用于在城市环境中放置太阳能电池板的建模灯

在城市中安装太阳能电池板需要根据城市空间的复杂几何形状量身定制，为每个太阳能电池板提供最直接的阳光。设计最有效设置的过程之一是阴影建模。

太阳能光伏系统(更常见的是太阳能电池板)的成本在过去十年中急剧下降。通过环境考虑和经济可行性的结合，太阳能电池板正在更多的地方安装并用于更大的项目。日常使用对太阳能电池板的需求意味着它们被安装为现代城市建设的一部分。

传统上，太阳能电池板以大型阵列安装在开阔的空间中，在那里它们可以在一天中尽可能多地吸收尽可能多的阳光。随着城市的发展和扩张，它们将需要更多的电力，将太阳能电池板放置在需要电力的人群附近将会很有用。在城市环境中放置太阳能电池板也将它们从与农场竞争空间的开阔地中移除。

在城市中安装需要根据城市空间的复杂几何形状量身定制的太阳能电池板设置，以便为每个电池板提供最直接的阳光。为太阳能电池板设计最有效设置的过程之一是阴影建模，它能够创建数百万个场景——这是不可能进行物理测试的——以最大限度地从太阳能电池板收集能量。这项技术具有超越太阳能电池板放置的潜​​力，例如测量城市农业的光照水平和测量建筑设计的热量水平。

城市阴影建模是在 3D 建模引擎中模拟城市景观并计算太阳投射的阴影的过程。这使工程师可以找到阴影数量最少的区域，并调整每个太阳能电池板的位置和角度，以使它们能够捕捉到最多的阳光。卡内基梅隆大学的研究由 Andrés Arias-Rosales 和机械工程教授 Philip LeDuc 领导，研究了梁建模的多种方法。研究结果已发表在可再生能源和可持续能源评论上。

这篇论文是一系列研究中的一篇，旨在将群体理论的生物学概念(如蚂蚁等个体有机体如何作为一个群体产生远比个体部分复杂得多的行为)与日益增长的需求和效率相结合。普通民众使用的太阳能电池板。“在建筑集成光伏和车辆集成光伏方面有一些非常令人兴奋的新兴市场，”博士 Arias-Rosales 说。与 LeDuc 合作的机械工程专业的学生，​​以及该项目背后的思想。安德烈斯还提到了太阳能电池板在道路或大型无人机上的潜在应用。

为了实现这一愿景，Arias-Rosales 开始构建一个新的建模框架，该框架可以有效地跟踪太阳在天空中移动以及车辆、人员和无人机在人口密集的城市中移动时所投下的阴影。他们研究了四种不同的方法来追踪太阳在不同环境中投射的硬阴影，从加利福尼亚州拉克雷森塔-蒙特罗斯等松散的城市环境到纽约等人口密集的城市。

研究中测试的四种方法是：

虚拟照片中的光栅化和像素计数，以测量太阳击中的区域;这是最准确但计算量最大的方法。

两种类型的光线追踪，它们使用矢量分析来确定命中的表面积。前向光线追踪测量来自光源的光线并计算其中有多少光线照射到太阳能电池板上。它的计算量非常大，但作为最直接的方法，它被用作基线。聚焦光线追踪测量来自太阳能电池板的光线并查看有多少光线击中太阳;它比光栅化快得多，而且仍然相当准确。

一种完全分析的方法，它使用几何建模和线性代数来计算有多少太阳被太阳能电池板和太阳之间的建筑物阻挡。

最后一种方法是最快的数量级，但在更复杂的环境或有很多运动的环境中效果不佳。

哪种方法最适合测量投射阴影?

“这部分取决于您正在处理的确切应用程序，”Arias-Rosales 说。分析方法是迄今为止最快和最准确的方法。然而，实现这种方法非常复杂，它需要对环境中的所有对象进行事先和精确的建模。聚焦光线追踪方法是一种很好的平衡，因为它比光栅化方法效率高得多，而且精度稍差一些。在环境变得非常复杂之前，光栅化方法并不是很有用，因为尽管该方法很慢，但与其他方法不同，光栅化方法不会减慢环境中的对象越多。

这些新的建模技术不仅适用于太阳能电池板。这项技术在许多现代应用中都有潜力，例如用于环保设计的温度建模，例如将建筑物设计为不受阳光直射的影响，从而降低空调成本或确定在公共场所放置树木以使其凉爽或使用太阳能电池板来捕捉阳光并产生阴影。另一个应用是使用这种阴影模型来设计公共花园，因为随着人们变得更加自给自足和环保意识，城市农业变得越来越流行。

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