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专利号: 2025116344271
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局方法,其特征在于,包括:

收集目标建筑的建筑信息和地理信息;

根据目标建筑的建筑信息,计算得到目标建筑的屋顶面积和屋顶承重;根据目标建筑的地理信息,计算得到目标建筑的屋顶在标准时间周期内接收的太阳辐照度;确定目标建筑的所在地和所处高度的风压系数,计算得到屋顶风压随时间的分布;

在屋顶面积和屋顶可用光照面积的限制下,以光伏组件占用面积和/或植物覆盖面积为自变量,建立生态光伏屋顶成本函数;结合太阳辐照度,建立生态光伏屋顶总收益函数;

所述生态光伏屋顶总收益函数,为售电收益和减碳收益之和,其中,售电收益基于光伏组件的实际光电转换效率计算得到,减碳收益包括基于光伏组件发电的减碳和基于植物固碳的减碳;所述实际光电转换效率,在标准光电转换效率的基础上,结合植物的降温贡献计算得到,植物的降温贡献与植物覆盖面积正相关,在室温范围内,通过植物的降温贡献提升光伏组件的光电转换效率;所述光伏组件占用面积小于等于屋顶可用光照面积,其中,屋顶可用光照面积通过屋顶面积减去周围相邻建筑阴影计算得到;所述周围相邻建筑阴影,指通过目标建筑和周围相邻建筑的三维模型,结合经纬度和几何特征,计算得到的周围相邻建筑在目标建筑屋顶上的最大阴影面积; 所述生态光伏屋顶总收益函数,包括:基于光伏组件发电量的售电收益,以及基于光伏组件发电量和植物固碳的总减碳量的减碳收益之和;光伏组件发电量,通过光伏组件占用面积和太阳辐照度计算得到;所述售电收益,通过光伏组件发电量计算得到,采用如下公式计算:E=ηactualSPV’Gg,nt,其中,E表示光伏组件发电量,ηactual表示光伏组件的实际光电转换效率,SPV’表示光伏组件铺设面积,Gg,nt表示第n天第t小时的太阳辐照度;ηactual=ηstc(1+Y(Tstc – Tcell)),其中,ηstc表示额定光电转换效率,Y表示功率温度系数,Tstc表示标准电池温度,Tcell表示光伏组件的实际工作温度,采用如下公式计算:Tcell=Tair+Tbase – Tcooling,其中,Tair表示目标建筑所在地的环境大气温度,Tbase表示基础温升,Tcooling表示冷却温降,其中:Tbase=kG,k表示温升系数,G表示太阳辐照度;

Tcooling=Croof(Agreen/Sroof),其中,Croof表示屋顶最大潜热冷却系数,Agreen表示植物覆盖面积,Sroof表示屋顶面积;

联立生态光伏屋顶总收益函数和生态光伏屋顶成本函数,以提升收益和降低成本为目标,在约束条件下,计算得到光伏组件占用面积和植物覆盖面积,并予以执行;所述约束条件包括:光伏组件、植物和屋顶风压的重量之和小于屋顶承重,光伏组件占用面积、植物覆盖面积和维护通道面积之和,小于等于屋顶面积;所述维护通道面积,根据光伏组件占用面积和植物覆盖面积计算得到,与光伏组件占用面积和植物覆盖面积正相关;所述约束条件,采用如下公式计算:WPV+Wbrackets+Wp+Wsoil+Wwindmax≤Pallow,SPV≥0.35Sroof,Sp≥0.3Sroof,SPV+Sp+F≤Sroof,其中,WPV表示光伏组件重量,Wbrackets表示支架重量,Wp表示植物重量,Wsoil表示土壤重量,Wwindmax表示最大屋顶风压,Pallow表示屋顶承重,Sroof表示屋顶面积,SPV表示光伏组件占用面积,Sp表示植物覆盖面积,F表示维护通道面积,F=λ1SPV+λ2Sp,λ1和λ2分别表示第一调整系数和第二调整系数。

2.根据权利要求1所述的结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局方法,其特征在于,所述根据目标建筑的建筑信息,计算得到目标建筑的屋顶面积和屋顶承重,包括:通过目标建筑的卫星图像,获取目标建筑的屋顶轮廓,计算得到屋顶面积,结合目标建筑的屋顶承重材料的许用应力、屋顶有效承载截面面积和建筑安全冗余系数,计算得到屋顶承重;

所述确定目标建筑的所在地和所处高度的风压系数,计算得到屋顶风压随时间的分布,包括:

在多个采样时间周期内,根据目标建筑的所在地,确定基本风压,结合目标建筑的所处高度,确定风压高度变化系数,表征风压随着离地高度增加而增大的效应,根据目标建筑的三维模型,确定风荷载体型系数,表征建筑造型对风压的影响程度;通过基本风压、风压高度变化系数和风荷载体型系数计算得到多个屋顶风压,由此得到屋顶风压随时间的分布。

3.根据权利要求2所述的结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局方法,其特征在于,所述屋顶承重,采用如下公式计算:

Pallow=(σAeffSroof)/(ksafe9.8),

其中,Pallow表示屋顶承重,σ表示屋顶承重材料的单位面积许用应力,Aeff表示屋顶有效承载截面面积,ksafe表示建筑安全冗余系数,Sroof表示屋顶面积;Aeff采用如下公式计算:Aeff=tb,

