一种建筑太阳能评估算法及装置的制作方法

本发明涉及太阳能利用及城市规划领域，特别是涉及一种建筑太阳能评估算法及装置。

背景技术：

在城市规划领域，低碳生态城市设计是非常重要的趋势，而其中应用太阳能(部分)取代传统发电厂是重要的规划内容。随着太阳能电池板效率的增加，利用太阳能优势也越来越明显。因此，在规划阶段针对大型建筑区域准确计算太阳能资源潜力，以及针对某种光伏板的太阳能发电量，将至关重要。

北京市建筑研究院开发了日照分析CAD程序的基本原理、核心计算加速技术和容积极限计算方法，并将研究成果应用到PKPM建筑工程分析软件。其他基于CAD的日照分析软件还有SUN[众志，2007]，HYSUN[鸿业软件，2007和Autodesk ECOTECT[Autodesk]。针对城市大型建筑的太阳能利用的研究还比较有限。Liu[Liu，2010]将特定环境太阳辐射地理分布与太阳能利用进行组合，研究分析了太阳辐射数据。在此之后，通过选择相对成熟和容易使用的光伏系统作为评价和GIS空间分析的基础，他们建立了太阳能资源评估模型，并将以江苏省当地的太阳能资源量进行了验证。

Agugiaro为具有复杂下垫面的山区和地区开发了大规模城市建筑太阳辐射估计方法。随着GIS技术的发展，国际上相关学者开始尝试着把太阳能资源和太阳能利用的具体情况结合起来进行研究。如Huld等借助GIS技术建立太阳辐射数据库，给出了欧盟的可用太阳能储量的计算方法，对欧盟的太阳能资源进行了研究；Monedero等在对西班牙加纳利群岛的太阳能储量计算中采用了类似的方法，综合太阳辐射数据和环境因子对光伏电池的影响，对当地可利用的太阳能资源发电量进行了估算；Huld等把影响太阳能使用的太阳辐射数据和周围环境温度整合到UIS系统中，开发了PVGIS评估模型，让使用者可以自主地进行欧盟内太阳能利用潜力的区域评估。余政达等基于台湾西南基本情况，从气候、土地利用和生态环境保护这些限制条件人手，排除不利因子，对当地的可利用的太阳能资源进行了分析。

为了计算太阳能发电的潜力，需要知道该研究区域能够接收多少太阳辐射。在荷兰，这个数据可从NEN组织获得。在其他国家，国家气象机构通过地面气象观测站和卫星等收集此类数据。美国航空航天局收集了世界范围内超过22年的数据，这个数据集包含了太阳能计算所需的所有参数，但是空间分辨率仅为1x1度。

目前针对建筑的太阳能评估，除了以上所述，还有采用按时间步长计算阴影的方法，但其效率较低，估算质量低，无法快速支撑咨询工作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种估算效率高、质量高建筑太阳能评估算法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种建筑太阳能评估算法，包括：

步骤A,栅格化处理建筑分布图纸；

步骤B,选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物栅格的遍历；通过该建筑物所有栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

进一步地，所述步骤B包括：

步骤B1，获取建筑物屋顶正面辐射面的太阳能辐射时间；

选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物屋顶的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物屋顶栅格的遍历；

步骤B2，获取建筑物侧面辐射面的太阳能辐射时间：

提取建筑分布图纸中的建筑物边界；选择一段边界；选择该建筑物该边界对应的侧面的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历；

步骤B3，通过该建筑物所有屋顶和侧面栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

进一步地，所述步骤B2中：所述侧面的栅格是以一段边界为基础，进行高度设定，分不同高度进行虚拟栅格化处理，获得的多个栅格；按不同高度步长，完成各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历。

进一步地，所述步骤B中，所述该栅格接收太阳能辐射的时间的具体计算方法为：根据太阳能辐射值表，将每个方向每个高度角的太阳能辐射时间减去最大遮挡角度以下的太阳能辐射时间，获取实际各方向、高度太阳能辐射时间。

进一步地，所述步骤B中，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度的具体计算方法为：以该栅格为中心，选择一个水平方向，选择该方向的下一个栅格，如下一个栅格高度高于该栅格则计算其对该栅格的遮挡角度，如果遮挡角度大于当前的最大遮挡角度，则替换当前最大遮挡角度，如下一个栅格高度低于该栅格或是计算出的遮挡角度小于当前的最大遮挡角度，则选择下一个该方向的栅格，完成所有这一方向的遍历；完成该栅格所有水平方向的遍历，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度。

