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太阳能小屋的设计

太阳能小屋的设计概述太阳能小屋是一种利用太阳能发电并且能够自给自足的房屋设计。

它采用太阳能电池板将太阳能转化为电能，并且可以用于供电、加热和照明等功能。

这种设计是为了减少对传统能源的依赖，实现可持续发展和环境保护。

太阳能电池板太阳能电池板是太阳能小屋设计的核心部分。

它由多个太阳能电池组成，能够将太阳能转化为直流电能。

太阳能电池板应该安装在太阳光辐射最强的位置，以最大限度地吸收太阳能。

一般来说，太阳能电池板应该朝向正午太阳的方向，倾斜角度大约与当地纬度相等。

储能系统为了实现夜间和阴天供电，太阳能小屋需要一个储能系统。

储能系统一般由蓄电池组成，可将白天产生的多余电能储存起来，在需要时释放。

蓄电池应该具有足够的容量和稳定性，以确保在没有太阳能供应时，小屋的供电可靠性和持续性。

供电和用电太阳能小屋的设计应考虑供电和用电需求。

首先，需要确定小屋的用电量，包括照明、加热、通风、电器使用等。

然后，根据用电需求来确定太阳能电池板和蓄电池的容量。

此外，还需要考虑电能的分配和管理，以保证稳定供电。

为了节约能源，应采用节能设备和合理控制用电，并将太阳能电池板和蓄电池的使用效率最大化。

加热和照明系统太阳能小屋的设计还要考虑加热和照明系统。

加热系统可以采用太阳能热水器或太阳能空气加热器，将太阳能转化为热能用于取暖。

照明系统可以采用太阳能LED灯，将太阳能转化为光能用于照明。

这两个系统应该与供电和用电系统相互配合，以达到最佳效果。

节水系统为了实现可持续发展和环境保护，太阳能小屋的设计还应该包括节水系统。

节水系统可以包括雨水收集和再利用、太阳能热水器和节水设备等。

通过有效利用水资源，可以减少用水量，并保护水资源。

总结太阳能小屋的设计是一种创新的房屋设计，能够利用太阳能实现自给自足的供电、加热和照明功能。

通过合理设计太阳能电池板、储能系统、供电和用电系统、加热和照明系统以及节水系统，可以实现小屋的高效、可靠和环保运行。

这种设计不仅能够减少对传统能源的依赖，还能够实现可持续发展和环境保护目标。

太阳能小屋的设计研究

太阳能小屋的设计摘要随着人类对能源需求的不断增强，提高太阳能电池组件的发电功率已成为一个重要课题。

本文建立了以下模型来探究太阳能电池组件的发电功率及能获得的最大经济效益：针对问题一，在对已有数据计算出屋顶斜面的光辐射强度的基础上，建立了基于模拟退火算法的贴附铺设光伏电池模型。

依据24种不同型号电池的尺寸将其分为4类，利用matlab初步计算铺设小屋所需4类电池数量；又以最大经济效益为目标函数，用模拟退火算法得出光伏电池的最佳铺设方案。

计算出小屋建立一年后电池组件的最大发电量为18569Kw，经济效益为-72546.6元；而在35年后电池组件的最大发电量584923.5Kw，获利209630.65元。

所以从长远来看，太阳能电池给人类带来了很大的经济效益。

针对问题二，在证明出光伏电池可架空朝南安装才可获得最大光辐射量的基础上，我们建立了架空铺设光伏电池模型，用逐步查找法计算出光伏电池的最佳h与电池阵列的关系，得出当电池板间距为其最大投倾角。

通过分析太阳高度角影距离L时才不会因遮挡电池板而影响发电效率，从而对24种不同型号的电池以投影大小重新分成4类，根据问题一中的模拟退火算法得出最大经济效益。

针对问题三，以小屋的四个侧面的光辐射强度为目标函数，对小屋各边要求为约束条件，建立了多目标规划模型，利用lingo软件求出小屋各边参数，得到小屋四周外墙能接受到的最大光辐射强度为15672.34W/m2，并绘制出了小屋最佳结构。

综上所述，太阳能作为一种无污染、可再生能源，具有广阔前景。

关键词：光伏电池、模拟退火、逐步查找法、多目标规划1.问题重述能源和环境是21世纪面临的两个重大问题,专家推算[1]可开采的石油资源将在几十年后耗尽, 煤炭资源也只能供应人类使用约200年。

