顾及飞行员视线和天气条件的建筑太阳能潜力计算方法

摘要

本发明涉及一种顾及飞行员视线和天气条件的建筑太阳能潜力计算方法，步骤包括：建筑物模型屋顶及立面点云采样、建筑物遮挡分析、天空视域分析、太阳辐照度计算、利用实测数据进行天气校正、根据飞行员视点进行通视分析、统计可利用区域实际天气情况下太阳能潜力。本发明在计算建筑物太阳能潜力的过程中，加入实际天气情况的影响，综合考虑跑道周围安装光伏板对飞行员视线的影响，使太阳能潜力计算结果更加贴近实际情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑天气条件对日照影响，以及光伏发电板对飞行员视线影响的建筑物太阳能潜力计算方法，该方法通过建筑模型三维点云采样、遮挡分析、天空视域分析、太阳辐照度模型、气象实测数据校正、飞行员视点通视分析的步骤，有效估算了实际天气状态下，在不影响飞行员视线的情况下，建筑物太阳能发电潜力。

背景技术

随着世界经济的不断发展，化石能源的大量使用引起了一系列严重的环境污染问题，中国承诺在2030年之前达到碳排放高峰，并且提高非化石能源的占比至20％。2017年，中国生产了6.49×10

前人对建筑物太阳能估算的研究主要都集中在假设天空各向异常性的情况下，如何更加精确的估算直射辐射和散射辐射，在周围建筑物的影响下，散射辐射的情况将会更加复杂。目前成熟的模型有SORAM、Perez、Ghouard模型等。针对这些模型，大量的对比工作也逐步展开，以期选出更优的模型，提高太阳辐射估算精度。近期，机器学习方法也被引入建筑物太阳能估算领域。然而，这些估算模型中，少有考虑天气因子的，实际值和模型计算值之间仍然存在研究差距。

南沙群礁是南海的重要组成部分，其毗邻马六甲海峡通往我国海南岛和台湾海峡的航道，战略地位十分突出。随着南海岛礁建设的深入开展，需要能源供给的持续保障，南沙诸岛目前能源保障主要靠柴油，昂贵且不环保。绿色、清洁、环保的能源必将成为南海岛礁未来的发展目标。太阳能作为一种清洁可再生能源，对其开发利用可为南海岛礁建设提供无污染的能源供给，符合国家对岛礁开发建设过程中注重环境保护与可持续发展的政策要求。然而，南沙岛礁用地极其紧张，飞机跑道与建筑物区常常距离较近，太阳能板安装引起的反光也会影响飞机降落时飞行员的视线。因此，在顾及飞行员视线的情况下，利用南沙岛礁所建设的建筑顶面或立面进行太阳能发电，具有十分重要的意义。

本发明研究了更加精细的建筑物太阳能潜力估算技术。在对建筑物进行点云采样、空间分析、计算太阳能潜力的基础上，根据实测气象数据中的日照时长，对理想大气状态下的太阳辐射潜力进行校正，再通过通视分析，计算在建筑物表面安装光伏发电板后不会造成反光，对飞行员视线带来负面影响的区域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服技术缺点，在计算建筑物太阳能潜力的过程中，加入实际天气情况的影响，综合考虑跑道周围安装光伏板对飞行员视线的影响，使太阳能潜力计算结果更加贴近实际情况。

为了解决以上技术问题，本发明提供的一种顾及飞行员视线和天气条件的建筑太阳能潜力计算方法，包括以下步骤：

步骤1、建筑物模型屋顶及立面点云采样——对建筑物三维矢量模型采样，获得建筑物的屋顶点云和立面点云；

步骤2、遮挡分析——计算所有建筑物点在各扇形区域的最大遮挡角，具体如下：以建筑物点P(x

k×n-γ/2≤τ

在遮挡待选点N

步骤3、天空视域分析——计算所有建筑物点的天空视域因子，建筑物点P 的天空视域因子计算公式如下：

其中，λ为方位角，λ＝k×n，k＝1,2,…,2π/n，θ

步骤4、太阳辐照度计算——计算每个建筑物点在每个时刻的直接辐照度和散射辐照度，两者相加得到建筑物点在每个时刻的太阳总辐照度，具体如下：

当太阳方位角落在建筑物点P的第k个扇形区域内，此时建筑物点P的直接辐照度I

式中，I

建筑物点P散射辐照度D

D

其中，D

理想大气状态下每个时刻的太阳总辐照度G

理想大气状态下每个月的月累积太阳总辐照度由逐小时太阳能辐射按照天和月的单位累加得到G

步骤5、利用实测数据进行天气校正——根据收集到的多年实测日照时长数据，整理得到月均日照时长，根据下式对月累积太阳总辐照度进行修正，得到实际天气状态下接收到的月累积太阳辐照度G：

