开发日内瓦太阳能凯德：用于城市地区可持续能源管理的决策支持工具

副教授Gilles Desthieux日内瓦景观研究所、工程和建筑和城市能源规划顾问Amstein + Walthert日内瓦,带领的一组研究人员开发出了日内瓦太阳能土地清册,模拟太阳辐射的工具和能源生产从建筑屋顶和外墙。

最近的城市研究表明，我们的城市在环境问题，特别是能源转型方面发挥着重要作用。《欧盟2030年气候与能源框架》的目标之一是将可再生能源消耗降低到最低27%，减少碳排放。为了实现这一目标，城市必须准确评估其可再生能源。

太阳能板
在建筑屋顶上使用太阳能电池板现在很普遍。然而，在建筑密集的地区，进入的阳光是有限的，并限制了太阳能发电厂的部署。最近太阳能电池板效率的提高，以及创新概念，如近零能源建筑和建筑集成光伏，使探索其他可用表面，包括高速公路屋顶和墙壁潜在的能源生产。在冬季的几个月里，当太阳在天空中较低的时候，建筑的外墙特别吸引人来生产太阳能。

模拟潜在太阳能
建模在建筑环境的结构内的太阳能的可访问性可以使用有关城市和图像处理的可用3D信息来执行。然而，对于太阳能分析的Facade建模，已经收到了比屋顶更少的考虑因素，因为它需要基于3D GIS数据的更复杂的工具。

Gilles Desthieux，Gilles Desthieux，Gilles Desthieux，Gilles Desthieux，Emstein + Walthert Geneva的城市能源规划顾问副教授们领导了一支研发的研究人员，他们开发了一种在内部城市建筑屋顶上建模辐射和能源生产的工具和垂直外墙。

该集成工具使用光探测和测距(激光雷达)数据以及2D和3D地籍数据。(在瑞士，地块在地籍簿上登记，并记录其几何细节、结构、现状和所有权。)

大约有10个公共和私人利益相关方参与了这个研发项目，该项目得到了几个资助者的支持:日内瓦国家和日内瓦能源公司- SIG(在日内瓦的太阳cadaster框架内)，瑞士联邦促进科学创新局(iCeBOUND项目-城市数值数据云设计支持系统)和西瑞士应用科学大学(HES - so联合研究项目2050能源区)。

目标
该项目旨在设计和开发一个基于3D数字城市数据的决策支持系统，以促进大型建筑区域的环境分析，如太阳能潜力的评估。该项目以城市地区的屋顶和立面为目标，为城市规划和能源管理提供相关指标，促进太阳能生产。

该项目的两个关键目标是允许居民检查他们的建筑的太阳能潜力，并促进光伏的安装，鼓励能源过渡远离核能。

方法
该方法是基于研究人员之前在“太阳能潜力”方面的工作，在那里他们评估了城市建筑的屋顶和立面使用热能和光伏技术产生太阳能的潜力。

通过在给定的时间段内每小时的每小时的kWh中的太阳辐射的估计值来计算特定建筑的太阳能电位。数据输入包括位置，气象数据（统计或测量），平均太阳辐射参数和3D周围浮雕和景观。一种基于图像处理技术的着色算法用于计算每小时阴影和可见天空的比率，也称为天空视图因子。

数据以地理参考TIFF光栅格式存储，由数字城市表面模型、坡度矩阵和方向矩阵组成。数字城市表面模型由LiDAR数据构建，并表示城市的结构，如建筑物和房屋。斜率矩阵用0到90°之间的值描述每个点的斜率。方位矩阵描述每个点的方位，其值在0到360度之间。这两种矩阵是用通用地理信息系统软件制作的。

在冬季的几个月里，当太阳在天空中较低的时候，建筑的外墙特别吸引人来生产太阳能。

研究人员通过添加其三个主要部件和相关的着色指数来计算太阳辐射：直接辐射与太阳可视性成正比，漫射辐射来自天空可视性，从地面和附近的物体中的辐射。

然后可以生产太阳能贴图，可以准确评估城市地区，以安装可再生能源，如在建筑屋顶上的光伏和热太阳能电池板。

Facade组件
数字城市表面模型不允许建筑物外观建模，因此研究人员开发了一个门面部件。这在使用2D矢量数据形式的建筑轮廓以1米间隔以1米间隔产生门面的“超光点”网格。然后将着色算法应用于以与屋顶类似的方式计算每小时阴影和天空视图因子。

应用于日内瓦的太阳星集
2011年，Gilles Desthieux和研究团队开始在日内瓦广州（或州）的太阳能康斯塔，一个约300公里²根据《日内瓦能源法》和《日内瓦总能源计划》，作为促进太阳能生产的支持。新的太阳能集热器，突出了建筑屋顶上的原始太阳辐射，向公众开放。在项目的第二阶段，2014年，研究人员开发了与太阳能生产、环境评估、经济投资和回报相关的指标。

2016年，在日内瓦太阳星集项目的第三阶段，研究团队使用新的激光雷达数据和3D城市模型更新了2011年的太阳星集。他们还利用云计算改进了太阳能建模算法和计算模型，以便为决策者提供城市规划和能源管理的相关指标。

经修订的日内瓦太阳能康斯特公司的产量由国际太阳能建模专家科学验证。

云计算
在欧洲，大多数城市太阳能星集都是基于限制区域，通常小于100公里²．然而，日内瓦的太阳能卫星覆盖了整个日内瓦州，而不仅仅是城市，延伸到大约300公里²．这为Desthieux和团队带来了对计算时间的挑战。他们2011年的原始日内瓦太阳能Cadaster计算由单个服务器计算机计算，并花费大约2000小时。

为了减少大型城市地区的太阳能分析计算时间，研究人员选择在上面提到的Icebound项目的框架中使用云计算。这减少了日内瓦的整个计算时间到大约350小时。

结果
日内瓦的太阳能电站表明，如果在广州所有合适的屋顶上都安装光伏发电装置，就可以实现700兆瓦的太阳能发电潜力。2016年底，日内瓦的太阳能发电量约为45mwe。Desthieux提到，虽然实现100%的太阳能发电可能不现实，但这仍然是一个重要的目标。

传播
结果通过日内瓦官方地理地理（SITG - Geneva领土信息系统）和基于Web的界面进行传达，已为公共使用定制。旨在使用太阳能的专业人士的地理波动允许用户在任何周边或一组建筑物上提取整个太阳能数据库，支持各种尺度的太阳能规划。

本署在公众网页界面上公布互动地图及识别合适屋顶的资料，供能源规划当局、能源公司的营销及投资部门及公众使用，以提高公众的认识，并鼓励安装光伏及太阳能热板。

分享此数据和信息对于促进开放能源过渡策略至关重要，以便离开
来自核能。

Gilles Desthieux表示，共享这些数据和信息对于推动开放能源转型战略，从核能转向绿色技术至关重要。

公共Web界面每周使用80到100次。这符合公共资金的申请人数，特别是日内瓦资助建筑物的资助计划。

视角
研究人员正计划为潜在利益相关者制定研讨会，研讨会和培训课程，以及网上有针对性的信息来提升太阳市场。

他们还打算将太阳能集落扩展到包括法国市政当局在内的整个日内瓦地区(新项目“G2 Solaire”由法国-瑞士合作的欧洲项目Interreg V支持)。

预计计算时间可以进一步减少，通过使用图形处理单元加速计算和适应矩阵处理。

研究团队正在计划太阳能星盘的下一个版本，目的是为每个参与太阳能的人提供一个协作平台，以增加安装的数量，推动太阳能市场。