太阳能电池作为一种可再生无污染能源，能够利用光电效应直接把光能转化成电能，从而很好地解决能源和环境两大难题。

目前在太阳能电池的研究中最关键的问题就是如何提高转换效率，减少能源浪费。

太阳能小屋的优化模型新

太阳能小屋的优化模型摘要本文通过分析太阳能小屋光伏电池和逆变器等设备把太阳能转换为电能，但光伏电池在小屋外表面的优化铺设很重要。

本论文就太阳辐射强度，光线入射角，建筑物的地理纬度，安装部位及方式（贴附或架空）等因素考虑，得出电池的最优铺设。

对于问题一，题中给出了大同市的气象数据；三种类型的光伏电池组件的相关信息及逆变器的参数，房屋东、西、南、北面的具体面积，按照要求选用最优规划模型，利用房子的面积，光伏电池的转化率等约束条件，寻求东、西、南、北及顶面的光伏电池的最优铺设方式。

具体结果见表1：根据最优方案，算出小屋光伏电池经济效益为7882922.43元，投资的回收年限为3年。

对于问题二，电池板的朝向与倾角会影响到光伏电池的工作效率，贴附安装会损失一定的太阳辐射能，用架空方式安装光伏电池，我们建立倾斜面太阳总辐射强度与赤尾角、时角、太阳高度角等之间的关系式：2c o s )(s i n c o s 2βρραθH D H B T I I I I I -++=。

用EXCEL 软件对每个时刻太阳辐射量求和，比较得出在13时太阳水平面总辐射强度、水平面散射辐射强度、法向直射辐射强度均为最大，则单位面积受到的辐射强度最大，算出此时的最佳倾斜角γ与最佳方位角A 分别为32.01、45.8，再由问题一的最优化模型，算出小屋光伏电池经济效益为210457.61元，投资的回收年限为15年。

对于问题三，在前两问的基础上，为大同市重新设计小屋，由题给小屋建筑的要求，我们考虑平顶的小房屋，这样小屋受到的光照面积大，更加有利于对太阳辐射的吸收。

关键字：太阳能电池最佳铺设方式最优化模型倾斜太阳辐射三．模型假设1.假设题中所给数值均有效；2.要计算35年寿命周期内光伏电池发电总量，假设在35年内太阳辐射的总量是稳定的；3.假设在以后的各年中，小屋所受光照辐射量保持恒定；四．模型建立与求解模型一：对于问题一，我们只考虑贴附安装方式，即光伏电池安在墙壁上对小屋的外表面进行铺设，但考虑到小屋全年太阳能光伏发电总量尽可能大而单位发电量的费用尽可能小，由题给关系我们从最优化考虑，建立发电量和费用的最优化问题，根据约束条件，用LINGO 软件求出小屋的外表面部分铺设量，得出电池组件分组数量和容量，及相应逆变器的容量和数量。

太阳能小屋的最优设计

太阳能小屋的最优设计赵国喜;代林帅【期刊名称】《新乡学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)005【摘要】研究了太阳能发电装置的电池组件选配问题，建立了双目标规划模型，并进行了求解。

有效地设计出太阳能光伏电池板最优铺设方案，并给出了光伏电池逆转换器配置办法，提出了一种比较经济的太阳能小屋设计办法。

%Double objective programming mode is established and solved based on battery component matching problem with solar energy generation device. The optimal laying scenario for solar photovoltaic panels is designed effectively, and configuration method of photovoltaic battery inverse converter is given. An economical solar house design is proposed.【总页数】3页(P327-328,332)【作者】赵国喜;代林帅【作者单位】新乡学院数学与信息科学系，河南新乡 453003;新乡学院数学与信息科学系，河南新乡 453003【正文语种】中文【中图分类】O224【相关文献】1.太阳能小屋的最优设计模型 [J], 何帆;黄迎;石秋菊;欧阳康2.一类太阳能储热器最优设计的极值搜索方法 [J], 孙海涛;顾全军;刘光宇;薛安克;徐芬3.基于太阳能辐射理论和目标规划的太阳能小屋设计 [J], 刘畅;鞠东平;崔梦雪4.上海研发太阳能建筑太阳能变出“魔幻小屋” [J], 无5.太阳能小屋的最优设计 [J], 赵国喜;代林帅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

