Optimierte Kabelverlegung und Verkabelungstechnik für Photovoltaikanlagen: Ein BIM-basierer Ansatz

1 Forschung zur Kabelverlegung und Verkabelungstechnologie von Photovoltaik-Kraftwerken
1.1 Datensammlung

Bevor das BIM-Modell für die Kabelverlegung erstellt wird, ist es notwendig, die detaillierten Parameter der beteiligten Gerätespezifikationen, verwendeten Baumaterialien und Standortbedingungen gründlich zu beherrschen, um die Genauigkeit des Modellbaus zu verbessern. Um sicherzustellen, dass das BIM-Modell die tatsächliche Situation am Bauplatz genau widerspiegelt, liegt der Kern darin, die spezifischen technischen Parameter der Schlüsselgeräte präzise zu erfassen und einzugeben. Dazu gehören die genauen Abmessungen der Kabelgräben, die detaillierten Spezifikationen der Verteilerkästen, die Außendurchmesser der Kabel und die spezifischen Parameter der Kabelkanäle. Die Beziehung zwischen diesen Parametern und dem Kabelmodell sollte den folgenden Regeln folgen:

In der Formel ist P die Menge der Schlüsselparameter; I die Genauigkeit des Kabelverlegungsmodells; f ordnet P zu I zu; und g ist die Anpassungsfunktion. Die genaue Erfassung der Parameter beeinflusst direkt den nachfolgenden Modellbau und die Praktikabilität. Während der Datensammlung sind die Geräteparameter eng miteinander verknüpft. Änderungen in den Daten eines einzelnen Geräts können Kettenreaktionen auslösen, was eine zeitnahe Anpassung der relevanten Parameter erfordert. Daher sollten in der Datensammlungsphase Strategien flexibel an die vor Ort herrschenden Bedingungen angepasst werden, um die Konsistenz und Genauigkeit der Daten sicherzustellen.

1.2 Aufbau des Kabelmodells

Während des Baus bilden Leiter nach der Ummantelung Kabel. Um Kabel mit Geräteanschlüssen zu verbinden, werden Anschlüsse an den Enden der Kabel installiert. Ein geometrisches Kabelmodell ist ein Hüllkörper, der durch Scannen seines Querschnitts entlang der Mittellinie gebildet wird. Der Querschnitt wird vereinfacht zu einem Kreis (Radius r) und R(s) = (d1(s), d2(s), d3(s)) definiert das lokale Koordinatensystem auf der Mittellinie S. Die Geometrie des Kabels wird präzise durch eine parametrisierte Gleichung ausgedrückt, die die Konstruktion der Hüllfläche beschreibt.

In der Formel stellt W die lokale Randmatrix dar; C(s) stellt den globalen Koordinatenpositionierungspunkt dar; M(s) stellt die Rotationstransformationsmatrix dar. Das auf dieser Formel basierende geometrische Kabelmodell ist in Abbildung 1 dargestellt.

In Abbildung 1 markiert die gestrichelte Linie S klar die zentrale Achse des Kabels. Ein Merkmalspunkt auf S wird als Knoten q gewählt, wo ein lokales Koordinatensystem R aufgebaut wird, um die Richtungseigenschaften des Querschnitts zu beschreiben. Insbesondere definiert d₁ (Einheitsvektor in der Hauptnormalrichtung) die Hauptnormalorientierung des Querschnitts; d₂ (Einheitsvektor in der Binormalrichtung, senkrecht zu d₁) verfeinert die Richtungsbeschreibung; d₃ (Einheitsvektor in der Tangentialrichtung entlang S) zeigt die Ausdehnungstendenz des Kabels bei q. Der Querschnitt bei q wird als kreisförmig mit Radius r₀ angenommen, was zusammen mit den Richtungsvektoren ein vollständiges geometrisches Modell für die nachfolgende Kabelinstanzanalyse bildet.

Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird die Kabelinstanz durch vier Eckpunkte v₁–v₄ definiert, die es in drei Segmente l₁: v₁–v₂; l₂: v₂–v₃; l₃: v₃–v₄ teilt, wobei v₁ und v₄ die Endpunkte sind. Für jedes Segment werden seine Querschnittsrichtungseigenschaften und Form durch seine Position/Länge auf S und dem geometrischen Modell bestimmt. Daher entsprechen die Segmente l1–l3 den Querschnitten C₁–C₃, die zusammen die geometrische Darstellung des Kabels bilden.

