太阳能小屋的设计
《太阳能小屋的优化设计》的阅读报告
《太阳能小屋的优化设计》的阅读报告一、对案例79的精读与点评对于案例79，关于《太阳能小屋的优化设计》，作者较好，较全面地完成了第一、第二小问，且分析问题清楚，建模合理，不足之处是对第三题的解答不完整，特别是对朝向设计讨论欠缺。
针对太阳能小屋的优化设计，这篇文章着重研究了光伏电池与逆变器的选择、配对以及铺设等问题。
首先这篇文章的摘要简明扼要，讲清楚了研究的问题，对模型通过三个问题的分析进行了简要的叙述。
在问题的假设里，假设合理，这使文章更加严谨。
在模型的建立上首先介绍了如何计算斜面上太阳总辐射和辐射量，并考虑了散射辐射量和反射辐射量，并对这些公式进行了简化，在此基础上建立了模型。
对于第一题，建立了多目标规划模型，综合考虑转化效率与单位面积收益率指标原则光伏电池，并利用Matlab构造0-1矩阵模拟实际铺设，且对问题进行了简化，对两个目标做进一步的理解。
合理设定了容忍值，并分析了不同墙面的全年光照的不同，分析了应该铺的光伏电池。
在模型的求解里，画出了不同方向的墙体电池排布图和分组图，给人一种很直观的感觉，最后选配合适逆变器完成配对，求的投资回报年限23.7年，单位发电成本0.353元/度。
对于问题二，在架空情况下建立无约束优化模型，是在第一小题的模型上进行了修改，通过逐步搜索得到最佳倾角与最佳朝向，继而选择电池进行计算机模拟铺设，给出优化的铺设方案，最终给出了电池与逆变器组合，求得投资回报年限22.4 年，单位发电成本0.336元/度。
对于问题三，为设计一合理的太阳能小屋，作者在已求得电池板的最佳倾角和朝向的基础上，根据设计规范建立非线性规划模型，并画出了自主设计的小屋立体图，再考虑到门的大小，利用Lingo求解小屋尺寸，结合已知的最佳倾角与朝向给出了小屋的具体设计方案，并进一步给出了所设计小屋的光伏电池铺设方案。
但事实上在这一小题中，作者并没有将非线性规划的模型写出来，而且考虑的方向也不全面。
总的来说，这篇论文对太阳能小屋做了一个很好的设计，得出的结果也很完美，值得我们参考学习。
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。
构建梦境-ABB太阳能低碳小屋
构建梦境-ABB太阳能低碳小屋
李海毅
【期刊名称】《中国科技财富》
【年(卷),期】2011(000)019
【摘要】为了帮助中国消费者直观体验ABB低压产品所营造的高品质智能家居环境,ABB近日在北京ABB低压电器有限公司内建成＂ABB太阳能低碳小屋（Solar House）＂,ABB太阳能低碳小屋源于ABB公司与德国达姆斯塔特技术大学（Technical University of Darmstadt）在2009年合作搭建的代号为“surPLUShome”的太阳能屋。
【总页数】1页(P49-49)
【作者】李海毅
【作者单位】《中国科技财富》编辑部
【正文语种】中文
【中图分类】TM561
【相关文献】
1.太阳能小屋电池铺设模型构建及求解 [J], 夏慧明;尚旭东
2.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
3.ABB庆祝在中国制造的首个第100套分析小屋成功下线 [J],
4.ABB中国第100套“分析小屋”成功下线 [J], 无
5.上海研发太阳能建筑太阳能变出“魔幻小屋” [J], 无
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太阳能小屋的设计模型
基金项 目： 陕西省科技计划资助项 目（ ２ ０ １ ２ Ｊ Ｍ８ ０ ３ １ ） ； 陕西省教育厅专 项科研计划项 目（ １ １ Ｊ Ｋ ０ ８ ６ ６ ） ； 渭南市科 技计划 资 助项 目（ ２ ０ １ １ Ｙ Ｋ Ｊ － ２ ） ； 渭南师范学院大学生创 新创业计 划项 目（ １ ２ Ｘ Ｋ ０ ４ ６ ） 作者简介 ： 张永红 （ １ ９ ７ ６ 一） ， 男， 陕西合 阳人 ， 渭南师 范学 院数 学与信息科 学学 院副教授 ， 理学 硕士 ， 主要从事 计算机
太 阳能小屋 的设计模 型
张永红 ， 冯淑 娟
（ 渭南 师范学 院 数学与信息科学学院 ， 陕西 渭南 ７ １ ４ ０ ０ ０ ） 摘 要： 文章建立 了一个太 阳能小屋的优化模型 ， 给 出小屋外 表面光 伏 电池 的铺设方 案 ， 使小 屋量的费用尽可能小． 并计算 出小屋光伏 电池 ３ ５ 年 寿命期 内的发 电总量 、 经济效益 及投资 的回