太阳能小屋的优化设计与研究

表１小屋各个面太阳光辐射强度评比指标，部位顶部辐射强度＞３Ｏｗ的日照时间３９７９
辐射强度＞８０Ｗ的日照时间
３５６１
２３．４５ｓｉｎ
（２ｚ（２３８６４５＋ｎ）１
为了选择优秀的电池板材料，我们定义电池板的性价比转换效率／价格，根据不同电池板的性价比确定小屋各个面的选择情况。
阳高度是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，对于地球上的某个地点，专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角，这是以太阳视盘面的
ＭＪ／ｍｚ。
其中，Ｐ表示输出功率；ｔ表示日照时间；Ｗ表示输出电能。
Ｙ＝ × ０．５元／ｋＷ・ｈ（３）
（４）
其中ｙ表示收益。
Ｙ＝１０００× 叩×ｘｊ／ＸＳ
倾斜面接收到的辐射一般采用Ｋｌｉｅｎｔ和Ｔｈｅｉｌａｃｈｅｒ提出的倾斜面月辐射量计算模型：
域继续取５个等分倾角点，以此类推，不断缩小区域范围，直至满足所要求的精度为止。
６新设计太阳能小屋长、宽、高的计算
根据附件７的建筑要求，以及上述两问中对于小屋总发电量的求解可以得出结论：当小屋的顶面积越大时，对太阳能的吸收越大，进而转化为的电能就越大，采用线性规划模型，令屋顶面积Ｃ：ｍａｘｘ／（５．４一）ｚ＋ｙ２．，可列出下列关系式对小屋长、宽、高进行约束限制：

太阳能小屋研究报告

太阳能小屋研究报告太阳能小屋是一种利用太阳能进行供能的住宅建筑。

太阳能小屋的特点是具有自给自足的能源供应系统，可以利用太阳能发电、加热水和供暖。

在不依赖传统能源的情况下，太阳能小屋具有节能环保、可持续发展等优势。

本文将介绍太阳能小屋的工作原理、应用领域和未来发展趋势。

太阳能小屋的工作原理是利用太阳能电池板将太阳能转化为直流电，并通过逆变器将直流电转化为交流电。

这样就可以满足日常生活所需的电力需求。

同时，太阳能小屋利用太阳能热能集热器将太阳能转化为热能，用于加热水和室内供暖。

太阳能小屋还可以通过储能系统将多余的电能储存起来，用于夜晚或阴天时的使用。

太阳能小屋可以应用于多个领域。

首先，太阳能小屋可以用作乡村地区、山区和荒漠地区的独立供电系统。

在这些地区，传统能源供应难以满足需求，而太阳能小屋可以利用充足的太阳能资源为居民提供可靠的供电系统。

其次，太阳能小屋可以用作露营车和房车的能源供给系统。

太阳能小屋可以为这些车辆提供电力和热水，减少对传统能源的依赖。

再次，太阳能小屋也可以应用于建筑设计中。

通过在建筑物上安装太阳能电池板和热能集热器，可以减少对传统能源的使用，实现可持续发展。

太阳能小屋未来的发展趋势是提高能源效率和减少成本。

随着科技的进步，太阳能电池板的效率将不断提高，同时成本也会降低。

这将使太阳能小屋更加普及和可行。

此外，太阳能储能技术的发展也将促进太阳能小屋的应用。

储能系统可以储存多余的电能，以应对夜晚或阴天时的能源需求。

而且，太阳能小屋还可以通过与智能家居系统相结合，实现能源的智能管理和优化使用，进一步提高能源效率。

综上所述，太阳能小屋是一种利用太阳能进行供能的住宅建筑。

太阳能小屋具有自给自足的能源供应系统，可以满足日常生活所需的电力需求、加热水和供暖。

太阳能小屋可以应用于乡村地区、房车和建筑设计等领域。

未来，太阳能小屋的发展趋势是提高能源效率和减少成本，实现可持续发展。

数学建模太阳能小屋的设计

太阳能小屋的设计摘要本文讨论的问题是如何在房子表面安装光伏电池，目标是使房子的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小。

本模型建立的思想是，尽可能使安装的光伏电池在一天内多接受太阳光。

针对问题多目标，多变量的动态特点，为了实现目标我们建立了多目标规划模型。

经过分析，我们确定太阳强度、气象条件、所处位置、环境为常数，电池安装角度、太阳光入射角为变量。

目标中提出要使发电量最大又要费用最低，可见我们的问题属于资源优化问题，在建模的时候，除考虑光伏电池安装位置外，还要重点考虑如何去选择和连接光伏电池组。

文中我们使用化整为零的方法，对房子的各个面进行单独的分析，首先用“控制变量法”对房子各个面用不同种类的电池组合铺设，并计算产生的电量和成本，以表格的形式表现出来，接着利用“排除法”，得出每个面产生电量最多的电池型号组合，即为最优组合。

一年中总会出现光强最大的一天，这就要求我们的模型要考虑最值情况，光伏电池产生的电要经过逆变器才转换为交流，因此光伏电池产生的电压最大值必须在逆变器允许输入电压范围内。

