太阳能小屋设计

太阳能小屋的设计

摘要：

太阳能小屋是利用太阳能发电的新热点，具有节约占用地，减少由于输电的线路投资和损失等优点。在设计太阳能小屋时，铺设在建筑外表面的光伏电池发电量受诸多因素的影响。因此，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是光伏电池产业发展的一个实际课题。

问题1：根据要求，小屋的全年太阳能光伏电池发电量尽可能大，单位发电量的费用尽可能小。我们通过35年经济效益最大化来实现上述两个量的选择，在实现最优化的过程中我们引进两个原则：

（1）逆变器的选择方式通过单位功率价格来优先选择，计算结果显示，功率大的逆变器较为划算，同时当逆变器选定后，电池的增加不会增加电池的相应单

位发电量的成本，为了使逆变器对应的单位发电量费用降低，应尽可能让逆

变器满载。

（2）电池的选择通过单位面积效益来选定。通过电池的单位面积效益我们选出较优的电池。

同时考虑并联的光伏组件端电压相差不应超过10%的正常工作条件约束、选配的逆变器的容量应大于等于光伏电池组件分组安装的容量的安全约束，建立多目标规划模型。通过软件求解，最后只有南顶面要铺电池， 35年的发电量为.6度，经济效益为4422.3元，回报年限为33年

问题2：题目要求考虑电池板的朝向和倾角均会影响光伏电池的工作效率，选择架空的方式进行铺设，该问可视为第一问的模型优化。非水平面上晴天实际日射强度的计算公式，根据实际情况，公式化简为：

n '

,

(1cos) cos sin

2

A

D

Q s s αα

αα+

=++

┻,s

通过使坡面一年的辐射能量最大，利用C语言进行求解，求出当架空面的倾角为α=41时，坡顶面接收到的辐射总能量是最大。

关键词：光伏电池、逆变器、辐射强度、多目标规划、excel

一问题的重述

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的问题是光伏电池产业发展面临的一个实际课题。试就光伏电池与相关因素的情况建立数学模型分析研究下列问题：根据参考附件提供的数据，针对下列三个问题，分别给出小屋外表面光伏电池的铺设方案，优化铺设的原则是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。

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。

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。

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。

相关要求与数据：在求解每个问题时，都要求配有图示，给出小屋各外表面电池组件铺设分组阵列图形及组件连接方式（串、并联）示意图，也要给出电池组件分组阵列容量及选配逆变器规格列表。

在同一表面采用两种或两种以上类型的光伏电池组件时，同一型号的电池板可串联，而不同型号的电池板不可串联。在不同表面上，即使是相同型号的电池也不能进行串、并联连接。应注意分组连接方式及逆变器的选配。

1：光伏电池组件的分组及逆变器选择的要求（详见题目附录1）

2：给定小屋的外观尺寸图（详见题目附录2）

3：三种类型的光伏电池（A单晶硅、B多晶硅、C非晶硅薄膜）组件设计参数和市场价格（详见题目附录3）

4：大同典型气象年气象数据。特别注意：数据库中标注的时间为实际时间减1小时，即数据库中的11:00即为实际时间的12:00（详见题目附录4）5：逆变器的参数及价格（详见题目附录5）

6：可参考的相关概念（详见题目附录6）

7：小屋的建筑要求（详见题目附录7）

二问题分析

问题一：

对于问题一，仅考虑贴附的安装方式下，按照优化铺设的原则，选定合适的光伏电池组件，对附件2的小屋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，本文将运用多目标规划模型进行求解。

根据定义的优化铺设的评价原则，建立两个目标函数，小屋全年各个面的太阳能光伏发

1

电量尽可能大i Q 与单位发电量的费用尽可能的小i R 。通常多目标决策问题的处理方法是将多目标归一化为单目标，本文把经济效益最大化目标归一为单目标——35年寿期内各个面上每块光伏电池每年的经济效益最大为目标函数i M 。根据实际情况与题目要求，给出约束条件，通过数学软件Matlab 、C 语言以及Excel 计算可得每块光伏电池在35年寿期内各个面上的最大经济效益。最终根据每块光伏电池每年的最大效益选定光伏电池组件，以及应用画图工具以铺地板的方式对小屋外表面进行铺设，使小屋外表面尽可能大的铺满。再结合题目要求，给出小屋各电池组件铺设分组阵列图及组件连接方式图，并根据电池组件分组数量和容量，给出合适的逆变器的容量和数量。

问题二：

光伏电池的实际发电效率受太阳辐射强度、光线入射角度等因素的影响，第二问要求考虑电池板的朝向与倾角均会影响光伏电池的工作效率。根据地理知识知道，一般情况下，在北半球的光伏电池方阵朝向正南时，光伏电池的发电量最大，进而选择架空方式安装。因此，该问可以视为第一问模型优化的问题。

光伏电池架空方式安装的目的是使得小屋顶面尽可能大的接受太阳辐射能量，更有效的转换为电能。通过非水平面晴天实际日射强度的计算公式，借助数学软件MATLAB 以及Excel 进行求解，得出选择架空方式安装时，当光伏电池组件与水平面的坡度为α，光伏电池组件的实际工作效率达到最大。进而，在此安装方式下解答题目中要求的问题，重新考虑问题一。此时，在架空方式，选定光伏电池组件的原理方法同第一问。从而，问题二得到了解答。

三 模型假设

1. 假设在35年的寿期内民用电价P 都是0.5元KW/h ；

2. 假设计算坡地总辐射强度时，散射辐射各向是同性；

3. 假设35年每年的光照强度与附件（4）所给的大概相同；

4. 假设在这35年内所有的太阳能电池板正常工作；

四 符号说明

1．i Q : 小屋光伏电池在各个面上的全年发电量（i=1,2…,6）；

2. i R : 小屋太阳能光伏电池在各个面上全年的单位发电量费用（i=1,2…,6）；

3. i M : 小屋太阳能光伏电池在各个面上35年寿期内的最大经济效益（i=1,2…,6）；

4. P: 民用电单价；

5. L ： 光伏电池35年寿期内的总收入；

6. C: 安装太阳能小屋的总费用（包括光伏电池组件和逆变器）；

7. i N : 太阳能光伏电池贴在各个面所需的块数（i =1,2…，6）；