太阳能小屋的设计-韶关学院统一认证平台.docVIP

太阳能小屋的设计 摘 要 太阳能小屋是利用太阳能作为唯一绿色能源来源的“零消耗”环保房屋。本文通过对小屋的太阳辐射强度，屋外表面特点和电池、逆变器的性能，建立多元线性规划模型来设计较优的电池铺设方案。 对于问题一，从电池型号、逆变器型号、连接方式三个方面整理组合考虑，建立三个方面同时满足连接条件的多元线性规划模型,在确保能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为目标函数,通过LINGO编程求得可行铺设方案，并且以单位发电量的成本作为指标得到较优铺设方案。 对于问题二，通过分析附件4中各方向辐射强度和附件6相关概念分析，求得电池板的最佳方位角为南偏西23.3度，最佳倾斜角为32.588度。考虑到在小屋四周垂直面架空安装电池面板，会有电池板局部阴影遮挡，所以只在顶部使用多目标规划模型求出电池板的处于最佳角度的优化铺设方案。 对于问题三，根据对大同市各方向太阳强度的分析，重新设计出更合理利用太阳能的小屋，并根据小屋外形设计出较优的电池板铺设方案使得花费成本最低，经济效益最大。 最后，分别计算出每个方案小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益和投资的回收年限。 关键词：多元线性规划模型;太阳辐射量；最佳倾斜角；经济效益 1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。 根据附件1-7提供的相关信息，请解决以下问题： 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。 2问题的分析 2.1 电池组件的贴附式铺设优化方案问题 在考虑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的条件下得到小屋外表面光伏电池的较优铺设方案，需要解决一下问题： 1，对于小屋每一个外表面的设计不同选择所需电池个数与连接方式，在这基础上根据光伏电池组件的分组及逆变器选择的要求选择逆变器，从而得到较优的铺设方案。 2，由所得的铺设方案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。 2.2 电池板的架空铺设优化方案问题 1，在确定方阵的最佳倾角的选取问题，需要综合考虑电池板架空的朝向与倾斜角的选取。 2，根据问题一的铺设优化原理，对架空式的电池铺设方案进来多目规划模型，求出较优的架空式电池组件铺设方案。 2.3小屋的优化设计问题 为了减少小屋的重新设计的复杂度，本文选取在原有的房子设计图上做修改。根据大同所在的地理位置和各方向太阳强度的分析，分别对小屋的东、南、西、北外表面和顶部进行修改，使得花费成本最低的情况下，达到小屋的总发电量最大。 3基本假设 假设山东省大同市未来几年气候不会发生很大变化。 假设所铺设的光伏电池在寿命期内能正常工作。 4符号约定 ：第k种电池的转化效率； ：第l种逆变器的逆变效率； ：第i种电池功率的价格； ：第i种电池每峰瓦的价格； ：表示是第i个电池的价格，等于； 5模型的建立与求解 5.1光伏电池的贴附式铺设方案 5.1.1模型的分析与建立 首先，根据电池和逆变器的性价比对其进行筛选。对筛选后的电池种数、逆变器种数与三种电池组件连接方式（1串联、2串并联和3串并联方式）进行组合排列，并对每一个组合进行多目标规划，即以满足小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大和单位发电量的费用尽可能小的为条件和连接电池组件的要求下建立多目标规划优化模型。最后比较各方案的总效益，从而得到较优的铺设方案。 多目标规划的数学模型一般形式为： 求 ， 使,受约束于 找出一个统一的目标函数,它包括各分目标函数，即 并有 受约束于 。 通过使用加权组合法可各分目标函数按下列组合成统一的目标函数 式中：为加权因子，，为各分目标函数值，可取。 从而是将各目标优化问题转化成统一的单目标函数的优化问题。 5.1.2模型的求解 根据附件2