进一步地，还包括步骤C，整体的太阳能辐射时间再乘以建筑物所部署的太阳能板相关系数，最终得到建筑总体接收辐射值。

一种建筑太阳能评估装置，包括：

栅格化处理模块；用于栅格化处理建筑分布图纸；

太阳能辐射时间计算模块；用于选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物栅格的遍历；通过该建筑物所有栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

进一步地，所述太阳能辐射时间计算模块包括：

正面辐射面的太阳能辐射时间计算模块，用于获取建筑物屋顶正面辐射面的太阳能辐射值；

选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物屋顶的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物屋顶栅格的遍历；

侧面辐射面的太阳能辐射时间计算模块，用于获取建筑物侧面辐射面的太阳能辐射值；

提取建筑分布图纸中的建筑物边界；选择一段边界；选择该建筑物该边界对应的侧面的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历；

建筑物整体的太阳能辐射时间计算模块，通过该建筑物所有屋顶和侧面栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

进一步地，所述侧面辐射面的太阳能辐射时间计算模块中，所述侧面的栅格是以一段边界为基础，进行高度设定，分不同高度进行虚拟栅格化处理，获得的多个栅格；按不同高度步长，完成各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历。

进一步地，还包括建筑所部署的太阳能板总体接收辐射值计算模块；将太阳能辐射时间计算模块获得的整体的太阳能辐射时间再乘以建筑物所部署的太阳能板相关系数，最终得到建筑总体接收辐射值。

本发明开发了一种高效率的方法和装置来计算建筑物所接受的太阳能资源潜力，并可计算出建筑物上所部署的太阳能板(光伏板或光热板)的太阳能发电量；本发明通过预先计算建筑物每一个高度角和方位角的日照总时间(秒数)，然后，它获得每个栅格的直接辐照时间，以这种方式，避免了每个时间步长计算阴影。可进行高质量的估算，并且能够足够快速地支撑咨询工作，适于推广应用。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是建筑物屋顶正面辐射面的太阳能辐射值计算流程图；

图2是建筑物屋顶侧面辐射面的太阳能辐射值计算流程图；

图3、图4分别为建筑物屋顶和侧面的数据库信息表结构示意图；

图5是建筑物太阳能量三维地图浏览示意图；

图6是本发明建筑太阳能评估装置示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明的建筑太阳能评估算法主要实现计算建筑物所接受的太阳能资源潜力及计算出建筑物上所部署的光伏板或光热板的太阳能发电量；包括：

步骤A,栅格化处理建筑分布图纸；

步骤B,选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物栅格的遍历；通过该建筑物所有栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

上述步骤B包括：

步骤B1，获取建筑物屋顶正面辐射面的太阳能辐射时间，参考图1所示；

选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物屋顶的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物屋顶栅格的遍历；

步骤B2，获取建筑物侧面辐射面的太阳能辐射时间，参考图2所示；

提取建筑分布图纸中的建筑物边界；选择一段边界；选择该建筑物该边界对应的侧面的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历；

步骤B3，通过该建筑物所有屋顶和侧面栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

优选地，参考图2所示，上述步骤B2中：所述侧面的栅格是以一段边界为基础，进行高度设定，分不同高度进行虚拟栅格化处理，获得的多个栅格；按不同高度步长，完成各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历。

上述步骤B中，所述该栅格接收太阳能辐射的时间的具体计算方法为：根据太阳能辐射值表，将每个方向每个高度角的太阳能辐射时间减去最大遮挡角度以下的太阳能辐射时间，获取实际各方向、高度太阳能辐射时间(参考图1所示)。

上述步骤B中，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度的具体计算方法为：以该栅格为中心，选择一个水平方向，选择该方向的下一个栅格，如下一个栅格高度高于该栅格则计算其对该栅格的遮挡角度，如果遮挡角度大于当前的最大遮挡角度，则替换当前最大遮挡角度，如下一个栅格高度低于该栅格或是计算出的遮挡角度小于当前的最大遮挡角度，则选择下一个该方向的栅格，完成所有这一方向的遍历；完成该栅格所有水平方向的遍历，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度，参考图1所示。