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 ． ２ ０ １ ２ 高教社杯全国大学生数学建模竞赛题 目（ Ｂ题 ） 附件 １ ～ ７ ＿ １ 提供 了相关信息． 请参考附件提供
的数据 ， 对下列 ３ 个问题分别给出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 ， 并计算出小屋光伏电池 ３ ５年寿命期 内的发 电总量 、 经济效益 （ 当 前民用电价按 ０ ． ５ ￣ ＿ ／ ｋ Ｗｈ 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 － ｌ ） 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．
太阳能小屋的优化设计与研究
辐射强度 ＞ ８ ０ Ｗ 的日 照时间
３ ５ ６ １
２３ ． ４５ ｓ ｉ ｎ
（ ２ ｚ （ ２ ３ ８ ６ ４ ５ ＋ 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 ／ ｋ Ｗ ・ ｈ （ ３）
（ ４）
其 中 ｙ表示收益。
Ｙ ＝１ ０ ０ ０× 叩×ｘ ｊ ／ Ｘ Ｓ
倾斜 面接 收到 的辐射一般采用 Ｋ ｌ ｉ ｅ ｎ ｔ 和Ｔ ｈ ｅ ｉ ｌ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ 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：ｍａ ｘ ｘ ／ （ ５ ． ４ 一 ） ｚ ＋ｙ ２ ． ，可列出下列关 系式对小屋 长 、宽 、高进行 约束限制 ：
基于LINGO11.0对太阳能小屋设计问题的模型研究
基于LINGO11.0对太阳能小屋设计问题的模型研究摘要太阳能小屋的发电原理主要是利用小屋表面的光伏电池将吸收的太阳辐射能转化成电能。
在对太阳能小屋的设计进行模型研究时，核心是求解出光伏电池的最优铺设方案，包含对电池类型的选择及其价格的考虑。
本文通过建立一个以小屋全年太阳能发电总量最大及单位发电量费用最小的双目标规划模型，利用lingo11.0对该规划模型进行求解，可以得到合理、经济的电池搭配方案，再结合实际情况，例如地理位置、墙面大小等因素，就可以确定出太阳能小屋光伏电池的最优铺设方案。
关键词太阳能辐射能量；最优排布；双目标规划；lingo11.0 中图分类号tm615 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）93-0070-021问题重述太阳能小屋设计问题是2012年全国大学生数学建模大赛赛题，现将原题节选如下：设计太阳能小屋时需在其外表面铺设光伏电池，光伏电池组件产生的直流电需经过逆变器转换为交流电才能够被使用。
不同种类的光伏电池（共24种）价格差别很大且发电效率受地理位置等因素影响，故研究光伏电池的优化铺设显得尤为必要。
要求：光伏电池只能利用有效辐射量，只有同一型号的光伏电池可以串联，串联后的光伏电池组可并联且并联的各组端电压相差应小于10%，光伏电池组的端电压和总功率满足逆变器的工作参数。
现只考虑对太阳能小屋的南立面（有效铺设面积为19.24㎡）铺设光伏电池，利用所提供的数据，请求解出光伏电池的铺设方案，使得全年太阳能光伏发电量尽可能大且单位发电量费用尽可能小。
2 问题的建模2.1 问题的分析问题要求我们对小屋的南立面进行合理的铺设，并根据铺设方案选配相应的逆变器的容量和数量。
由于光伏电池铺设方案的总费用、全年发电量与电池板的选择、排布方案等因素有关，所以我们先从电池板的选择出发，对全部类型的电池板进行一个初步的筛选。
由题我们发现，不同类型的光伏电池各自具有不同的特点。
所以我们设定一个评价变量，用它来对每一种光伏电池打分，并根据结果筛选出性能最优的电池。
2012年全国大学生数学建模大赛B题--论文
2012年全国大学生数学建模大赛B题--论文太阳能小屋的设计摘要：在太阳能小屋的设计中为实现太阳能光伏板最佳朝向、倾角及排布阵列设计及优化，通过建立倾斜放置的光伏板表面接收太阳辐射能模型，计算到达光伏板上的太阳辐射能量，推导出光伏板的最佳朝向及倾角。
为使光伏板最大限度地接收太阳辐射的能量，在选择合适的朝向及倾角的基础上，对光伏电池排布阵列，建立目标规划，并通过与实际逆变器的相互匹配，不断对目标进行优化，最终得到一组最优解。
通过上述研究，结合山西大同市本地情况，重新设计出一个更加适合当地地理及气象条件的太阳能光能房屋并为其选择最优的阵列排布方案。
