太阳能小屋的设计.pdf

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1、太阳能小屋的设计摘要本题要求设计小屋外表面光伏电池的铺设方案，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。问题一中以贴附安装的方式为小屋部分外表面安装光伏电池。首先，依据题中安装光伏电池的要求，以全年太阳能光伏发电总量尽可能大，单位发电量的费用尽可能小为目标，建立规划模型，用lingo软件求解出的电池型号为C8。然后，根据电池的参数与小屋各面的面积确定每面的亏损状况，发现屋顶南面以及西南两个侧面有收益。进而确定光伏电池铺设面为屋顶南面以及西南侧面。最后，根据电池排阵和数目确定逆变器的个数和型号。35年内总发电量为138527.24kwh，净收益

2、为22230.82元，投资回收年限为23年。对于问题二，由于侧立面的倾斜会产生阴影影响部分电池的光照，所以小屋东西南北四个侧面仍采用问题一中的处理方法。屋顶北面由于光照不足，也采用问题一的做法，不铺设电池。对于屋顶南面的架空角度，通过倾斜面上的太阳辐射能公式推导出太阳光照射到与水平面成β倾角电池板上的辐射能，继而对公式求导计算出倾斜面上年最大太阳能辐射值与纬度的关系。得到最佳倾角为当地的地理纬度时，才能保证一年当中全年发电量最大。所以光伏电池板的倾角定为40.1°。然后按照问题一的求解步骤，先求出电池型号为C8和C6，逆变器为SN14和SN1。最后解出小屋35年内总发电量

3、为192124.296，比改善前增长了38.7%；净收益为41521.35元，提高了46.5%；投资回收年限为19年，提前了4年。针对问题三，根据问题一的结果，东面、北面和屋顶北面不适合安装光伏电池，安装面仍为屋顶南以及南立面、西立面。为提高发电量，将屋顶北面设计成垂直于地面的竖直面。屋顶为以直角三角形为底的三棱柱，房屋朝向仍为正南。由于年发电量受辐射量以及面积的影响，给出两种设计方案。方案一考虑顶面的最大年辐射量，由问题二可知当屋顶角为40.1°时，顶面年辐射量最大，由此可定出小屋的具体尺寸。方案二以顶面面积最大为目标建立模型，用lingo软件求解出屋顶尺寸，此时屋顶角

4、为27.8°。然后按照问题一中的思路分别求出两种方案的总发电量等结果。对比得方案二的收益和总发电量更优，收益为43510.41元，总发电量为191304.01kwh。问题三结果与问题一相比，收益增加为95.72%，总发电量增加了38.10%，投资回收也提早了9年。说明新小屋的改善取得了较好的结果。关键词：目标规划；LINGO；MATLAB；光伏电池1一、问题的重述与分析1.1问题重述世界的节约能源概念普遍下，光伏电池绿色科技已是产业新星。太阳能光伏电池用于把太阳的光能直接转化为电能。光伏与建筑一体化提出了“建筑物产生能源”的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电

5、集成起来，使建[1]筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式。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。优化铺设的目标是

6、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。铺设要求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。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，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

7、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。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：继续优化问题一。因为电池板的朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率，可选择架空方式安装光伏电池，以改变电池板的倾角，获得更高的发电量。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，