(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211160829.9 (22)申请日 2022.09.22 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区新 街口 街道四牌楼 2号 (72)发明人 李力　冯以恒　徐明昊　 (74)专利代理 机构 北京同辉知识产权代理事务 所(普通合伙) 11357 专利代理师 沈利芳 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06T 15/06(2011.01) G06N 3/12(2006.01) (54)发明名称 一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与 优化方法 (57)摘要 本发明公开一种镜面反射式动态光伏立面 效能计算与优化方法,计算与优化方法包括根据 现实模型在计算机中搭建模拟模型， 将阳光、 三 维模型、 材质、 模型运动方式传入GPU计算。 使用 光线追踪计算技术， 利用GPU加速计算阳光光线 反射行为， 对镜面反射式的光伏效能进行模拟计 算。 单次结果计算。 基于步骤一、 二、 三的计算方 式， 根据设定好的模型运动方式， 使用多层级细 分方法对实时可变节点进行运动方案优化， 寻找 任意时刻动态建筑模型的最优解。 利用遗传算法 优化建筑立面参数， 得到综合最优建筑立面方 案、 运动模型及光伏数据。 将全年不同时刻采样 点数据串联， 得到最优运动模型与最优光伏效 能。 本发明计算与优化方法解决了太阳辐射计算 方案无法计算动态反射模型的问题。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115455836 A 2022.12.09 CN 115455836 A 1.一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征在于， 所述计算与优化 方法包括以下步骤： 步骤一： 根据现实模型在计算机中搭建模拟模型， 将阳光、 三维模型、 材质、 模型运动方 式等信息传入GPU 进行计算； 步骤二： 基于步骤一传入GPU的数据， 使用光线追踪计算技术， 利用GPU加速计算阳光光 线反射行为； 步骤三： 单次结果计算， 将步骤二中的GPU计算结果转入CPU进行计算； 根据相关计算公 式得到设定的时间及运动位置下的光伏板辐射效能数据； 步骤四： 基于步骤一、 二、 三的计算方式， 根据设定好的模型运动方式， 使用多层级细分 方法对实时可变节点进行运动方案优化， 寻找任意时刻动态建筑模型 的最优解； 利用遗传 算法优化建筑立 面参数， 得到综合 最优建筑立 面方案、 运动模型及光伏数据； 步骤五： 将全年 不同时刻采样点数据串联， 得到最优运动模型与最优光伏效能。 2.根据权利要求1所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述步骤一根据需要计算的模型， 在计算机中建立对应的三 维虚拟模型； 对于可以实 时运动的部件， 设定其运动方式与范围； 对不同模 型赋予不同类型的材质属性， 并指 定太阳 信息、 计算精度、 计算范围等信息， 将这些信息传入GPU做计算 准备。 3.根据权利要求2所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述物体材质定义为普通材质、 反射材质与接收材质； 为三种材质定义不同的光线交 互行为： 普通材质在光线射入后便不再进 行光线反弹， 其数据不再计入着色器； 反射材质在 光线射入后会将遵循光线反射定律进行反射， 并且根据反射定律发生能量衰减； 接受材质 在光线射入后不会对光线进行反射， 但会将该光线数据 统计至着色器， 同时一并将阳光向 量数据、 计算精度数据、 发射范围数据传入GPU。 4.根据权利要求3所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述 步骤二光线追踪计算 步骤如下： S1： 光线发射器从与太阳方向相同的方向向目标物体发射若干射线， 射线经过反弹与 吸收， 若照到太阳能板， 则得到发射器改射线对应像素变色数据； 即相当于， 从发射区位置， 能够看到太阳能板的像， 意味着阳光能够通过 该位置照射到目标 上； S2： 数据传输， 将S1中的模型数据置入GPU， 准备进行计算， 根据采样精度生成对应的空 白纹理图像， 用于后续记录数据； 根据计算机 显卡的并行计算核心数量对纹 理图进行分割； S3： 光线发射从某方形区域发射若干与阳光方向平行的射线， 该方形区域垂直于阳光 方向切被射物体在阳光方向的投影包含于方形区域之中， 射线分布符合像素分布， 射线数 量由设定的采样精度决定； S4： 光线追踪包括计算射线(Ray  cast)与着色(Shade)两个部分的循环， 计算射线将每 一条光线与 物体求解是否相交， 若相交， 则根据被射物体材质类型进 行下一步计算； 若被射 物体材质为反射材质， 则计算下一条光线的反射路径、 能量等信息； 若被射物体材质为普通 材质类型， 则结束 该光线的传播； 若被射物体材质为接收材质类型， 则结束该光线的传播并 标记将该光线信息写入下一 步的纹理中； 所述着色将每一 次的计算结果写入到一张纹理图像上， 纹理图像的深度为光线反射 次 数+1， 每个像素代表发射的每一条光线， 最终得到不同反射次数下能够照射到目标物体的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115455836 A 2光线。 5.根据权利要求4所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述步骤三中的统计结果纹理图每一层中所有像素 的值的和与总像素数量的比值， 即可得到发射器射出光线中能够被太阳能板接 收光线， 占总射出光线的比值， 进而通过乘 以发射器的面积， 得出太阳能板能够接受的光线等效面积， 该面积乘以该时刻太阳 的辐射 强度， 即可 得到该计算中太阳能板获得的辐射 量， 等效直 射面积计算公式： 其中SD为照射到太阳能板的直射光线的等效面积， VD为纹理图中直射光层部分所有像 素值的总和， N 为纹理图总像素 数， SE为射线发射器的面积， 等效反射 面积计算公式： 其中SR为照射到太阳能板的反射光线的等效面积， VR为纹理图中反射层部分的所有像 素值的总和， N 为纹理图总像素 数， SE为射线发射器的面积。 6.根据权利要求5所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述步骤四中的对实时可变节 点的运动方案优化， 对于实时动态模型， 为了达到最优 太阳辐射接收量， 需清楚其全天候的运动模型， 根据步骤三计算方案， 对于实时动态模型， 采用多层级逐级细分方法进行任意时刻的最优运动模型参数计算； 对于同一时刻， 根据步骤一模型中设定好的模型运动模式及范围， 对模型进行结果计 算， 采用逐级增 加精度的方式， 择优进行 更高精度的计算， 最终挑选出 该时刻最优变量。 7.根据权利要求6所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述步骤四中的对于非实时可变型变量优化采用建成后无法改变的部分， 但在设计 计算过程中可以自由调整， 该计算是为了得到这些变量的最佳数值， 在对实时可变节点的 运动方案优化的基础上， 基于全天候最优运动模型， 采用遗传算法调整非实时可动型变量， 寻找能够达 到最优模型的参数。 8.根据权利要求7所述的一种镜面反射式动态光伏立面效能计算与优化方法,其特征 在于， 所述步骤五在步骤四优化过程中， 对于实时可动变量， 记录最优变量值， 通过全天或 全年间隔采样方式， 将记录的结果串联得到全天候最优情况下实时可动变量变化 曲线、 其 状态下对应的最优光伏能量、 对应的模型三维信息以及全年总太阳辐射 量； 对于非实时可动变量， 记录不同变量组合下的方案结果， 筛选出不同类型的方案供使 用者选择。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115455836 A 3