针对问题一：电池板只是铺设房屋的表面，没有涉及到电池板放的角度问题，先求算出房屋的角度为10.62度，再根据角度，建立模型算出光伏板上太阳能辐射量。
并用目标规划阵列排列方案计算出电池的排布。
再通过排布计算出经济效益，最后得出35年之内无法收回成本。
针对问题二：通过对角度建立模型，计算得出最佳角度44.66度，通过排布计算出电池板排布最佳方案，建立模型计算出经济效益，在28.5年收回成本。
如考虑货币时间价值，35年的经济效益是亏损的。
针对问题三：要通过目标构建一个产电量尽量大，而成本尽量小的理想模型。
假设小屋无挑檐、挑雨棚（即房顶的边投影与房体的长宽投影相等），建立模型计算出最佳的图形，并画出模型图。
关键字：太阳能太阳能辐射模型最佳倾角电池模型目标规划一.阐述问题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。
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。
2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目
A题葡萄酒的评价确定葡萄酒质量时一般是通过聘请一批有资质的评酒员进行品评。
每个评酒员在对葡萄酒进行品尝后对其分类指标打分，然后求和得到其总分，从而确定葡萄酒的质量。
酿酒葡萄的好坏与所酿葡萄酒的质量有直接的关系，葡萄酒和酿酒葡萄检测的理化指标会在一定程度上反映葡萄酒和葡萄的质量。
附件1给出了某一年份一些葡萄酒的评价结果，附件2和附件3分别给出了该年份这些葡萄酒的和酿酒葡萄的成分数据。
请尝试建立数学模型讨论下列问题：1. 分析附件1中两组评酒员的评价结果有无显著性差异，哪一组结果更可信？2. 根据酿酒葡萄的理化指标和葡萄酒的质量对这些酿酒葡萄进行分级。
3. 分析酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系。
4．分析酿酒葡萄和葡萄酒的理化指标对葡萄酒质量的影响，并论证能否用葡萄和葡萄酒的理化指标来评价葡萄酒的质量？附件1：葡萄酒品尝评分表（含4个表格）附件2：葡萄和葡萄酒的理化指标（含2个表格）附件3：葡萄和葡萄酒的芳香物质（含4个表格）B题太阳能小屋的设计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。
附件1-7提供了相关信息。
请参考附件提供的数据，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，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。
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。
太阳能小屋的设计--2012高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题优秀论文
承诺书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。
如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。
我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。
我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： B我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：所属学校（请填写完整的全名）：武汉大学参赛队员(打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：日期： 2012 年 9 月 7 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：B题太阳能小屋的设计摘要我国人口众多，人均能源资源量较低，因此发展可再生能源是必然的选择。
而太阳能作为人类迄今为止所认识的最清洁的可再生能源，对它的利用具有重要的意义。
本文要求设计太阳能小屋，其关键是为小屋的各个面选定合适的光伏电池组件类型和连接方式。
针对问题一，由于小屋各个面有不规则的门窗，所以首先我们将各个面划分成不同的矩形区域，然后根据尺寸大小对每个区域选取可行的光伏电池类型，以它们铺设面积尽可能大为标准，用极限切割软件找出每个区域优化率最大时的电池类型及个数。