除了建立多目标规划模型外，为了解决问题，我们还建立了以下两个模型：模型一：区域分析模型在安装电池板时，由于有些墙面有窗户或者其它位置不能被电池板覆盖，我们称这部分区域为“非覆盖区域”，也就是有这些“非覆盖区域”的存在，我们有了限制他周围电池板型号的条件。

我们以非覆盖区域为界，可把一个完整的墙面分割成几个区域，由于太阳能电池板的形状为长方形，我们选择将墙面分割成不同面积的长方形区域。

根据所分区域的大小，选择电池板的安装情况，选择的电池板必须长和宽不超过该区域长和宽的电池。

由于我们在这个模型里只考虑了面积去安放光伏电池，符合该区域的电池板搭配可能有多种，但是要选择最优的电池搭配，为了实现电池最优搭配，我们建立了金字塔模型。

模型二：金字塔模型所谓金字塔模型就是最下面数量多，最上面数量少，这个模型恰好能解决我们区域分析时得到很多种电池搭配，却得不到最优搭配的问题。

太阳能小屋的优化设计与研究

Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｈｅｔｌａｒｇｅｓｔｔｏｐｓｕｒｆａｃｅｒｅａａｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｈｔｔｈｅｔｏｐｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｃｈｒａａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅｒａ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｔｒｎｓａｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏａｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｉｆｎａｌｌｙｕｓｉｎｇ
资源及环境
中国科技信息２０１４年第Ｏ６期ＣＨＩＮＡＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＭａｒ．２０１４
太阳能小屋的优化设计与研究
郑十
摘要本大同市典型
气象年气象数据的分析，确定出小屋最优的铺设方案。按照小屋的建设要
求，采用区域填充扫描线算法确定小屋的各外表面的铺设组件阵列和铺设方案并建立非线性优化模型，根据已求出的最优组件序列确定顶面的符合约束
ＭＡＴＬＡＢｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｏｃｌｃａｕｌａｔｅｅａｃｈｉｎｄｅｘ．Ｉｔｉｓｎｏｔｄｉｉｃｆｕｌｔｔｏｓｅｅｔｈａｔ，ｔｈｅｒｅｔｕｒｎ— ｐｅｒｉｏｄｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄａｆｔｅｒｈｅｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ；ｒｅｇｉｏｎｆｄｌｉｎｇ；ｎｏｎｌｉｎｅｒａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ

太阳能小屋优化设计

太阳能小屋优化设计摘要随着人类对自然探索的不断深入，对能源的需求不断增加，太阳能以其安全、节能、环保、经济的优点博得研究者的青睐。

本文对不同情况下小屋屋顶及外墙表面铺设光伏电池的方案进行讨论。

针对问题1---贴附铺设，考虑到吸收阳光辐射时直射辐射以及散射辐射的不同状态，因希望使小屋全年发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，此模型可直接表示为双目标规划模型。

由于双目标规划复杂难解，因而根据成本—收入—利润模型，将其转化为使利润最大化的单目标规划模型。

对于每个墙面和屋顶，通过启发式算法进行电池性能的评价，按优劣排序，采用模糊规划，作出铺设电池的初步判断。

其次，以光伏电池每平方米利润最大为目标采用贪心算法选择需要铺设的电池，并配合矩形排样中最低轮廓线法对光伏电池的安放进行优化，从而得到利润最大的组合。

最后利用多维线性规划对逆变器进行选择，根据逆变器情况进行分组，通过成本—收入—利润模型对选配逆变器之后的最终利润进行进一步优化。

结果发现对于东立面、北立面和北屋顶，利润为负值，无法回收成本，故只铺设南立面、西立面和南面屋顶。

计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量为432462.6kwh ，经济效益（利润）为50973.7元，26年可以收回成本。

针对问题2---架空铺设，对于东、西、南、北四个立面而言，当对光伏电池进行倾斜架空时，电池之间会产生相互遮挡，利润提高不明显，故不对四个立面铺设，只对南面屋顶进行架空铺设。

通过分析计算可知，正南面阳光辐射所得利润最高，所以对于南面顶不考虑改变朝向的问题，只考虑最佳倾角。

根据极值定理可求得最佳倾角为 51.34，并对其进行误差分析，发现计算结果与2009年实际统计结果相比误差约为7.5%，所以最佳倾角数值可信。

计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量为589136.37kwh ，经济效益（利润）为77942.6元，24年可以收回成本。

针对问题3---太阳能小屋的设计，综合问题1与问题2的讨论结果，将南面屋顶最大化，并将窗户和门都安装于北立面和东立面。

太阳能小屋的优化设计数学建模

太阳能小屋的优化设计摘要太阳能小屋通过在屋体外墙面上铺设光伏电池实现利用太阳光能发电的功能，但是如何合理的选择光伏电池的种类、数量，有效的设计电池组件的构成，充分的利用气候、气象、地理环境等自然条件，以达到成本小、发电量高的目的是太阳能小屋设计面临的一个实际课题。

