【正文】 先對(duì)大同市的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出光照規(guī)律， 進(jìn)行詳細(xì)的太陽(yáng)光輻射分析， 再對(duì)不同的逆變器分配合適的電池板，列出所有可能的組合情況，最后計(jì)算每種組合的發(fā)電量以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行擇優(yōu)選擇，再根據(jù)房屋的設(shè)計(jì)尺寸設(shè)計(jì)鋪設(shè)方案。 問(wèn)題 2： 電池板的朝向與傾角均會(huì)影響到光伏電池的工作效率，選擇架空方式安裝光伏電池，重新考慮問(wèn)題 1。 在同一表面采用兩種或兩種以上類型的光伏電池組件時(shí)，同一型號(hào)的電池板可串聯(lián)，而不同型號(hào)的電池板不可串聯(lián)。不同種類的光伏電池每峰瓦的價(jià) 格差別很大，且每峰瓦的實(shí)際發(fā)電效率或發(fā)電量還受諸多因素的影響，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光線入射角、環(huán)境、建筑物所處的地理緯度、地區(qū)的氣候與氣象條件、安裝部位及方式（貼附或架空）等。另外給出了大同地區(qū)每月太陽(yáng)板最優(yōu)傾角和方位角，指出在人工費(fèi)用允許的情況下，通過(guò)每月調(diào)節(jié)太陽(yáng)板傾角和方位角可以得到更高的盈利。 1 太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì) 摘要 本文 首先建立任意斜面太陽(yáng)能輻射量的模型，得到各墻面的太陽(yáng)能輻射值；其次根據(jù)各逆變器的功率、電壓、電流約束，在電池壽期內(nèi)的使用效率，建立組件匹配篩選模型，得到逆變器與光伏電池的所有可行匹配，根據(jù)不同墻面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及光伏電池轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算出各個(gè)電池陣列在不同墻面的發(fā)電量及設(shè)備成本，以最大收益率為目標(biāo)函數(shù)對(duì)電池陣列單位面積收益進(jìn)行排序；最后根據(jù)門窗分布位置與面積限制，選擇收益率最高的組件優(yōu)先進(jìn)行鋪設(shè)。 針對(duì)問(wèn)題三，總結(jié)了原太陽(yáng)能小屋設(shè)計(jì)的不足，在完全使用投影面積的情況下，設(shè)計(jì)了朝向?yàn)槟掀?20 度，屋頂傾角為 32 度的小屋，以最大收益及最大發(fā)電量為目標(biāo)，規(guī)劃了新的光伏電池鋪設(shè)方案，繪出了各墻面的組件陣列分布及電池組件連接方式，并得出太陽(yáng)能小屋的發(fā)電效益指標(biāo)如下： 設(shè)備成本 35 年總發(fā)電量 回收年限 35 年總盈利 單位發(fā)電量成本 萬(wàn)元 千瓦時(shí) 年 元 /度 與原太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì)方案相比，總發(fā)電量增加 %，總盈利增加 %，而單位發(fā)電量的成本與原來(lái)持平。因此，在太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì)中，研究光伏電池在小屋外表面的優(yōu)化鋪設(shè)是很重要的問(wèn)題。在不同表面上，即使是相同型號(hào)的電池也不能進(jìn)行串、并聯(lián)連接。 問(wèn)題 3： 根據(jù)小屋建筑要求，為大同市重新設(shè)計(jì)一個(gè)小屋，對(duì)所設(shè)計(jì)小屋的外表面優(yōu)化鋪設(shè)光伏電池，給出鋪設(shè)及分組連接方式，選配逆變器，計(jì)算相應(yīng)結(jié)果。 