《太阳能小屋.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能小屋.doc（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳能小屋的设计摘要在能源紧缺的当下，太阳能的开发利用已经是能源领域的热门话题。本文主要研究太阳能小屋安装光伏组件的过程中所涉及到的组件的选配、角度的选择、逆变器的挑选等问题。针对问题一，本文选用系统抽样方法对数据进行筛选，在贴附式安装的前提下选用光伏组件使小屋的年发电量尽可能大，同时使费用尽量小，为此本文为小屋的顶面、东、西、南四个外表面分别选取A3、B2、C1、A3电池安装，在该种选配下，逆变器的选取分别为SN4、SN4、SN7、SN3四种型号。最后得出总发电量为22361.54千瓦时，经济效益为353540.00元，投资回收年限为31年。针对问题二，本文首先探究了太阳板的朝向与倾角对光伏
2、电池的工作效率影响，采用Hay的异质分布模型，对一些参数进行量化，着重对屋顶电池构架进行探讨，得出山西省大同地区光伏电池方阵倾角46.17度的结论。针对问题三，本文尽可能多的采用问题一和问题二的结论，综合考虑房屋的地面投影面积的限制，设计出了太阳能小屋（如图1），在小屋表面铺设A3电池效率最高，同种条件下，比问题一中的小屋效率提高了近8%。由于太阳能发展时间短，电池效率低等缘故未被大众认可，但从本文中仍然可以看出太阳能依然是有着巨大潜力的清洁能源。关键词：系统抽样 多目标规划 Hay的异质分布模型 太阳能一、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
3、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。对于问题一，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。对于问题二，考虑到电池板的朝向与倾角对光伏电池工作效率的影响，需要选择恰
4、当架空方式安装光伏电池，并重新考虑问题1。对于问题三，根据题目给出的小屋建筑要求，为大同市重新设计了一个小屋，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，算出铺设及分组连接方式，选配逆变器，计算得出结果。二、模型假设1、假设光伏组件在寿命期内不发生故障；2、假设逆变器将电输入电网过程中不产生额外费用；3、假设逆变器与电池相连不产生电能损耗。三、符号说明：表示倾斜面上的太阳辐射;：表示水平面上总辐射量；：表示水平面上直接辐射和总辐射量的比值；：表示透明系数；：表示陆地表面的平均反射率；：表示各面所花费的总费用；：表示各面电池板全年总发电量；四、模型的建立及求解问题一1、问题分析在太
5、阳能的开发利用过程中，如何在现有设施条件下对太阳能的充分利用成为了一个无法回避的问题，本问题中，在小屋外表面附贴式铺设光伏组件，由于外表面积有限及阳光因地理位置不同而分布不均，必须对小屋不同的地方做不同的搭配，使得发电量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能小，考虑到在多目标规划中，两个目标不可以同时达到，本文考虑将发电量尽可能大作为优先实现的目标，这样就可以先选定光伏组件，再在逆变器的选择中实现成本尽可能低的目标，这种算法的可行解有很多，本文只选取其中一种来探讨。论文题目中已经给出了小木屋所承受的东西南北四面墙上的总辐射强度，由于顶面与水平面形成夹角且由两块倾斜面组成，总辐射强度未知，所以下面进
6、行顶面总辐射强度的求解。据某职工宿舍屋顶光伏系统的设计方案研究文章中的其倾斜面上所接受到的太阳总辐射量的近似算法得公式：式中，为倾斜面上的太阳辐射；为水平面上总辐射量；为水平面上直接辐射和总辐射量的比值；、分别表示倾斜面上的直接辐射、天空散射辐射、地面散射辐射与水平面上的辐射量之间的比值；为地面反射率。由于建筑物是座北朝南，方位角为,可表示为：其中，式中：、分别表示赤纬角、纬度角、斜面倾角；、分别表示水平面和倾斜面上各月代表日的日出、日落的时角。采用Hay的异质分布模型，把水平面上的散射辐射看成是由直接来自太阳方位的绕日分量和来自天空其余部分同质分布散射分量之和，此模型更接近实际的分布。因此，
7、可表示为： 式中，为透明系数。在小木屋的三维图中，人为规定面积较大的倾斜面的倾斜角为，另一个倾斜面的倾斜角为，根据附图，结合三角函数及反三角函数公式：，;,其中，计算得，查资料发现陆地表面的平均反射率为10%35%，大同市地处中部无特殊地形地貌，取20%为较准确的值；、。下面求解小木屋的东西南北四面墙上的平均辐射强度，由于一年当中一个特定地区的光照量存在不确定性，例如，某年大同市空气污染严重，太阳辐射强度减弱，经过改造后，大同市天空清澈，如果采用一年全年的辐射强度记录不仅数据量大，但人为误差也相当大，为此采取系统抽样法抽取25天的纪录作为样本，以此估算全年数据。系统抽样法以15为步长从总体36