进而我们将相同型号的光伏组件进行串联、多个光伏组件串联后再进行并联，且并联的光伏组件端电压相差应不超过10%，以此为依据不断的进行优化，选出各个面光伏组件的最优连接方式。
“火星上的多功能太阳能家园”制作方案
火星上的多功能太阳能家园制作方案一、选题1.由于能源危机和环境污染日益严重，未来，人们登上火星并在火星上生活即将成为现实。
万物生长靠太阳，太阳是地球上所有能量的源泉，为使人类在火星上免受辐射等伤害，需要为常驻火星居民建造舒适的家园，科学家们必须加快新能源的开发，早日研究出高效而廉价、既能清洁环境，又能发电的多功能太阳能。
根据太阳产生能量的原理，制造一种全新的核反应堆，用核聚变产生能量，使多功能太阳能这种清洁能源得到普及。
2.运动会或大型集会之后，垃圾桶里总是有大量的雪糕棒，学期结束时，发现在校园里和马路上有大量的雪糕棒丢弃，造成了环境污染，于是便主动地进行整理收集,手工制作了火星小家园。
收集到的材料资源在质量、形态上较为完整，数量较多，不但保护了环境，还大大提高了同学们科学探索意识、创造能力和动手能力，并进一步加强了对新太阳能的宣传。
二、制作目的和基本思路：充分利用课余时间调动同学们的动手积极性，提高同学们的创新思维和丰富的想象能力。
创建孩子们心中未来的火星小家园，宣传普及多功能太阳能，变废为宝，培养同学们热爱科学、勇于进行科学探索的精神，增强他们热爱人类、保护环境的爱心。
从而起到启迪智慧、丰富想象、激发创造的作用。
在该项目中我们主要从以下几个方面来进行调查研究：（1）对科学家研究火星的知识你了解了多少？（2）平时是否关注太阳能的利用?对太阳能的原理你了解了多少？（3）平常吃完雪糕的雪糕棒如何处理，是否注意保护环境?（4）打扫卫生时发现的雪糕棒的大致数量?三、研究过程：1.搜集整理，查阅资料，了解宇宙知识火星自然环境、地质构造等科学知识。
2.通过随机选取区域收集丢弃的雪糕棒和问卷调查。
3.了解太阳能的利用程度、原理。
4.汇总结果，并将收集到的材料制作成各类精美的模型、摆件。
5.师生一起制作“火星上的多功能太阳能家园”。
6.在以“火星上的多功能太阳能家园”为主题的班队会，手工艺品摆件中加入太阳能屋的概念，号召全社会关注清洁能源的开发利用，教育同学们爱护环境，宣传利用清洁能源。
太阳能小屋的设计 (2)
太阳能小屋的设计介绍太阳能小屋是一种利用太阳能作为能源的住宅建筑。
它通过太阳能电池板将太阳光转化为电能，并通过储能设备存储，以提供无间断的照明、供电和暖气等服务。
太阳能小屋具有环保、节能和可持续的特点，被广泛应用于城市和郊区等地区。
本文将详细介绍太阳能小屋的设计原理、材料选择、结构布局等内容，帮助读者了解和运用太阳能小屋。
设计原理太阳能小屋的设计原理基于太阳能电池板的工作原理。
太阳能电池板是由多个光伏电池组成的，光伏电池可将太阳光转化为直流电能。
太阳能电池板安装在小屋的屋顶上，将太阳能转化为电能后，通过电池储存。
这样，在太阳不照射的时间里，太阳能小屋仍然可以使用电能供应设备的电力需求。
此外，太阳能小屋还配备了逆变器和电池储能设备。
逆变器可以将直流电能转化为交流电能，以供给家居电器使用；电池储能设备则用于存储多余的电能，以备不时之需。
材料选择在太阳能小屋的设计中，材料选择至关重要。
以下是常用的材料：1.太阳能电池板：太阳能电池板通常由多晶硅或单晶硅制成。
多晶硅太阳能电池板价格较低，而单晶硅太阳能电池板效率较高。
2.屋顶材料：为了保护太阳能电池板和提供保温隔热功能，选择合适的屋顶材料非常重要。
常用的材料包括太阳能屋顶瓦、太阳能透明屋顶板等。
3.绝缘材料：为了保证建筑的隔热性能，选用合适的绝缘材料对墙壁、屋顶和地板进行隔热处理。
结构布局太阳能小屋在结构布局上需要充分考虑太阳能电池板的安装位置和朝向，以提高太阳能的利用效率。
一般来说，太阳能小屋的屋顶应具备一定的倾斜角度，以便太阳能电池板可以正面接受太阳辐射。
此外，小屋内部的布局也需要合理规划。
例如，可以设计出通风良好、充满自然光的房间，以减少对电照明的依赖。
同时，电器设备的摆放也需要考虑到电源供应的便利性。
主要优势太阳能小屋相较于传统的燃料供能建筑具有以下几个主要优势：1.环保节能：太阳能是一种清洁、可再生的能源，使用太阳能发电可以减少对传统燃料的依赖，从而减少温室气体的排放。
基于数学模型的太阳能小屋优化设计
Ｖｏ １ ． ３ ２， Ｎｏ ． ６