本文根据组合优化问题中的相关理论，通过数据统计比较方法的对光伏电池种类进行简单的人工筛除，剩余种类的电池进行遍历铺设循环比较的方法，针对以下具体问题，进行计算和分析：(一)贴附安装方式。

本文首先对现有一年内大同市光辐射强度，利用Excel计算并统计出各个墙面及屋顶接受不同范围光辐射强度（包括大于80瓦/平方米、小于80瓦/平方米且大于30瓦/平方米、小于30瓦/平方米）所在时间段及时数。

在此基础上按照低于30瓦/平方米不输出电力的原则，对各个墙体所采用的电池类型进行筛选，由于北面墙体低于30瓦/平方米的时间达到4485小时，出于成本考虑，未对北面墙体进行铺设，其他墙面均采用混铺方式。

首先人工筛除若干不合理电池种类，先从简单铺设一种单晶硅电池或多晶硅电池入手，遵循发电量尽可能大的原则，对各面墙体及顶部进行铺设，利用穷举法将各种铺设方案进行比较，列表得出A3电池可以得到最大发电量，B3仅次之，但B3的发电成本低于A3。

之后仅考虑A3 和B3与各种薄膜电池混铺的各种结果，并综合逆变器的匹配型号，得到两种方案：一种A3与C7混搭并配有SN13、SN14、SN15逆变器；另一种时B3与少量A3与C7混搭并配有SN4、SN13、SN14、SN15逆变器。

通过比较发现方案一在发电量与成本上皆优于方案二，且得到方案一30年后收回成本，35年输出电量为702827.37kwh；(二)架空安装方式。

通过太阳高度角、方位角对辐射强度的影响，列出相关偏微分方程，并求最解最佳倾斜角：得到架起角度为与水平面夹角42度，并在问题一最佳铺设方案的基础上应用其结论，得到架空时的最佳方案；(三)根据房屋的设计要求，遵循屋顶优先原则，设计屋顶的倾角符合问题2中最佳倾角，得到了太阳能小屋的设计方案。

论太阳能小屋的优化设计方法

论太阳能小屋的优化设计方法冯　登（重庆交通大学国家内河航道整治研究中心，重庆　４０００４１）摘要：本文以山西大同市太阳能小屋为研究背景，根据采集的数据优化分析小屋太阳能电池板选型及铺设方案，建立相应的电池板发电量最大优化模型，采用计算机模拟逐一查找可相组合的电池板型号，再对每一种组合的个案进行所有可能组合铺设，进行相关运算比较得出最优铺设方法，最终找到最优可靠铺设太阳能电池板方法，并提出优化房屋倾角与朝向角。

关键词：辐射强度；计算机模拟；优化模型１引言不可再生资源的日渐短缺，太阳能作为再生资源逐渐被人们所重视。

太阳能电池板的开发和利用开始被研究，光伏电池板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。

怎么合理的铺设太阳能电池板，成为关注的焦点。

本文以山西大同市房屋使用太阳能电池板为例，合理的分析铺设太阳能电池板，优化太阳能电池板铺设方式。

２太阳日照强度分析光伏电池发电量主要受太阳辐射强度影响，本文选取屋顶倾斜面即东南顶面为研究目标，屋顶倾斜面辐射强度与屋顶面面积、太阳高度角和方位角相关，根据大同市气象数据（水平面总辐射强度、水平面散射辐射强度、法向直射辐射强度），由高度角和方位角计算公式计算该房屋东南顶面的辐射强度影响。

太阳高度角是太阳相对于地平线的高度角，太阳方位角是太阳在方位上的角度。

2.1房屋东南顶面日照强度分析大地表面（即水平面）和太阳电池方阵面（即倾斜面）上所接收到的辐射量均符合直散分离原理，即总辐射等于直接辐射与散射辐射之和。

倾斜面上的太阳辐射量：ＱＴ　＝　ＳＴ　＋　ＤＴ　＋　ＲＴ（３）式（３）中，ＱＴ倾斜面总的太阳辐射量，ＳＴ倾斜面直射辐射量，ＤＴ水平面散射辐射量，ＲＴ倾斜面反射辐射量，单位ｋｗｈ／ｍ２。

基于最优化问题太阳能小屋的设计

基于最优化问题太阳能小屋的设计作者：王欣吴莎莎来源：《考试与评价》2017年第12期【摘要】本文针对太阳能小屋光伏电池铺设的最优化铺设问题，对各光伏电池产品型号的基本数据进行统计分析，然后针对各个问题建立模型并求解。