其中,t表示屋顶厚度,b表示垂直于屋顶跨度方向的单位宽度;

所述屋顶风压,采用如下公式计算:

Wwind=WθμzμsβzSroof,

其中,Wθ表示基本风压,μz表示风压高度变化系数,μs表示风荷载体型系数,βz表示阵风系数。

4.根据权利要求1所述的结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局方法,其特征在于,所述根据目标建筑的地理信息,计算得到目标建筑的屋顶在标准时间周期内接收的太阳辐照度,包括:在目标建筑所在的经纬度,计算标准时间周期内太阳波束辐照度、天空漫射辐照度和地面反射辐照度之和,得到太阳辐照度。

5.根据权利要求1所述的结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局方法,其特征在于,所述生态光伏屋顶成本函数,包括:

初始投资成本和运维成本;所述初始投资成本包括光伏组件材料和铺设成本、光伏组件支架成本、植物材料和灌溉系统成本、屋顶加固成本;所述运维成本包括光伏组件运维成本和植物管理成本。

6.一种结构安全与生态协同效应的生态光伏屋顶布局装置,其特征在于,包括:信息收集单元、基础信息计算单元、目标函数建立单元和优化求解单元,其中:所述信息收集单元,用于收集目标建筑的建筑信息和地理信息;

所述基础信息计算单元,用于根据目标建筑的建筑信息,计算得到目标建筑的屋顶面积和屋顶承重;根据目标建筑的地理信息,计算得到目标建筑的屋顶在标准时间周期内接收的太阳辐照度;确定目标建筑的所在地和所处高度的风压系数,计算得到屋顶风压随时间的分布;

所述目标函数建立单元,用于在屋顶面积和屋顶可用光照面积的限制下,以光伏组件占用面积和/或植物覆盖面积为自变量,建立生态光伏屋顶成本函数;结合太阳辐照度,建立生态光伏屋顶总收益函数;所述生态光伏屋顶总收益函数,为售电收益和减碳收益之和,其中,售电收益基于光伏组件的实际光电转换效率计算得到,减碳收益包括基于光伏组件发电的减碳和基于植物固碳的减碳;所述实际光电转换效率,在标准光电转换效率的基础上,结合植物的降温贡献计算得到,植物的降温贡献与植物覆盖面积正相关,在室温范围内,通过植物的降温贡献提升光伏组件的光电转换效率;所述光伏组件占用面积小于等于屋顶可用光照面积,其中,屋顶可用光照面积通过屋顶面积减去周围相邻建筑阴影计算得到;所述周围相邻建筑阴影,指通过目标建筑和周围相邻建筑的三维模型,结合经纬度和几何特征,计算得到的周围相邻建筑在目标建筑屋顶上的最大阴影面积; 所述生态光伏屋顶总收益函数,包括:基于光伏组件发电量的售电收益,以及基于光伏组件发电量和植物固碳的总减碳量的减碳收益之和;光伏组件发电量,通过光伏组件占用面积和太阳辐照度计算得到;所述售电收益,通过光伏组件发电量计算得到,采用如下公式计算:E=ηactualSPV’Gg,nt,其中,E表示光伏组件发电量,ηactual表示光伏组件的实际光电转换效率,SPV’表示光伏组件铺设面积,Gg,nt表示第n天第t小时的太阳辐照度;ηactual=ηstc(1+Y(Tstc – Tcell)),其中,ηstc表示额定光电转换效率,Y表示功率温度系数,Tstc表示标准电池温度,Tcell表示光伏组件的实际工作温度,采用如下公式计算:Tcell=Tair+Tbase – Tcooling,其中,Tair表示目标建筑所在地的环境大气温度,Tbase表示基础温升,Tcooling表示冷却温降,其中:Tbase=kG,k表示温升系数,G表示太阳辐照度;Tcooling=Croof(Agreen/Sroof),其中,Croof表示屋顶最大潜热冷却系数,Agreen表示植物覆盖面积,Sroof表示屋顶面积;

所述优化求解单元,用于联立生态光伏屋顶总收益函数和生态光伏屋顶成本函数,以提升收益和降低成本为目标,在约束条件下,计算得到光伏组件占用面积和植物覆盖面积,并予以执行;所述约束条件包括:光伏组件、植物和屋顶风压的重量之和小于屋顶承重,光伏组件占用面积、植物覆盖面积和维护通道面积之和,小于等于屋顶面积;所述维护通道面积,根据光伏组件占用面积和植物覆盖面积计算得到,与光伏组件占用面积和植物覆盖面积正相关;所述约束条件,采用如下公式计算:WPV+Wbrackets+Wp+Wsoil+Wwindmax≤Pallow,SPV≥0.35Sroof,Sp≥0.3Sroof,SPV+Sp+F≤Sroof,其中,WPV表示光伏组件重量,Wbrackets表示支架重量,Wp表示植物重量,Wsoil表示土壤重量,Wwindmax表示最大屋顶风压,Pallow表示屋顶承重,Sroof表示屋顶面积,SPV表示光伏组件占用面积,Sp表示植物覆盖面积,F表示维护通道面积,F=λ1SPV+λ2Sp,λ1和λ2分别表示第一调整系数和第二调整系数。