問(wèn)題一僅考慮貼附安裝方式，選定光伏電池組件，對(duì)小屋的部分外表進(jìn)行鋪設(shè)，使小屋全年的太陽(yáng)能光伏發(fā)電總量盡可能大，而單位 發(fā)電量的費(fèi)用盡可能小，電量的單價(jià) 3 是相同的，均為 元 /千瓦時(shí)，總發(fā)電量最大，即收益最大，所以本文我們考慮的是最大收益和最小成本。 結(jié)合前兩問(wèn)的分析，設(shè)計(jì)新的太陽(yáng)能小屋應(yīng)滿足：南面墻的可用空間盡可能大；門窗占用空間盡可能集中在北面，但必須滿足基本采光需求；門窗盡量設(shè)置為矩形，并且建議在門窗大小和安置范圍大致確定時(shí)，先按預(yù)留空間排布最優(yōu)的電池連接方式，然后設(shè)計(jì)門窗。 5. 假設(shè)太陽(yáng)能小屋周圍無(wú)其他建筑物、樹(shù)木遮擋陽(yáng)光。而一個(gè)電池板所受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度受其所處空間位置及安裝姿態(tài)等因素影響。以下分析直射輻射強(qiáng)度和光線與受輻射平面的夾角的變化規(guī)律。其計(jì)算公式為： )12(15 ?? st? （度） 13 其中， st 為太陽(yáng)時(shí)（單位：小時(shí)）。進(jìn)而可以算出每一天，每一月以及每一年的一個(gè)傾斜面處于何種傾斜角和方位角可接受到最大的太陽(yáng)直射輻射量。 由前述可知 , ss? 為水平面上日落時(shí)角，其值可按以下公式計(jì)算得出 )t ant ana r c co s ( ??? ??ss 23 ⑶總輻射強(qiáng)度 模型 太陽(yáng)光線總輻射強(qiáng)度為散射輻射強(qiáng)度和直射輻射強(qiáng)度之和。其原因主要是北向屋頂所受到的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度比較低。 在研究一個(gè)逆變器上如何連接同種規(guī)格的電池組件時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)是：盡可能得使太陽(yáng)屋的全年太陽(yáng)能發(fā)電總量實(shí)現(xiàn)最大，并且單位發(fā)電量的費(fèi)用盡可能小。但考慮到太陽(yáng)房外表面形狀等的一些限制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)值最大的方案可能并不能安裝到太陽(yáng)房的外表面，所以針對(duì)同一逆變器的不同方案，根據(jù)其目標(biāo)函數(shù)的值大小做出排序， 供之后在房子上安裝選擇使用。 在考慮使電池組合方案使單位面積收益盡可能地增大時(shí)，根據(jù)單位面積收益的計(jì)算公式可以推知： 假設(shè)電價(jià)在未來(lái)的 35 年之內(nèi)均保持不變，為每千瓦時(shí) 元。在使用某一方案的光伏電池組件組合鋪設(shè)一個(gè)墻面或房頂時(shí)，其最大的限制條件是面積限制，即光伏電池組件組合的面積和不得超過(guò)墻體的面積。因此在鋪設(shè)過(guò)程中，要防止電池組件覆蓋到門窗或天窗。 貼附式安裝 1. 東墻鋪設(shè)方案 通過(guò)以上建立的逆變器和電池組件組合模型和鋪設(shè)規(guī)則，依據(jù)處于東墻的光 伏電池組件每單位面積收益值大小排序（下表僅列出位于前 7 的組合），可以分 析出最適合東墻的電池組件組合鋪設(shè)方式。但是，南墻有很大一部分面積被門窗所占用，光伏電池組件的鋪設(shè)受到很大的限制。最終在 35 年內(nèi)，共盈利 元。而且在每天的 17 時(shí)， 西墻受到的總輻射強(qiáng)度異常強(qiáng)烈。通 過(guò)將所有電池組件組合西向鋪設(shè)并按其單位面積收益排序后，得到下表所示的數(shù) 據(jù)（ 僅 列出排序在前的部分?jǐn)?shù)據(jù)） 表 7 西墻鋪設(shè)方案表 逆變器 電池 串聯(lián)個(gè)數(shù) 并聯(lián)個(gè)數(shù) 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面積 (m2) 12 14 2 8 12 14 2 7 12 16 3 5 11 16 3 3 12 15 4 6 11 14 2 4 由表中數(shù)據(jù)可知，第一列所示的電池組件組合可以達(dá)到最高的盈利，但是這種組合方式在西墻的鋪設(shè)過(guò)程中是不能實(shí)現(xiàn)的。