太阳能小屋的优化铺设方案

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1、太阳能小屋的优化铺设方案摘要本文结合太阳能小屋的设计条件约束，讨论了在采取不同安装方式时，为了使小屋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，给出了太阳能小屋的优化铺设方案，并结合数据给出了一个设计实例。在仅考虑采取贴附安装时的铺设方案时，将整个方案分解为光伏电池型号及数量的选取、分组方式及逆变器的选配两个过程，并分别建立双目标规划模型。在求解第一个模型时，将所有光伏电池以其在各面一年内所能转化的光能大小为指标进行优先级排序，同时考虑光伏电池的规格等级，通过设计算法实现尽可能使优先级高的光伏电池得到实际铺设，最终确定各个面所需铺设光伏电池的型号和数量。

2、在求解第二个模型时，先设定两个分组及选配逆变器的原则，由于各面选取的光伏电池种类不多而且受约束条件限制，故可以通过人工操作选取满足要求而成本尽可能低的分组及选配逆变器的方案。在最终确定的方案中，小屋光伏电池35年的发电总量为850215度，收益为31417元，效益为0.0798，投资回收年限为31年。然后通过对小屋各个面成本及收益的分析，发现当仅在小屋顶面进行铺设时，方案的效果会更好，此时总收益变为95181元，效益变为0.481.在考虑架空的安装方式时，通过对各个表面太阳辐射强度的分析，确定只在南顶面采取架空方式，然后通过对小屋朝向及倾角改变时对所接受的太阳光辐射能量

3、的影响分析，确定了朝向为正南方向，并建立了求最佳倾角的模型，求解模型得到最佳倾角为40.9度。在不改变小屋四个墙面的铺设方案时，将南顶面改为架空的安装方式，得到总发电量为90521度，总收益为58913元，效益为0.1496，投资回收年限为29年。为了设计的太阳能小屋全年发电量尽可能大，同时单位发电成本尽可能小，建立了以光辐射能量最大的线性规划模型，得到太阳能小屋的外形结构，并确定只在小屋顶通过架空方式铺设光伏电池，再根据已设计的铺设方式，最终得到太阳能小屋的完整设计方案。此时该方案的成本为203660元，35年总发电量为1904000度，总收益为650990元，效益为

4、319%，投资回收年限为8年。关键字：太阳能小屋优化铺设规划模型线性规划模型一、问题的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。附件1-7提供了相关信息。请参考附件提供的数据

5、，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

6、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。二、问题的分析本题是研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设问题，以使设计的太阳能小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大

7、，而单位发电量的费用尽可能小。2.1贴附安装时的铺设方案及逆变器选配要根据山西省大同市的气象数据，在仅考虑贴附安装的方式确定铺设方案及选配合适的逆变器，可将问题分解为：先选定各个面合适的种类与数量的光伏电池组件，然后对各个面进行铺设，最后确定各面光伏电池的分组方式及逆变器的选配。由于各个小屋表面一年内能够接收的太阳能总辐射强度不一样，而对于同种型号光伏电池所占用的面积、单件价格和转化效率确定，则可以计算出各型号光伏电池在小屋各表面一年内所转化的总辐射能量，确定每种型号光伏电池在各表面的性价比，其中性价比是指一年内转化的总辐射量与单件成本的