其中SD是实测月均每日的日照时长，SD

步骤6、根据飞行员视点进行通视分析——由飞行员降落到跑道时的视点位置m构建该视点m到每一个建筑物采样点的视线，利用步骤1中的屋顶点云和立面点云生成建筑物TIN，针对每个建筑物采样点计算其所有视线的遮挡情况，如果存在至少一条视线未被建筑物TIN遮挡，则该建筑物采样点不宜安装光伏发电板；如果所有视线均被建筑物TIN遮挡，则该建筑物采样点可安装光伏发电板；

步骤7、统计可利用区域实际天气情况下太阳能潜力，具体步骤如下：

a)、针对每个建筑物点，将其天气修正后的月太阳总辐照度按照时间进行累积得到每个建筑物点的年辐照度，建筑物面x上i点的年辐照度记为

b)、计算建筑物上可利用点的年总辐照度，建筑物面x的年辐照度E

其中，N

c)、将所有建筑物面的年辐照度累加获得建筑物年总太阳辐照度。

本发明的有效效益如下：

(1)本发明提升了估算三维建筑物太阳能潜力的精确性，对建筑物模型进行屋顶-立面采样，然后进行遮挡分析、天空视域分析和理想大气状态下的太阳能潜力计算，加入实际的气象影响因素，并且考虑当建筑物位于机场跑道周围时，如何布设光伏发电板，才能减少反光对飞行员视线的影响。发明计算结果不仅可以对建筑物太阳能潜力有了更加贴近实际天气情况的评估，还计算出了更加精细的建筑物表面可利用区域。

(2)本发明改进了原有模型只能计算理想大气状态下建筑物太阳能潜力的不足，加入实测气象数据，根据实测日照时长对理想太阳辐照度进行修正，使结果更加贴近。

(3)本发明针对机场跑道周边建筑物在进行光伏发电板安装时遇到的反光严重影响飞行员降落时视线的问题，对飞行员视点进行建筑物表面的可见性分析，分析建筑物的实际可利用面积以及可利用区域，对应得到更加精确的建筑物太阳能潜力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例的跑道及建筑物的示意图。

图2为本发明遮挡分析方法示意图。

图3为本发明天空视域计算方法示意图。

图4为本发明实施例视点设计的示意图。

图5为本发明天气校正后建筑物太阳能潜力示意图

图6为本发明建筑物可利用区域和不可利用区域空间分布示意图

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明，使本发明的技术路线和操作步骤更加清晰。

本技术方案的实施例为区域如图1所示，区域内有跑道及其周边建筑物，跑道长约3公里，有建筑147栋，建筑屋顶面积约157 368m

本实施例以该实验区为例进行说明一种建筑物三维太阳能潜力计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建筑物模型屋顶及立面点云采样——基于建筑LOD1模型，利用CloudCompare软件采样工具获取高密度建筑物点云(包含：建筑屋顶点云和立面三维点云)，然后进行屋顶点云和立面点云分离及规则化。规整后的点云密度为1pts/m

步骤2、遮挡分析——太阳辐射包括直接辐射和非直接辐射两部分，建筑之间的遮挡直接影响着建筑是否能接受到直接辐射，当建筑被遮挡时，则不存在直接辐射，只受非直接辐射影响；因此，需在水平面上详细计算每个建筑规则点的被遮挡情况。本步骤中，基于每个建筑物点，以该点为中心，和太阳的高度结合，计算其在不同水平方向上被相近地物目标遮挡的情况，进行逐小时的遮挡分析(如图2所示)。具体方法如下：

以建筑物点P(x

k×n-γ/2≤τ

在遮挡待选点N

考虑到一天中太阳方位角随时间时刻变化的特点，为平衡计算效率与太阳辐照精细计算问题。本实施例中，需以正北方向为起点，在水平面上以一定角度间隔对遮挡计算进行划分，角度设置过多将影响计算效率，过少则降低遮挡计算精细程度，本实施例设定在水平面上计算72个方向遮挡，也即角度间隔 n＝360°/72＝5°，以此获取每个方向上的最大遮挡角度。n取值为5°、6°、8°、 9°、10°或12°，取值越小计算结果越精确。