8、5天中抽取25天（不够步长多取一天）作为样本得样本为（单位：天）1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361.在样本的25天中，超过的日照时数为213小时，将日总辐射强度低于的值平均，得，可估算得全年超过的日照时数为3110小时；将日总辐射强度低于的值平均，得，日照时数为60小时，可估算得全年日总辐射强度低于的日照时数为876小时。据上述方法求得样本倾面总辐射强度（见附件三）及各面的平均辐射强度（见表格1）。东（）南（）西（）北（）顶面（）153.46269
9、.31227.1982.65457.17表格 1（各面的平均辐射强度） 经比较可知，最大总辐射强度为顶面，依次是南面、西面、东面和北面。 结合光伏组件的特性，本文认为总辐射强度大的应该安装效率较高的光伏组件，比较光伏组件的转换效由高到低排列应是：A3A1A2A4B2B1B3B5B6A6B7A5B4C1C5C3C2C4C11C10C8 C9C6C7。 按照接入同一个逆变器的光伏组件电压相差不低于10%的标准将三种电池归为十类（见表格2）。类别型号平均效率1C16.99%2C45.84%3C3,C56.42%4C26.17%5C114.27%6A1,A2,A3,A6,B2,B5,B616.4%7A
10、4,A5,B1,B4,B715.49%8B315.98%9C6,C8,C9,C103.77%10C73.63%表格 2（按相差不超过10%的标准分类）使用多目标整数规划方法将要使全年发电总量最大作为第一目标，将单位发电量的费用尽可能小作为第二目标，则应选用平均效率最大的三组（即6、7、8三组）进行安装。本文把房屋的五个外露面分开考虑以解决问题一。1.1 顶面设计由于顶面中的北倾面根本没有光线直射，而光伏组件最大能量来源为太阳，如果在北倾面铺设电池，效率是相当低的，所以本文不考虑北倾面的电池铺设问题。据附图数据，南倾面顶面面积，归纳样本，统计分析可知25天中，总辐射能超过的日照时数为213小时，
11、总辐射能低于且高于的日照时数为47小时，根据估算得全年超过的日照时数为3110小时（平均辐射强度为）及全年日总辐射强度低于且高于日照时数为686小时（平均辐射强度为），进一步得到顶面单位面积上的全年总辐射能（见表格3）。全年日总辐射强度超过的总辐射能（）全年日总辐射强度低于的总辐射能（）表格 3（顶面单位面积上的全年总辐射能） 下面逐步优化，在光伏发电量尽可能大的情况下，选择陈本较低且符合实际要求的逆变器，。先建立方程如下： 式中，为最大发电量，为对应下标数量，为对应下标转换效率，为对应下标的面积。编程求解的如下解：0.0000，0.0000，47.6422，0.0000，0.0000，0.0
12、000，0.0000 ，0.0000，0.0000，0.0000，0.0000，0.0000，0.0000；说明满足第一目标时，仅需选取A3电池，此时逆变器SN3、SN4、SN5、SN6均为价格较低的类型，结合逆变器的功率额定输入电压电流的限定，本文认为在上述类型中选择较实惠。对上述类型逆变器与电池进行配置，得到如下三种组合（见表格4）。型号费用（元）组合一SN5*3+SN335100组合二SN4*641400组合三SN8*2+SN540800表格 4（三种组合）比较可得，组合一最低廉但组合一电池功率超过了逆变器额定功率，同样组合三也超过了，仅有组合二可用，此时总费用为： ；全年总发电量为：
13、；代入数值求得：；。跟据以上两个数据，结合题目给出的电池老化的理想计算方法，得到如下表格（见表格5）。电池组件图见附件一。全年总发电量（千瓦时）成本（元）35年发电量（千瓦时）经济效益（元）投资回收年限（年）19668.24169540619549.56309774.7818表格 5（顶面的数据结果）1.2 东立面的设计据附图所示数据，东立面的面积为，由样本数据观察得出在样本25天的273个日照时数中，超过的辐射强度时数为155小时，辐射强度在到的时数为75小时，低于的时数为43小时， 根据估算得全年超过的日照时数为2263小时（平均辐射强度为）及全年日总辐射强度低于且高于的日照时数为1095
14、小时（平均辐射强度为），进一步得到顶面单位面积上的全年总辐射能（见表格6）。全年日总辐射强度超过的总辐射能（）全年日总辐射强度低于高于的总辐射能（）表格 6（顶面单位面积全年总辐射能）由于单晶硅电池的效率对辐射强度有要求，即低于时，效率将低于原来的5%，而东立面的超过的辐射强度时数所占比例较少，说明用单晶硅电池并不理想。所以选用多晶硅电池及薄膜电池来作优化。为此，建立方程如下：符号前面已经介绍，此处不再赘述。编程求解得选用B2电池，计算可知需要14块，但东立面的空间并不规则，实际分析可以算出东立面仅需要9块。逆变器的选择：满足发电量最大后，对逆变器进行合理的选用以期成本尽量小，为此，可找出条件的逆电器组合（见表格7）。组别型号费用（元）组合一SN4*213800组合二SN615000组合三SN935000表格 7（逆变器的选用方案）选SN4，此时总费用为：；全年总发电量为：代入数据，算得：；。全年总发电量（千瓦时）成本（元）35年发电量（千瓦时）经济效益（元）投资回收年限（年）1406.234980045702.4722851.28表格 8（东立面的各项数据）电池组建见附件一。1.3 南立面的设计南立面的可利用面积仅为，由样本数据