1.3 Kabelverlegung

Die Integration der Details aus Abbildung 1 und 2 ermöglicht eine präzise Erfassung der Kabelgeometrie und Segmentierungseigenschaften. Das Modell stellt die kernelementaren geometrischen Elemente (zentrale Achse, Querschnittsform, Richtungseigenschaften) genau dar und ermöglicht durch eine verfeinerte Segmentierung eine vertiefte Kabelanalyse, die eine theoretische Grundlage für eine effiziente Verlegung bietet.

In der Vorverlegungsvorbereitung werden auf Basis des Modells die Gesamtlängen der Kabel verschiedener Spezifikationen abgeleitet. Die Daten werden in standardisierten Tabellen nach Kabeltyp organisiert, um genaue Informationen und Richtlinien für den Bau bereitzustellen. Für die Verlegeart verwendet dieses Projekt eine direkte Vergrabung, um Professionalität und Effizienz zu gewährleisten.

Bei der Verlegung in Kabelgräben wird eine gleichmäßige Sandschicht oder feine Erdschicht platziert, um den Biegeradius des Kabels innerhalb der Grenzen zu halten. Elektrische Seilwinde werden für die Zugkraft verwendet. Bei der Verlegung mehradriger Kabel müssen die Krümmungsradiuse streng eingehalten werden:

In der Formel repräsentiert r_min den sicheren Biegungsgrenzwert des Kabels; cr repräsentiert den minimalen sicheren Wendekreisradius des Kabels. Nach Abschluss der Kabelverlegungsarbeiten muss eine formelle Antragstellung für die Abnahme verborgener Arbeiten an die für die Projektkontrolle zuständige Abteilung erfolgen. Sobald der Abnahmeverfahren erfolgreich abgeschlossen ist, wird feine Erde gleichmäßig oberhalb und unterhalb des Kabels als Schutzschicht ausgelegt, und anschließend wird das Kabel mit einer Kabelabdeckung bedeckt. Darüber hinaus sollte bei der Planung der Kabelroute Priorität darauf gelegt werden, dass die Route eng an der Oberfläche der Verkabelungszulässigen Hindernisse anliegt:

In der Formel ist q_i ein bestimmter Knoten auf der Zentralachse des Kabelpfads; OS ist der Hindernisoberflächenknoten; R_r ist der Kabelradius; Inter dis ist der kürzeste Abstand zwischen den Punkten. Vor dem Auffüllen wird überprüft, ob alle verborgenen Arbeiten den Standards entsprechen. Dann wird das Auffüllmaterial verdichtet, um dessen Dichte und Stabilität gemäß den Spezifikationen sicherzustellen.

Nach der Verdichtung werden Richtungsmarkierungsstäbe an wichtigen Positionen (Kabelkreuzungen, Verbindungen, Kurven) vergraben. Die Kabel werden mit Hanf umwickelt, um sie zu schützen. Wenn direkt vergrabene Kabel Gebäude durchqueren, wird die Höhendifferenz zwischen Außen- und Innenrohren überprüft; wenn die Außenrohre höher liegen, wird Wasserdichtigkeit angewendet, um die Verlegungssicherheit zu gewährleisten.

1.4 Kabelverkabelung

Als wesentlicher Teil des Baus von Photovoltaik-Kraftwerken muss die Kabelverkabelung strikten Spezifikationen und Verfahren folgen, um stabile, zuverlässige und sichere elektrische Verbindungen sicherzustellen.

Zuerst werden vollständige und qualifizierte Werkzeuge (Isolierschneider, Presszangen, Isoliermanschetten, Anschlussteile, Isolierband) und Materialien vorbereitet. Es wird sichergestellt, dass die Kabel den Designspezifikationen entsprechen und Qualitätsprüfungen bestehen (keine Beschädigungen, intakte Isolation).

