太阳能小屋的设计(2012数模论文2)

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1、太阳能小屋设计模型太阳能小屋设计模型摘要摘要光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上蓄电池组，充放电控制器，逆变器等部件就形成了光伏发电装置 。本文首先介绍了太阳能 光伏电源系统的原理及其组成，初步了解了光生伏打效应原理及其模块组成，然后进一步研究各功能模块的工作原理及其在系统中的作用，最后根据理论研究成果，利用硬件和软件相结合的方法设计出太阳能光伏电源系统，以及研究系统的影响因素。 关键词：光生伏特效应；太阳能电池 组件；蓄电池组；充放电控制器 ；逆变器 太阳能

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、，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： sin hs =sinsin+coscoscos 式中 hs-太阳高度角，deg; -地理纬度，deg; -赤纬，deg; -时角，deg。2，求太阳方位角 As ： COSAs

8、= sinhssin-sin/(coshscos)As-太阳方位角，deg. 3 智能太阳能屋顶的计算机模拟实验 3.1 计算机辅助建筑设计 随着信息技术的高速发展，计算机技术使建筑制造业和建筑业得以迅速现代化， 建筑 师们普遍运用计算机提高效率，使之成为一种现代化的传译工具，而一些富于 探索精神的 建筑师，则将新兴计算机技术作为他们探索新概念、新形式的灵感源泉。本文 的智能太阳能 屋顶就是在Rhinoceros 4.0 软件平台下，使用可编程的图形化程序建模插件 Grasshopper 来实现的，并通过Autodesk Ecotect Analysis 2010 与固定太阳能电池板几个时刻的

9、太阳辐射吸收量进行对比分析，量化显示 出了该智能模型在发电产量上的优势。 3.2 模型实现 本模型是一个屋顶为南向斜面的小房子，为了便于观察，后面仅拿出屋顶进行 模拟实验。该屋顶已铺设好了太阳能电池板阵 列，并已安装了太阳跟踪设备，当太阳位置变化时，屋顶上的各太阳能电池板 就以其纵向中线为旋转轴朝向太阳做相应的东西向旋 转，以保证太阳光线垂直照射，如图2图7 所示。 图2 模型示意图3 日出时太阳能电池板朝向示意图4 上午太阳能电池板朝向示 意 图5 正午太阳能电池板朝向示意图6 下午太阳能电池板朝向示意图7 日落时太 阳能电池板朝向示意 4 数据对比 为了显出该智能太阳能屋顶光伏发电的优势，

10、 我们选择7 月 31 日中的六个时刻进行数据对比， 因为对于西安地区而言，7 月 31 日为一年当中太阳辐射量最大的一天， 对比结果显著。通过 Autodesk Ecotect Analysis 2010，对比结果如表1 所示。 5 结论 本文在太阳跟踪技术的基础上， 应用计算机辅助建筑设计技 图1 太阳高度角和太阳方位角 表1 两种模型太阳能吸收量的数据对比结果 628 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 本栏目责任编辑：唐一东人工智能及识别技术 第7 卷第3 期(2011 年1 月) （上接第626 页） 4 总结 文章对真实矢量场法及最大Lyapunov 指数进行了讨论，并改进了这两个方法， 改进的真实矢量场法给出了平均方向矢指标的 定量测定方法从而可以定量的取得最佳嵌入维数，改进的最大Lyapunov 指数预 测方法对d 值进行了优选，从而可以避免邻近点选择不当可能对结果带来的不利影响。最后通过实验仿真，验证了改进方法的有 效性。在实验结果中出现的尖峰与实际值相差较大的 问题，为进一步研究指明了方向：进一步研究噪声处理以及多时间序列同时预 测。