西 华 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｘｉ ｈ ｕ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ・ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ
２ ０ １ ３年 １ １ 月
近 年来 ， 光伏产业迅速 发展 ， 世 界 太 阳能 电 池
设计 ， 除 满 足 发 电外 ， 还可 减少 二氧 化碳 、 二 氧 化
硫、 氮 氧化 合物 等 污染 物 的排 放 ， 保 护 环境 ， 有利 于
提 高 市 民的环保 、 节 能 意识 。
１ 设 计 思路
刘 刚¨ 在 太 阳能光 伏 阵列 数 学模 型 的综 述 中 ， 介绍 了太 阳能 电板 的选 择 方 法 ； 程 雅 丽 在 独 立 光 伏发 电系统优 化设 计 中 ， 解 决 了太 阳能 电板 倾 角 的 问题 ； 而 李世 民等 在 屋 顶 光伏 发 电 系统 的设 计 和 安装 指南 的研究 中 ， 描 述 了 怎 样铺 设 屋 顶 的太 阳能 电板 。本文 在 结 合 原 有 的研 究 基 础 上 利 用 数 学 建 模 方法 对 已有 太 阳能 小屋 进行 优 化 改 进 ， 并 研 究 得 到设 计 一 个 太 阳能 小 屋 的最 佳 方 法 。其 具 体 设 计 思 路 如下 。
ＺＨＡＮＧ Ｃｈ ａ ｏ — ｌ ｕ ｎ ， ＹＡＮＧ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ — ａ ｎ ，ＴＡＮ Ｘｉ ａ ｏ， ＬＩ Ｕ Ｙａ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＭａ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｘ ｉ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ ０ ０ ３ ９ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
2017高教杯数学建模c题
2017高教杯数学建模c题2017年高教社杯全国大学生数学建模竞赛C题：太阳能小屋的设计问题描述：为了充分利用太阳能，某公司计划建造一栋具有特殊功能的太阳能小屋。
该小屋的主要功能是为员工提供一个舒适的工作环境，同时最大限度地收集和利用太阳能。
请你们小组设计一个方案，以满足以下要求：1. 白天室内温度保持在20℃左右，晚上保持在18℃左右。
2. 白天尽可能多地利用太阳能来加热和供电。
3. 晚上使用白天存储的能量来保持室内的温度。
4. 小屋需要有一个通风系统，以确保空气流通。
5. 小屋需要有一个安全系统，以确保员工的安全。
问题分析：首先，要解决这个问题，我们需要考虑如何收集和储存太阳能，并有效地利用这些能量来维持室内的温度。
其次，我们需要设计一个通风系统，以确保空气流通，并设计一个安全系统，以确保员工的安全。
最后，我们需要选择合适的建筑材料和设备，以确保小屋的耐用性和稳定性。
解决方案：1. 设计方案：我们计划使用被动式太阳能设计方法，这种方法不需要额外的机械设备来收集和储存太阳能。
我们将在小屋的南墙上安装大面积的太阳能电池板和集热器，以收集太阳能。
集热器可以用于加热室内空气和收集热能，而太阳能电池板可以提供电力。
2. 通风系统：我们将设计一个自然通风系统，利用热压原理，通过小屋内的温度差来驱动空气流动。
在白天，当室内温度较高时，热空气会上升并通过通风系统排出室外。
在晚上，当室内温度较低时，冷空气会下沉并进入室内。
3. 安全系统：我们将安装一个安全系统，包括烟雾探测器和火灾报警器。
如果室内发生火灾或其他紧急情况，安全系统将立即发出警报并启动通风系统，以将烟雾排出室外。
4. 建筑材料和设备：我们将选择耐用的建筑材料和设备，以确保小屋的稳定性和耐用性。
我们将使用高效能的隔热材料来减少能量的损失，并使用高效能的太阳能电池板和集热器来提高能量的收集效率。
5. 方案实施：我们将根据设计方案进行建设，并在建设过程中不断调整方案以满足实际需求。
太阳能小屋的设计之数学建模论
太阳能小屋的设计论文摘要随着当今社会资源的匮乏，合理利用能源显得越来越重，其中太阳能做为一种新能源，给人们的生活和生产带来了很多帮助。
在设计太阳能小屋时，需在建筑物表面（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表面的优化铺设是很重要的问题。