【关键词】最优化光伏电池最佳倾角模型一、引言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，使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，并分别计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益（当前民用电价按0.5元/kWh计算）及投资的回收年限。

二、数据处理1.最佳倾角模型朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用的计算方法，倾斜面上所接受到辐射总量的太阳能辐射总量由直接辐射量、天空散射辐射量及地面反射辐射量组成，即：与水平面上的直接辐射量（）之间有如下关系：对于朝向赤道的倾斜面，可以由下式确定：式中，是当地纬度，是倾角，是太阳赤纬。

水平面上的日落时角：倾斜面上的日落时角：Hay模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为式中和分别为水平面上直接和散射辐射量；为倾斜面与水平面上直接辐射量之比，为大气层外水平面上太阳辐射量；为倾角。

首先要先求出大同市大气层外水平面上太阳辐射量然后再求出光伏电池的最佳倾斜角。

根据实际可知太阳赤纬为负值，如当地纬度为，通常总有，因此倾斜角上日出时角和水平面上日出时角相等，，这时可以直接推导出最佳倾斜角的数学表达式。

根据倾斜面上太阳的辐射量公式：将对求导，由于问题是针对大同市，所以其太阳辐射量及地面反射率等均为常量，令，可得：同时由对求导，可得：考虑到水平面上太阳辐射总量：将代入（3），根据大同市的太阳辐射强度数据可以得出度。

2.计算最佳效益X=（水平面散射辐射强度+法向直射辐射强度）*光伏板面积*数量*效率；代入数值得：X=（229767+35417）*1.58*0.808*0.187*0.05*43/1000+（217956+1710485）*1.58*0.808*0.187*43/1000=19932度Y=19932*0.5=9966元Z=9966*35-14.9*200*43-15000*2-6900=183770元总收益=183770+10459.2=194229.2元。

太阳能小屋设计优化模型的研究

受很多因素的影响，如太阳辐射强度、建筑物所处的地理纬度、环境、地区的气候与气象条件、光线人射角、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在设计太阳能小屋时，对光伏电池在小屋外表面的优化铺
设问题的研究尤为重要。
３结束语
本文考虑确定性模型的主观假定性较强，对其建立了概率性推测模型，初步较客观得出几组相应工作电压和功率的逆变器，针对一组逆变器充分考虑了各个约束条件，建立了目标规划模型，同时利用专门的
第３期
太阳能小屋设计优化模型的研究
表２组件连接方式（串、并联）示意图
当选取另外一组逆变器时，根据目标规划模型同样得出另一种铺设方案见表３，图略。
表３组件连接方式（串、并联）承意图
２．５成本分析
小屋外墙的每个立面或顶面的成本
中图分类号：ＴＫ５１１文献标志码：Ａ文章编号：１００７ — ９８４Ｘ（２０１３）０３ — ００６５ — ０５
随着科学技术的发展，人类社会的进步，人们对能源的消耗越来越多，因而，绿色能源的使用也变得越来越重要，太阳能等可再生能源逐渐成为人类关注的焦点。在太阳能小屋设计中，需要在小屋的屋顶及外墙铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电经过逆变器转换成２２０Ｖ交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输送电网。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别也很大，且每峰瓦的实际发电量或发电效率还
２．１符号说明
收稿日期：２０１２ — １１ — １０

