太阳能小屋设计参考方案.(优选)

2012数学建模B题太阳能小屋设计参考方案问题1：请根据山西省大同市的气象数据，仅考虑贴附安装方式，选定光伏电池组件，对小屋（见附件2）的部分外表面进行铺设，并根据电池组件分组数量和容量，选配相应的逆变器的容量和数量。

1.地表斜面上辐射量的计算公式1．1、倾斜太阳能集热器上接收到的太阳辐射能2太阳能电池方阵设计（1）太阳能电池组件串联数Ns将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。

串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。

如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。

因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。

计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋Uc）/Uoc（2）式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。

表1我国主要城市的辐射参数表：需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=A×QL×NLAh(5)④太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）(6)式（6）的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

(3)太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=Po×Ns×NpW（7）式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。

问题2：电池板的朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率，请选择架空方式安装光伏电池，重新考虑问题1。

太阳能电池板方阵安装角度怎样计算？由于太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。

1.方位角太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。

一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。

不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。

因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。

为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。

如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。

至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。

方位角＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116） 10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。

在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。

2.倾斜角倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。

一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。

但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制条件。

对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。

对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。

其实很简单，如果每家每户都安装上光伏发电，那么一个家庭他得光伏发电系统就会有2个作用，一是每户的光伏得到的电供自己家庭使用，那么每个家庭就会有一个蓄电池，尔如果当天气好，太阳照射很充足，它产生多余的电量就会通过国家电网，传回给国家电网，国家会根据价格返还你补助，就是并网光伏系统，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。

3.阴影对发电量的影响一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。

因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。

针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。

通常，在方阵周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。

如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。

另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。

有一个高为L1的竹竿，其南北方向的阴影长度为L2，太阳高度（仰角）为A，在方位角为B时，假设阴影的倍率为R，则：R ＝ L2/L1 ＝ ctgA×cosB此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。

例如方阵的上边缘的高度为h1，下边缘的高度为h2，则：方阵之间的距离a ＝（h1-h2）×R。

当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。

对于有防积雪措施的方阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大，为避免阴影的影响，相应地也会使方阵之间的距离加大。

通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。

具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全面的考虑，才能使方阵达到最佳状态。

问题3：根据附件7给出的小屋建筑要求，请为大同市重新设计一个小屋，要求画出小屋的外形图，并对所设计小屋的外表面优化铺设光伏电池，给出铺设及分组连接方式，选配逆变器，计算相应结果。

太阳能作为迄今人类所认识的最清洁的可再生能源，其与建筑一体化将在建筑节能中起到十分重要的作用。

屋顶在建筑外围结构中所接受的日照时间最长，接受的太阳辐射量也最大，具有利用太阳辐射的优越条件，同时，屋顶较开阔，便于大面积连续布置太阳能设备，因此，在城市中，建筑屋顶是太阳能利用的最佳场所。

目前，许多国家已纷纷实施和推广“太阳能屋顶计划”，如有德国十万屋顶计划、美国百万屋顶计划以及日本的新阳光计划等[2]。

我国属于太阳能利用条件较好的地区，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富[3]。

2009 年5 月21 日，财政部与住房和城乡建设部联合出台的《关于加快推进太阳能光伏建筑应用的实施意见》正式启动了我国的“太阳能屋顶计划”。

如今，我国已有许多太阳能光伏建筑一体化的应用实例，如国家体育馆太阳能发电系统、首都博物馆太阳能光伏系统、上海虹桥铁路客运站光伏发电项目等[4]，但是，这些建筑上的太阳能电池板都是固定安装的，很大程度上限制了太阳辐射量的吸收，从而影响了发电产量。

本文将太阳跟踪技术应用于太阳能屋顶上，使用计算机进行模拟实验，并与固定式太阳能电池板各时刻的太阳辐射吸收量进行了数据对比，从而量化的显示出了这种智能太阳能屋顶的优势。

1 太阳能光伏建筑一体化1.1 太阳能屋顶目前，我国及国际上的屋顶太阳能光热和光电利用技术已经比较成熟。

利用太阳能光热系统可以给建筑提供生活热水或是冬季的暖源；利用太阳能光电系统可以提供建筑的日常用电[5]。

太阳能光伏建筑一体化指的是太阳能发电，即每座建筑就是一座发电站，发出的电首先能够满足建筑自身的需求，多余的进入电网传输出去[6]。

所谓太阳能屋顶，是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶，引出端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，组成户用并网光伏系统。

1.2 太阳能光伏与建筑的结合方式根据2009 年财政部、住房和城乡建设部光电建筑应用示范项目的申报和实施情况，将太阳能光伏与建筑的结合方式分为光伏建材一体型和光伏建材型两种[7]。

（1）光伏建材一体型。

光伏建材一体型太阳电池是生产厂预先把太阳电池安装在普通屋顶建材上，然后同普通屋顶建材施工一样安装在住宅上，寿命和防水性能等也同普通屋顶建材一样，只是在材料利用上有重复。

（2）光伏建材型。

光伏建材型太阳电池是让钢化玻璃和铝合金框架构成的太阳电池组件本身具有建材的功能，要求防水性能良好，能直接代替建材使用。

另外，为了便于维护，要求光伏建材型太阳电池的寿命与周围的建材相匹配。

从发展趋势看，光伏建材型将会成为主流。

2 太阳跟踪技术太阳能屋顶上电池板的铺设一般对平屋顶而言用覆盖式，对斜屋顶用镶嵌式。

目前已实施的太阳能屋顶上的电池板阵列基本都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。

为了提高太阳能屋顶的发电量，许多学者做出了研究，刘辉的智能型太阳能屋顶系统采用了南向的45°和5°两个不同的倾角安装太阳能电池板[8]，以提高对太阳辐射量的吸收。

据实验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%[9]，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。

现如今，太阳跟踪技术已十分成熟，它能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线垂直照射太阳能电池板，显著提高了太阳能的利用率，减少了能源的浪费。

目前太阳跟踪的方式有多种，主要有光电式和机械式[10-11]。

前者为被动跟踪，受环境影响较大，尤其在多云或阴天时；后者为主动式，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机跟踪太阳，目前国内大多采用后者的方式。

为了提高太阳跟踪精度，相关的研究从未间断，赵建钊的智能型太阳能跟踪系统采用了以程控跟踪为主、光电跟踪为辅的跟踪方式，同时更新了计算太阳坐标位置的数学模型，从而提高了跟踪精度[10]；侯长来的太阳跟踪装置的双模式控制系统能实现高精度全天候的自动跟踪[9]。

太阳跟踪技术的理论基础就是太阳位置的变化，也就是不同时刻太阳高度角和太阳方位角的确定。

太阳高度角和太阳方位角的计算公式分别如下：（1）（2）式中，hs为太阳高度角；As为太阳方位角；Φ为观测者所在地理纬度，不论南北，一律取正；δ为太阳赤纬；t 为时角。

太阳高度角和太阳方位角如图1 所示。