问题1仅考虑贴附安装方式，那么光伏电池组件的夹角就可以忽略了小屋的表面安装的个数根据其面积比例就可以计算出来。
问题2的架空方式考虑到电池板的朝向与倾角会影响光伏电池的工作效率，会使小屋产电量更大。
问题3中设计的小屋应尽可能多的装电池组件，以使发电量总量尽可能大。
在问题一中，根据各种光伏电池组件的连接方式和平均发电功率的比较和逆变器的价格（写出数据的对比），选择电池组件*和逆变器*，每个面的面积选择了*个逆变器……利用表格数据作图得到……在问题二中，根据大同市的每个面得辐射总量知道太阳照射比较强的是*面，于是再根据其每个方向的辐射量的比较选择按*度角安装电池组件在问题三中，根据问题一和问题二的比较，知道用架空方式设计小屋会更有效率，小屋的结构比例和安装方向选择了电池组件*和逆变器*……关键字：光伏电池、光伏电池组件、逆变器、辐射强度一、问题的重述1. 基本情况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。
太阳能小屋设计优化模型的研究
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 ：Ｔ Ｋ ５ １ １ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ７ — ９ ８ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ ６ ５ — ０ ５
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 ２ ２ ０ Ｖ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 ：２ ０ １ ２ — １ １ — １ ０
全国大学生数学建模 太阳能发电设计
+
0.033 cos
⎛ ⎜ ⎝
360 o ⋅ n 365
⎞⎤ ⎟⎥cos θ z ⎠⎦
又因为cosθz 满足 cosθz =sinϕsin δ +cosϕ cosδ cosγ
其中 n 为所求日期在一年中的日子数（即日序）。
⎛k⎞
−⎜
⎟
τ b = a0 + a1e ⎝ cosθ z ⎠
τ d = 0.271− 0.294τ b
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。
接辐射量之比， Ho为大气层外水平面上太阳辐射量； β 为倾角。这样，求倾角 面上太阳辐射量的公式可改为：
别墅住宅太阳能热水设计方案
h
61
Solar house, using active and passive solar energy.
Project Ecolonia, Alphen (Holland)
h
62
Solar water heating on existing building in Holland; 4,5 m2 of collector
集热器、水箱、管路等与 建筑结构的协调性、摆放 位置与建筑的协调性等。
检修的方便性等
色泽搭配的整体设计（别墅屋 面颜色、墙体、屋瓦的色泽、 质感等）
放置位置的整体设计（如集热 器在房顶的相对位置等，沉入 屋顶，附在屋顶上等，成为屋 顶的一部分）
建筑设计时综合考虑包括检修 在内的多种因素（水箱的位置 ---阁楼、车库、地下室、设 备间、室外）
协调。
2、家用热水器型成本最低。
2、家用热水器型用户使用热 水不方便。
3、安装简单
3、受倾角影响，阳台型采光 效率低，成本高。
h
43
总后家属楼太阳能系统设计方案
选择集中“集热-分户贮水-分户计量” 太阳能热水系统。 采用分户电辅助加热，解决阴雨天太阳能不足问题。
分户水箱采用贮热式电热水器水箱，内加铜盘管换热。 将太阳能和电加热有机地结合起来，可实现全天24小时
---- 专而精
1、国内最大太阳能的企业之一
2、十五年的工程产品、安装施工经 验
3、网络遍布全国各地，行业内最密 集
h
25
公司简介（2）
---在太阳能工程方面，国内先进
1、参与了有关太阳能工程国家和行业标准的起草； 2、主持编写《太阳能工程设计安装》一书； 3、参与了联合国、科技部、建设部等多项太阳能示范项目； 4、拥有太阳能工程自动控制技术，是高新技术企业