太阳能小屋屋顶的设计与优化

太阳能小屋屋顶的设计与优化杨凯凡【摘要】在贴附安装方式下,通过分析和评价,选择屋顶来研究光伏电池的优化铺设.通过建立模型,从各类电池中得出A3,B2,C1型号的电池为相对最优选择,并求各类电池所需要的数量,进而结合所需要的成本建立剩余价值模型,选出最优电池、最优逆变器、最优铺设方式以及经济效益.【期刊名称】《高师理科学刊》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】4页(P32-35)【关键词】逐层筛选;多目标优化;优化铺设;最优模型【作者】杨凯凡【作者单位】陕西理工大学数学与计算机科学学院,陕西汉中723001【正文语种】中文【中图分类】TM914.4太阳能是一种清洁能源，目前，人们对太阳能的利用技术已经非常成熟．太阳能小屋就是在建筑物的外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池的发电量受太阳辐射强度、光线入射角、安装部位及方式等诸多因素的影响[1-6]．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尤为重要．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．本文根据 2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题给出的附件数据信息，研究了小屋外表面光伏电池的铺设方案，使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，所以最终选择最优的光伏电池进行铺设．用PRO/E软件进行铺设，然后算出最大直流输入功率和电压，再根据限定条件，选择最优的逆变器．最后计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益及投资的回收年限．（1）假设太阳能辐射强度与天气无关；（2）不考虑温度、风速等条件对电池及逆变器的影响；（3）假设35年内光伏电池和逆变器均正常工作；（4）成本只考虑光伏电池和逆变器的成本，不考虑其他成本．仅考虑贴附安装方式，由于对小屋部分外表面（选择屋顶）进行铺设，考虑到要使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，分别用几个函数来选择最优的光伏电池组件．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，并计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益及投资的回收年限．小屋屋顶俯视图见图1．2.1 选择光伏电池组件假设Ti分别代表3类各型号电池的最大单位面积的转换功率；Wi为3类各型号电池的组件功率；Si为3类各型号电池的组件面积；为3类各型号电池的转换效率，则由式（1）可以计算出A类单晶硅电池、B类多晶硅电池、C类薄膜电池中分别对应的最大单位面积的转换功率和对应的产品型号（见表1）．2.2 型号为A3，B2，C1的3种光伏电池在屋顶的铺设情况只有当单位面积上的转换功率最大时，产生的输出功率才可能最大，因此根据式（1），选定了光伏电池组件的型号后，根据这一型号采用给出的3种电池组件连接分组阵列所得到的输出功率将是一样的．所以就只需光伏电池在表面的铺设面积最大为优（贴附式安装）．利用函数计算光伏电池的铺设方式，A3，B2，C13种光伏电池铺设方式见图2．图2a是型号为A3的光伏电池组件的最优铺设情况，其最优块数为43块；图2b 是型号为B2的光伏电池组件的最优铺设情况，最优块数为25块；图2c是型号为C1的光伏电池组件的最优铺设情况，最优块数为35块．2.3 计算利润首先求解A3，B2，C13种光伏电池组件的购买成本[7-8]．假设Xi表示A3，B2，C13种光伏电池的购买成本，分别表示A3，B2，C13种光伏电池的价格（元/Wp）、组件功率和最优铺设块数，则由式（2）可以计算出A3，B2，C13种光伏电池组件的购买成本为A3：12.814 0 万元，B2：10.400 0万元，C1：1.680 0万元．假设Yi分别表示A3，B2，C13种光伏电池组件在35年内的生产总值，h为35年，分别表示A3，B2，C13种光伏电池的水平面总辐射强度、面积、转换功率和最优铺设块数，则这3种电池的生产总值见表2.由此可以算出在35年内A3，B2，C13种光伏电池所带来的生产总值，以致可以得到A3，B2，C13种光伏电池的利润，最终选出最优的光伏电池，同时得到光伏电池组件的铺设（注：由于屋顶斜面与水平面的夹角很小，所以把屋顶斜面按照水平面计算[9-10]）．假设光伏电池所带来的利润为Vi，则. 由此可以分别计算出A3，B2，C13种光伏电池在35年内所带来的利润分别为A3：15.874 2 万元，B2：10.817 1万元，C1：7.297 0万元．因此，A3型号的光伏电池所带来的利润最大，所以选择A3型号的光伏电池进行铺设，铺设方式见图2a．2.4 逆变器的选择根据光伏电池组件型号的选定，和这一型号的3种电池组件连接分组阵列所得到的输出功率8.4/kW是相同的，又因为光伏阵列的最大功率不能超过逆变器的额定容量和考虑到购买逆变器的价格因素，所以选择一组最优的逆变器组合SN8为4.0 /kW和SN15 为6.0/ kW，连接方式见图3．2.5 计算35年寿命期内的总发电量根据所有光伏组件在0～10年效率按100%，10～25年按照90%，25年后按80%折算．假设Q为35年寿命期内的总发电量；Y表示型号为A3的光伏电池组件在35年内的生产价值；h表示35年．则由式（4）计算出35年寿命期内的总发电量为．2.6 35年寿命期内的经济效益假设A为35年寿命期内的经济效益；X表示A3型号光伏电池的购买成本；Z表示2种不同型号逆变器的总价格，则，由此可得出35年寿命期内的经济效益A=9.271万元．假设H为35年寿命期内投资的回收年限，则，由此可得寿命期内投资的回收年限H=20.183 9，即在第21年开始盈利．本文给出了太阳能小屋外表面光伏电池的铺设方案，从3种光伏电池中选出了最优的光伏电池及铺设方案，使小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，得出了最大直流输入功率和电压，并选择最优的逆变器．从长远的角度出发，得出光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益及投资的回收年限．【相关文献】[1] 朱荣臻，王睿，江天，等．单晶Si和单晶GaAs太阳能电池的激光损伤特性对比研究[J]．红外与毫米波学报，2015，34（4）：479-485[2] 谢波实，代盼．不同背景的GaAs基单结太阳能电池IV特性及分析[J]．光学学报，2017，37（2）：25-32[3] 林文贤．太阳能集热器最佳倾角的计算[J]．云南能源，1988，25（2）：40-42[4] 石将建，卫会云，朱立峰，等．钙钛矿太阳能电池中S形状伏安特性研究[J]．物理学报，2015，27（3）：62-67[5] 刘跨文．浅谈有机太阳能电池技术领域的应用[J]．科技展望，2016，26（28）：78-80[6] 胥良．地表斜面上辐射量的计算[J]．云南民族学院学报：自然科学版，2001，45（4）：113-116[7] 薛青，吴文慧，叶云霞，等．飞秒激光辐射对GaAsGe太阳能电池的性能退化研究[J]．激光与光电子学进展，2015，52（4）：116-122[8] 王玉玲，孙以泽，彭乐乐，等．基于Lambert W函数的太阳能电池组件参数确定法[J]．物理学报，2012，24（24）：533-538[9] 曹勋．热管型太阳能热电联产系统[J]．建筑节能，2016，44（9）：34-34[10] 杨金焕，毛家俊，陈中华. 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算[J]. 上海交通大学学报，2002，47（7）：1032-1036。

