讲评会201212.ppt

太阳能小屋的命题与解题 天津大学 边馥萍 fpbian@tju.edu.cn 一、命题背景 太阳能十项全能竞赛：简称SDE（Solar Decathlon）由美国能源部（DOE）于2002年创办，并于2005、2007、和2009年在美国举办了第二、三、四届。2010年在西班牙马德里举办第五届。该竞赛是全球大学的实验创作展示，借助世界顶尖设计团队的创意，将太阳能、节能与建筑设计一体化，建造一个将太阳能作为惟一能源的全功能、舒适、环保且可持续的居住空间，并将这一利用可再生能源的“未来小屋”推向市场。 构造一套74平方米、一室一厅的小屋，集合建筑设计、建筑结构、太阳能光热、光电技术研究、太阳能的高效综合利用、太阳能建筑一体化、分布式能源系统、微电网技术等先进科技成果以实现太阳能的高效利用并最大限度地节约能源。实现“低造价、超低能耗”的目标。 小屋的设计者采用了“光伏发电技术”，通过PV板（光伏电池板）产生直流电，储存在蓄电池中备用，或通过逆变器转变为交流电用于小屋电力供给，剩余电量则送入电网，从而满足了小屋的全部供电需求。 2010年6月7日至7月2日，天大参赛团队将把小屋运往西班牙马德里，用一周左右的时间在马德里市中心选定的竞赛地点----“太阳村”中将其重新组装建造完成。专家经过10天的连续测试和评审，将评出10个单项的排名和总分名次。此间，“太阳村”向公众开放，19所大学的“未来小屋”将竞相展示。 德国彩色多晶硅光伏幕墙-单晶硅+多晶硅光伏屋顶 德国-光伏屋顶-光伏门窗 美国-单晶硅光伏屋顶 西班牙卡迪那哈雷拉大学参赛建筑-非晶硅薄膜光伏幕墙及单晶硅光伏屋顶 中国-单晶硅光伏屋顶-多晶硅光伏墙面 小屋墙面的铺设 小屋屋顶的铺设 从实际问题中提炼题目 将构造题目的重点放在对已构建的小屋如何选择、铺设光伏电池板，使小屋的全年太阳能光伏发电量尽可能大，而单位发电量的费用尽可能的小。经过十几次修改，最终确定了题目。为使题目简洁、清楚，我们将所有的参考数据放入附件，其中附件1-6是求解第一、二问的参考数据和相关概念，考察学生处理数据、建立模型的能力；附件7是求解第三问的基本数据，学生在完成在这个问题时，可以充分发挥自己的想象力。 二、解题要点 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。 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。 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。 1.对题目的理解 发电用途：供家庭使用，将剩余电量输入电网（需调查小屋一年的用电量，只有极个别的论文中给出用电量）。太阳能小屋工作原理： 影响发电量因素： 光伏电池种类（附件3） 太阳辐射强度（附件4） 光线入射角（需要求解） 地理纬度（给定大同） 安装部位与方式（问题1、2） 逆变器的参数及配备（附件5、1） 2.题目解的要求 总目标：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，为什么不讲发电量与发电成本的性价比？ 要求计算结果：小