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我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：所属学校（请填写完整的全名）：重庆邮电大学参赛队员 (打印并签名) ：1.2.3.指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)：日期：2015年8月24日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：摘要本文用EXCEL软件对给出的山西大同典型气象年逐时参数进行全面性分析，进而计算出各个类型的光伏太阳能电池板的各项参数，采用模糊综合评价的模型在光电池的功率，转换效率，工作时长以及价格进行比较，选择出最佳的光电池问题一：以各光伏太阳能电池板的额定功率为阀值，筛选出以额定功率工作的时长和低于额定功率状态时所做的功，通过模糊综合评价的模型对各电池板的性能进行综合性评价，再计算出各光电池一年内所获得利润大小，最后选出合适的电池板为B2和A3。
根据小屋各个面的面积确定出电池板的数量，进而选出合适的逆变器。
在35年使用寿命内，经济效益约为元，投资回收年限为28年。
问题二：在第一问的基础上，考虑到地理纬度，电池板倾斜角度等因素的影响，我们对太阳方位角、太阳高度角、太阳赤纬角、太阳时角进行了量化处理，通过月总辐射量在全年范围内求和，利用matlab工具采取计算机循环寻优算法，计算出电池板的最佳倾角为44，沿用解决问题一的思路对逆变器进行了选择。
在35年使用寿命内，经济效益约为万元，投资回收年限为年问题三：基于之前的计算结果和结论，并对小屋的建筑要求进行了线性规划，用LINGO软件进行处理，找到了小屋面积，朝向及其屋顶倾角的最合理的设计方法，选出了相应的逆变器。
在35年使用寿命内，经济效益约为万元，投资回收年限为年。
关键词：太阳能光伏电池板；模糊综合评价；投资回收年限；最佳倾角；计算机循环寻优；一、问题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是很重要的问题。
参考附件提供的数据，对下列三个问题，我们分别给出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，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（当前民用电价按元/kWh计算）及投资的回收年限。
问题1：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，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，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。
二、问题分析对于问题一,我们认为在仅考虑贴附安装方式的情况下，只要在光伏太阳能电池板的收入大于其需要的成本的条件下，在给定的面积中让其利用率达到最大即可保证最大收益，从而建立模型求解。
对于问题二，我们认为地理纬度，光伏电池板倾斜角度以及安装方位角等因素均会影响到电池板的工作效率，且以架空方式进行铺设，所以我们对一些主要的影响因素进行比较后建立模型，并结合问题一中得出的结论求出更加合理的铺设方案。
对于问题三，我们将采用前两问中的计算结果，本着成本最低，可实际操作，环境友好的原则，用太阳能电池板利用率最高的方式来设计太阳能小屋。
综合上述三个问题的理解和分析，本文着重考虑了光伏太阳能电池板现有技术条件下的可用性与实用性，使这种环境友好型的新型技术可以得到推广和优化应用，给我们的生活带来更多便利。
三、符号说明符号说明W功率（瓦）l收益（元）t工作时长（小时）σ电池的工作效率F太阳辐照值（）s面积（）α太阳方位角（°）h太阳高度角（°）δ太阳赤纬角（°）φ当地纬度（°）ω太阳时角（°）光伏电池板倾斜角度（°）γ光伏电池安装方位角（°）σ电池工作因子四、问题假设1.电池的工作因子σ=70%为常数。
2.由于屋顶与水平的夹角 =，近似于1。
近似将屋顶作为水平面处理。
3.逆变器在屋里，不占用光伏电池空间。
4.在一月、二月、十一月、十二月份屋顶有积雪ρ取，其他月份ρ取。
5.光电池不受天气状况影响。
五、模型的建立与求解问题一模型的准备首先对三种电池进行分析，通过附件1我们得知不同型号的电池对太阳辐照阈值要求不同，同时结合附件4，我们对一年中各个型号电池的工作时长作统计。
得到下表：不同型号工作条件和时长对比表型号工作条件东墙一年工作时长（小时）西墙一年工作时长（小时）北墙一年工作时长（小时）南墙一年工作时长（小时）屋顶一年工作时长（小时）A1168147017121241860B2133314289931422480C32413713308837992817模型的建立运用模糊综合评价法，首先确定隶属函数。