上述建筑太阳能评估算法，还可以包括步骤C，整体的太阳能辐射时间再乘以建筑物所部署的太阳能板相关系数，即可最终得到建筑总体接收辐射值。

综上所述，本发明优选的实施方案，是将用户计算速度和一般物理算法进行了结合，在整体实现流程上，首先对shp格式的建筑分布图纸(如可含计算区区域建筑物周边200米内的建筑物)进行读取，然后获取建筑物的屋顶信息以获得其接受正面辐射面相关属性，获得其建筑物屋顶边界以获得其接受侧面辐射面相关属性。评估建筑物潜在的太阳能产量。通过不同角度不同时段的栅格间影响考虑，找出最大影响栅格因子及其影响度并进行栅格叠加及最后还原成矢量图纸，最后计算在建筑屋顶、侧面(侧立面)光伏板或光热板的太阳能产量。配合图3所示，对于正面而言，首先将目标建筑物栅格化处理，然后针对每一个栅格记录其高度及从属信息，然后遍历对该栅格可能造成遮挡效应的栅格(以该栅格为中心，水平方向各角度方向看出去，看360度)，获得各个角度的最大遮挡角度，之后通过查询太阳能辐射值表得到接收辐射的时间，通过该建筑的所有栅格的时间积分来确定整体的正面辐射面太阳能辐射值，再用这个结果乘以其他相关系数，如光伏板材质、光伏板角度等，最终得到正面总体接收辐射值。配合图4所示，对于侧面而言，获取其建筑物屋顶边界，然后对边界进行高度设定，分不同高度虚拟栅格后重复正面计算过程(其中水平方向各角度看出去，一般是看180度)，得到侧面总体接收辐射值。将两部分结合，最终得到总体辐射值，完成该计算过程。最后按照栅格所属建筑物进行重新转换为矢量图，渲染分类，生成专题图，参考图5所示。

具体分步步骤如下：

1.导入某个区域内建筑的矢量图层，获取其相应的形状与高程信息，采用ArcObject封装的featureclass类的field相关方法，将图纸信息读取为相应的计算机可读的属性表信息并进行保存。

2.设置合适的栅格大小，然后将屋顶的面状要素信息通过GeoDataset类的PolygonShpToRaster方法进行矢量转栅格操作，同时保留每个栅格块与对应矢量的相关关系。

3.选取一个未遍历的栅格，按照搜索方向步长，搜索其各个角度上最大遮挡栅格(arctan d/δh)，记录其栅格编号及遮挡角度。

4.查询太阳能辐射值表，得到其每个角度的可接收的太阳能辐射时间，通过求和得到该栅格的总太阳能接收时间。

5.通过ArcObject封装的IsegmentCollection方法，提取该建筑物的组成折线段的形状信息，读取为相应的计算机可读的属性表信息并进行保存。

6.通过ArcObject封装的IGeometry接口的Centroid方法，得到该建筑物的中心点，用于判断边界方向是否位于建筑物内。

7.将边界进行虚拟化栅格处理，即提取出含有这些边界的栅格像元，然后通过高度步长设置，获取不同高度的虚拟边界栅格，并重复正面计算过程，获取各个高度的建筑物侧面外部方向上的辐射时间。

8.对该建筑物所有边界的所有虚拟栅格进行求和，得到侧面总辐射时间。

9.对侧面及屋顶求和，得到总时间。

10.将总时间乘以相关系数，如光伏板材质、光伏板角度等，最终得到该建筑物的总体接收辐射值。

11.完成所有建筑物的遍历，结束过程。

实施例2

如图6所示，本发明的一种建筑太阳能评估装置，包括：

栅格化处理模块；用于栅格化处理建筑分布图纸；

太阳能辐射时间计算模块；用于选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物栅格的遍历；通过该建筑物所有栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

上述太阳能辐射时间计算模块包括：

正面辐射面的太阳能辐射时间计算模块，用于获取建筑物屋顶正面辐射面的太阳能辐射值；选择建筑分布图纸中的一个建筑物，选择该建筑物屋顶的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物屋顶栅格的遍历；

侧面辐射面的太阳能辐射时间计算模块，用于获取建筑物侧面辐射面的太阳能辐射值；提取建筑分布图纸中的建筑物边界；选择一段边界；选择该建筑物该边界对应的侧面的一个栅格，以该栅格为中心，获取该栅格每个水平方向的最大遮挡角度；查询太阳能辐射值表得到该栅格每个角度的可接收的太阳能辐射时间；完成所有该建筑物各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历；

建筑物整体的太阳能辐射时间计算模块，通过该建筑物所有屋顶和侧面栅格的太阳能辐射时间求和来获得该建筑物整体的太阳能辐射时间。

上述侧面辐射面的太阳能辐射时间计算模块中，所述侧面的栅格是以一段边界为基础，进行高度设定，分不同高度进行虚拟栅格化处理，获得的多个栅格；按不同高度步长，完成各边界对应的各侧面的所有栅格的遍历。

上述建筑太阳能评估装置还包括建筑所部署的太阳能板总体接收辐射值计算模块；将太阳能辐射时间计算模块获得的整体的太阳能辐射时间再乘以建筑物所部署的太阳能板相关系数，最终得到建筑总体接收辐射值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。