光伏电池铺设方案数学模型.PDF

光伏电池铺设方案的数学模型 摘 要 本文针对太阳能小屋外表面铺设光伏电池的设计问题，对贴附安 装方式建立了以发电量最大，成本最低为目标的多目标规划模型，通 过量纲的转化，把多目标化为单目标进行求解，得到最优的电池类型 和数量，根据计算结果选定仅在南面屋顶及西墙铺设电池，其中屋顶 的铺设选择B3 型电池40 个，C5 型电池1 个，并计算出35 年总发电 量399465 度，投资回收年限需24 年；对于架空铺设问题，分别建立 以朝向角和倾角为参数的优化模型，得出最优结果为朝向角为 0 度 （正南方），倾斜角为44 度，然后建立以前后电池板间距为参数的 规划模型，得出最优方案为：选用B3 型电池板20 块，以间距3.2 米 进行铺设，并计算出相应的总发电量及回收年限分别为 188250 度、 27 年；在问题一、二的基础上，按照附件 7 提出的对小屋的建筑要 求，设计出新的太阳能小屋，并计算出35 年内的总发电量为287290 度，回收年限为26 年. 关键词： 光伏电池；多目标规划；最佳倾角 1 1 问题的提出 随着科技的发展以及能源的短缺，太阳能作为一种清洁能源，越来越受到 重视，光伏电池的产生使得人们能够更好的利用太阳能.但是由于技术的限制， 使用光伏电池发电的成本非常大，所以在设计太阳能小屋时，非常有必要对需要 在墙面或屋顶铺设的光伏电池进行优化，以便减少成本提高发电量.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. 根据附件提供的相关信息和数据，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 模型的假设及符号说明 2.1 模型假设 （1）在做贴附安装方式时，不考虑安装电池之间的间隙 （2）在做架空安装时，不考虑支架的成本 （3）在做架空安装时，忽略天窗的影响 2.2 符号说明 ： 表示 类单晶硅电池的产品型号为 的数量 n A Ai Ai ： 表示 类单晶硅电池的产品型号为 的面积 S A Ai Ai 2 H T ： 倾斜面上太阳辐射总量; H dT ： 倾斜面上天空散射辐射量 ω ： 水平面上日落时角 s ωsT ： 倾斜面上日落时角 δ ： 太阳赤纬角 3 贴附铺设方案的数学模型 3.1 问题分析 根据问题一，仅考虑贴附电池安装方式，在给定的墙面和屋顶上铺设不同类 型的电池，使得组合电池阵列的年发电量最大，且所使用的费用最少. 因为光伏电池产生的是直流电，需要通过逆变器把直流电转化为交流电，因 此，对于发电量，先考虑直流电的发电量.对于在同一个墙面或屋顶，电池组件 的连接方式并不会改变所有电池的总功率，又发电量 ，单位为（ ）