24种电池的因素评论域为功率、转换效率、工作时间和价格。
进行单因素评价，功率的区分为4个模糊集合。
.将其用柯西型模糊分布表示为：转换效率也分为4个模糊集合。
，也用柯西模糊分布表示为：以此类推价格Q的4个模糊集合为：工作时间t（为每年每种电池各个面的平均工作时长）的4个模糊集合为：计算以上公式，建立相关4个评价指标功率、转换效率、工作时间和价格的模糊关系矩阵R。
,其中为第j个电池种类对第i个评价的隶属程度。
对于每个R矩阵乘一个的评语量化集，即每项评价的得分状况。
从而得到综合评判矩阵4个B=DOR=。
将这4个B矩阵先合成再分为24个的C矩阵，代表了每种电池对于4个指标的综合评价。
确定评价因素权向量，对于工作功率，转换效率，工作时间和价格，选择评价因素权向量。
每种电池的综合评价矩阵C与A作乘积，得到每种电池的最终评价结果为矩阵S。
、、分别为A、B、C种电池的功率。
那么它们在额定功率下工作一年所产生的利润是：以屋顶为例，结合附件3的数据带入计算在辐射度F=1000W/㎡,光谱为，温度为25℃标准情况下。
且实际发电量计算时可以不考虑AM值的影响，根据电池表面接收到的太阳总辐射量参数进行计算得出下表：不同型号电池利润表（表5-2）电池型号利润平均单位利润18631085.68.70.64.71.40.40.40.45.47.如果考虑不在额定功率工作的情况，结合表5-3，对于每种电池，F时在额定功率工作。
如果F且电池能工作，则每块每年所产生的利润：l=ηsΣF（F）假设选择n块i号电池和j号逆变器，且这n块电池有串联a个在并联b 串。
那么j号逆变器关于容量W、允许输入电压V输入的约束条件为：模型的求解求解我们可以得到最优为其次为最优且相差不大。
从表5-2得出利润要大于。
所以在条件允许的情况下，优先选择利润最大的。
得出关于逆变器和，的串并联情况为下表所示：逆变器关于两种光伏电池的排布表逆变器种类单位价单位价个数排列方式个数排列方式SN20-0---SN45并联8并联1380SN57并联12并联850 SN612并联20并联1250750SN77最多串联3个12最多串联3个850SN812最多串联3个20最多串联3个1275765SN925最多串联3个40最多串联3个1400875SN1050最多串联3个80最多串联3个1276SN112可串联4-6个4可串联4-6个22501125SN125可串联4-6个8可串联4-6个1380SN137可串联4-6个12可串联4-6个SN1412可串联4-6个20可串联4-6个1275765SN1518可串联4-6个30可串联4-6个SN1625可串联4-6个40可串联4-6个1400875SN1731可串联50可串联875SN1837可串联6-17个60可串联6-17个从表5-3中可以得出不同逆变器和不同电池的最佳组合。
1.屋顶在F165时在额定功率下工作。
由附件2筛选得到符合165F80的值有444个结果，且ΣF=.∴=%.筛选得到F165的值有2036个结果。
即一年中按照额定功率工作时长t=2036小时。
∴==∴l=+=两个顶面一共用29块，∴成本价为400029+6900+35000=157900∴=根据题意要求，在电压和功率的制约下，本着价格低廉的方式，两个顶面一共有29块，用1个16号逆变器分管较大顶面上的24块4个串联6组并联和1个4号逆变器并联5块电池在小顶面。
屋顶排列光电池（图1）2.北墙附件2中北墙辐射强度符合70F30的共有1956个结果，且ΣF=93800∴=在F70，有1132个小时。
∴=∴l=+=由于背面北向阳光，且收益为五面中最少的，所以我们将其忽略不计，即不在北墙做任何修改和变动。
3．南墙由于面积过大，在南墙能铺设的较少，所以这里我们南墙选用光伏电池，此种类在F200正常工作。
共有2124个小时。
∴l=经过排列，南墙用八块比较合适，具体如图2所示。
∴南墙根据表5-3，得出南墙使用1个4号逆变器。
成本价为+6900=32528元。
南墙排列光电池（图2）4．西墙对于来说，有1470个小时工作。
=相对于，165F80的值有593个结果。
ΣF=。
在额定功率下工作1642个小时。
∴具体排列如图3所示西墙可以安装11个光电池，用6号逆变器，一起并联。
成本价为114000+15000=59000西墙排列光电池（图3）5．东墙对于来说，有1168个小时。
=对于，165F80的值有815个结果，ΣF=在额定功率下工作1318个小时。
∴东墙一共有9个光电池，用6号逆变器，都并联。