Vor der Verkabelung werden die Kabel präzise geschält: Mit Isolierschneidern werden die äußeren Hülle und innere Isolation gemäß den Anforderungen der Anschlüsse entfernt, um die Leiter freizulegen (Bürsten und Oxide entfernen). Basierend auf den Leiterquerschnitten und den Verkabelungsanforderungen werden geeignete Anschlussteile ausgewählt. Die Formel lautet wie folgt:

In der Formel ist T der Anschlusstyp; A ist die Querschnittsfläche des Kabelleiters; R bezeichnet die Verkabelungsparameter; S ist die Zuordnungsfunktion. Mit Presszangen werden die Leiter und Anschlussteile fest gepresst, um keine Lockerungen oder schlechten Kontakte zu vermeiden. Bei der Verkabelung müssen die Entwurfszeichnungen und Spezifikationen strikt eingehalten werden, um die gepressten Anschlussteile präzise mit den Geräteanschlüssen zu verbinden und deren Festigkeit zu gewährleisten.

Für mehradrige Kabel müssen Farben und Nummern übereinstimmen, um Fehlverbindungen zu vermeiden. Nach der Verkabelung werden die Verbindungen mit Isoliermanschetten oder -bändern umwickelt, um die Isolation zu verstärken und die Eindringung von Feuchtigkeit oder Staub zu verhindern. Zusammenfassend ist die Kabelverkabelung entscheidend für den Bau von Photovoltaik-Kraftwerken und erfordert strikte Einhaltung der Spezifikationen, um Qualität und Sicherheit zu gewährleisten und eine solide Grundlage für einen stabilen Betrieb zu legen.

2 Experimentelle Analyse

Um die Effektivität und Machbarkeit der vorgeschlagenen Kabelverlegungs- und Verkabelungstechnologie für Photovoltaik-Kraftwerke zu überprüfen, wird diese mit traditionellen Methoden verglichen.

2.1 Experimentelle Objekte

Das Experiment wird unter Laborbedingungen durchgeführt, wobei MATLAB für die Pfadplanungssimulation verwendet wird. Zwanzig standardisierte Kabelverlegungs- und Verkabelungsaufgaben werden ausgewählt und in 4 Gruppen (je 5 Aufgaben) aufgeteilt, um zufällige Fehler durch statistische Streuung zu reduzieren und die Ergebnisstabilität zu erhöhen.

2.2 Experimentelle Vorbereitung

Die Hardware besteht aus Computern mit 500 GB Speicher, 32 GB Arbeitsspeicher und Windows 10. Diese werden getestet und optimiert, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und realistische Bedingungen präzise zu simulieren, um verlässliche Ergebnisse zu erzielen.

2.3 Experimentelle Ergebnisse und Analyse

Drei Methoden werden mit der vorgeschlagenen Methode verglichen; die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

3 Schlussfolgerung

Die Analyse der Daten in Tabelle 1 zeigt, dass die vorgeschlagene Lösung für Kabelverlegung und Verkabelung bemerkenswerte Vorteile hat. Ihr Pfaddesign (ca. 50 m) ist 40 m, 45 m und 50 m kürzer als die Methoden 1, 2 und 3. Dies beweist nicht nur eine effiziente Pfadplanung, sondern hebt auch das enorme Anwendungspotenzial in Photovoltaik-Kraftwerksprojekten hervor und bietet wertvolle Referenzen für die Energiewirtschaft.

Dieser Artikel untersucht die Kabelverlegung und Verkabelung für Photovoltaik-Kraftwerke, indem BIM-Modellierung eingesetzt wird, um Effizienz und Sicherheit zu steigern. Experimente zeigen, dass die Methode in der Pfadplanung gegenüber traditionellen Methoden Vorteile hat – sie verkürzt Längen und verbessert die Qualität. Sie unterstützt den Bau von Photovoltaikanlagen und treibt die nachhaltige Entwicklung der Industrie voran.

In Zukunft wird die Integration intelligenter Bauweisen und Big Data diese Technologien schlauer und effizienter machen, um eine grünere, niedrig-kohlenstoff-emittierende Energiewirtschaft zu fördern. Wir erwarten weitere Innovationen, um Prozesse zu optimieren, Kosten zu senken und die globale Energiestruktur zu verbessern.