基于太阳能辐射理论和目标规划的太阳能小屋设计

基于太阳能辐射理论和目标规划的太阳能小屋设计摘要随着经济和社会的迅猛发展，能源需求越来越受到关注，设计太阳能小屋，充分利用绿色能源是一个重要趋势。

本文提出一种双目标规划的方法可以对任意形状的小屋设计出独特的太阳能板铺设方案。

并且匹配逆变器，得到贴附式铺设的优化方案。

预先考虑每种太阳能板在各个面的年转化太阳能值，极大地简化了后续计算的复杂度。

采取架空方式时，本文利用太阳能辐射理论，结合特定城市的气象观测数据，可求出该城市太阳能板的最佳偏转角。

这种方法使得不同地域的太阳能板偏转角不同，更充分地利用太阳能。

关键词双目标规划；太阳能辐射理论；太阳能小屋设计0引言设计太阳能小屋，需在建筑物外表面铺设光伏电池并搭配逆变器，不同种类的光伏电池每峰瓦价格差别很大，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、安装部位及方式等。

以某城市气候气象条件为背景，以全年光伏电池发电总量大和单位发电量的费用小为目标，设计出其贴附和架空两种铺设方案。

而采用架空时，太阳能板的最佳偏转角的计算尤为重要。

我们提出了一种结合太阳能辐射理论和特定城市的气象观测数据的求解方法，根据不同地区的气象情况，算出最佳偏转角，更为科学。

1各方向辐射强度分析光伏电池的全部能量来自太阳，其发电的基本原理是利用光生伏打效应，能直接将光能转化为电能[1]，太阳辐射越强，电池转化而成的电能的量越多。

要对给定小屋的外表面进行铺设，需要考虑各个面接受辐射的强度。

运用SPSS对各个面辐射强度进行频数分析，可以得出各个方向的辐射强度分布特征：这里以平面和南面为例：1）对于是平面上的总辐射强度，其分布较为均匀，频数从0到988.89W/m2依次递减，均值为327.22W/m2。

在总辐射中，散射辐射占据了绝大部分的低值，这比较符合我们的认知，可解释为在早晨傍晚以及阴天时刻和天气中，水平面上接受的绝大部分是散射辐射，而其他时刻和天气中以太阳直接辐射为主；2）对于南向总辐射强度，其均值为234.36W/m2，在各个侧面中时最大的，因为大同位于北纬40.1o的低纬度地区，太阳无法垂直照射只能从南边斜照，故南面接受的辐射在各侧面中相对较多，直接辐射时间长。

太阳能小屋的设计

太阳能小屋设计模型摘要：太阳能利用的重点是建筑，其应用方式包括利用太阳能为建筑物供热（生活热水、采暖）和供电，因此太阳能与建筑一体化是未来太阳能技术的发展方向。

我国已于2009 年正式启动了“太阳能屋顶计划”，但是目前已实施的太阳能屋顶上的电池板均为固定安装，从而限制了太阳辐射量的吸收，减少了发电产量，降低了太阳能屋顶的工作效率。

本文的智能太阳能屋顶模型将太阳跟踪技术应用于屋顶太阳能电池板上，使其能够根据太阳方位的变化自动调节角度，大大提高了太阳辐射量的吸收。

关键词：太阳能屋顶；太阳跟踪技术；计算机辅助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。