步骤3、天空视域分析——在水平方向上和垂直方向上，利用光线追踪算法计算每个建筑点的天空视域因子(如图3所示)。天空视域因子具体含义为天空可视区域与无遮挡情况下全域天空的比例。本实施例在建筑遮挡分析结果基础上，通过在水平方向和垂直方向上对遮挡角度进行积分的方式获取天空视域因子。将天空离散化，也即在水平方向和垂直方向上以一定间隔构建建筑之间的遮挡场景。具体方法如下：

计算所有建筑物点的天空视域因子，建筑物点P的天空视域因子计算公式如下：

其中，λ为方位角，λ＝k×n，k＝1,2,…,2π/n，θ

步骤4、太阳辐照度计算——计算每个建筑物点在每个小时的直接辐照度和散射辐照度，两者相加得到建筑物点在每个时刻的太阳总辐照度，具体如下：

当太阳方位角落在建筑物点P的第k个扇形区域内，此时建筑物点P的直接辐照度I

式中，I

其中，δ为太阳赤纬角，ω为时角，

建筑物点P散射辐照度D

D

其中，D

建筑物点的环日散射辐照度D

D

其中，F

故，理想大气状态下建筑物点每个小时时刻的太阳总辐照度G

根据遮挡分析结果和天空视域分析结果，依照技术描述中所提到的公式，分别计算每个点的每个时刻的直射辐射和散射辐射，其中直射辐射主要由太阳高度角和72个方向上的遮挡角度的关系来判断是否可以接受到太阳辐射，散射辐射则受天空视域因子影响较大，由遮挡分析结果和天空视域因子结合计算获得三种散射辐射量。

步骤5、实测天气对太阳辐照度进行校正——根据理论和实测日照时长，校正理想大气状态下的太阳辐照度，具体计算步骤如下：

整理区域内实测日照时长数据，按照月划分求月均每日的日照时长，并且按照纬度计算理论日照时长，如表1所示。根据

表1实测与理论日照时长

步骤6、通视分析，具体步骤如下:

a)、设计两个飞行员视点，位于跑道的两端(图4)，对应为飞行进场边(⑤)，下滑面的起点，于该点起需要飞行员目视对准跑道落地点；

b)、构建飞行员视点到建筑物点云的视线，即将每一个视点和建筑物点(建筑物采样点)相连；

c)、以建筑物点云及建筑物二维矢量轮廓为输入数据，利用ArcGIS软件生产建筑物TIN，其中建筑物二维矢量用于限制TIN生成范围，避免三角网错误；

d)、以建筑物TIN作为障碍物，逐视点分析每一根视线是否被建筑物阻挡，如果视线被阻挡，则该建筑物采样点安装光伏板后不会对飞行员视线造成影响，给属性visible_1赋值为0；如果视线未被阻挡，则该建筑物采样点在飞行员视线下会因光伏板反光造成不利影响，给属性visible_1赋值为1。循环以上过程直到每个视点所有视线都经过分析，针对每个建筑物采样点，将其所有属性 visible_m的值进行求和，若总值为0，则在任何视点角度下，该建筑物点安装光伏板都不会造成负面的，若不为0，则在某个视点位置会造成负面影响。

步骤7、统计太阳能潜力——按照步骤6的计算结果，将可利用点的月太阳辐照度累加得到年太阳辐照度(Wh/m

符合实际天气的太阳能潜力如图5所示。由于飞机视野较大，直接设置屋顶的光伏板visible都大于0，即都为不适宜安装区域，太阳能潜力结果如表2 所示。具体可利用及不适宜利用位置的空间分布，则如图6所示。

表2顾及飞行员视线影响的岛礁建筑物立面太阳能精细计算结果

综合视点A和B的结果后，实验区顶面均不可利用，立面可利用面积占总立面面积42.56％，为76 552平方米。落实到空间位置对应的太阳辐射统计太阳能潜力，占总太阳能潜力的40.17％，为48.29GWh。

验证实施例：

下面为验证本发明方法中利用实测日照时长修正理想大气状态下太阳辐照度的可靠性，分别收集了位于全国的各个城市的实测日照时长，根据当地纬度计算理论日照时长，以实测太阳辐照度为对比，验证修正后的太阳辐照度。

以北京市为例，理想天气下模型估算的月均太阳辐照度为2.43(12月)到 8.61(7月)kWh/m

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。