之间的间隙为光伏板的特征直径：

154、△ri,m＝△d；

155、得到所述铁塔上的光伏太阳能板个数确定方法优化改进部分，运用基于粒子群优化的模拟退火算法下的最大化单位吸收功率，最小化建设成本的多目标规划模型：

156、

157、其中：dni为法向直接辐射照度，n为光伏板总数，ai为光伏面板采光面积，ηi为光伏板接收效率，dijm为对应光伏板的建设成本。

158、本发明提供的一种基于改进铁塔受力模型分析的塔载光伏布局方法，通过模拟退火的粒子群优化算法解决多目标规划模型，其中包含成本最小化和发电功率最大化的目标，同时考虑布局约束得到最优的塔载光伏布局策略。此外，本发明还建立了基于风速载荷、杆塔结构单元和风振系数等指标的动态因素分析模型，用于对三层式塔载光伏布局的可靠性进行评估。在计算杆塔应力等指标后，本发明进行了可视化处理，确保各项最大压力均在铁塔钢材承载力数据范围内。通过此方法，塔载光伏可以最大限度地利用光能的同时确保铁塔钢材的安全性，从而为塔载光伏技术的发展提供了一种可靠的解决方案。