具體的安裝鋪設(shè)圖和聯(lián)接方式圖列如下圖所示。通過(guò)將所有電池組件組合北向鋪設(shè)并按其單位面積收益排序后，得到下表所示的數(shù)據(jù)（ 僅 列出排序在前的部分?jǐn)?shù)據(jù)） 表 8北墻鋪設(shè)方案表 逆變器 電池 串聯(lián)個(gè)數(shù) 并聯(lián)個(gè)數(shù) 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面積 (m2) SN12 20 23 14 4 20 5 68 4 20 5 67 4 20 5 66 12 20 22 14 12 23 11 11 由表中數(shù)據(jù)可以觀察出，任意的電池組件組合鋪設(shè)到北向墻面上后，在 35 年內(nèi)其虧損均高達(dá) 8000 元之多，所以為避免出現(xiàn)此類較大的虧損，北墻不鋪設(shè)光伏電池陣列。而第二列所示的電池組件組合雖然在盈利有所降低，但其占用面積較小，可以在南向屋頂實(shí)現(xiàn)其安裝鋪設(shè)。 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1S N1 5B 1B 7 B 7 B 7B 7S N 1 2B 7 圖 3 南向屋頂 太陽(yáng)板鋪設(shè)圖（上圖）和電池組件聯(lián)接圖（下圖） 通過(guò)將所有電池組件組合北向屋頂鋪設(shè)并按其單位面積收益排序后，得到下表所示的數(shù)據(jù)（列出排序在前的部分?jǐn)?shù)據(jù)） 14 表 10 北向屋頂鋪設(shè)方案表 逆變器 電池 串聯(lián)個(gè)數(shù) 并聯(lián)個(gè)數(shù) 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面積 (m2) 11 14 2 4 11 15 4 3 3 15 1 14 3 15 1 13 11 14 2 3 11 18 2 3 由表中數(shù)據(jù)可知，可實(shí)現(xiàn)最大盈利的電池組件組合恰好可以很好的安裝鋪設(shè)于北向屋頂。 C 1 C 1C 1C 1C 1C 1C 1C 1S N 1 1 圖 4 北向屋頂 太陽(yáng)板鋪設(shè)圖（上圖）和電池組件聯(lián)接圖（下圖） 在依照以上鋪設(shè)方案對(duì)太陽(yáng)小屋進(jìn)行鋪設(shè)后各面墻體及屋頂在 35 年之內(nèi)的發(fā)電量、成本及盈利情況如下表所示 表 9 貼附式鋪設(shè)結(jié)果 指標(biāo) 設(shè)備成本（元） 總發(fā)電量 （千瓦時(shí)） 回收年限 總盈利 （元） 單位發(fā)電量成本 （元） 南墻 15057 — 798 西墻 13620 37989 — 5375 南向屋頂 137275 — 59973 北向屋頂 8340 — 總體 由表中的數(shù)據(jù)可知，依此方案鋪設(shè)太陽(yáng)小屋，則在 35 年內(nèi)，總發(fā)電量可達(dá) 千瓦時(shí)，總盈利為 元，單位面積收益為 元。因此，在貼附式安裝設(shè)計(jì)中，電池板的傾斜角和方位角并不能使其處于接受太陽(yáng)輻射能量的最佳角度。 在貼附式設(shè)計(jì)中，我們計(jì)算得到一個(gè)傾斜面的傾斜角和其接受輻射量的關(guān)系公式。因此，傾斜面上日出時(shí) 角 st? 和水平面上日出時(shí)角 s? 相等。但是實(shí)際情況顯示出，夏半年的最佳傾斜角接近于 0， 有時(shí)還會(huì)變?yōu)樨?fù)值，所以有冬半年的 16 計(jì)算公式求出的值仍有一定的借鑒意義。 關(guān)于傾斜面接受最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的最佳方位角的確定，可以采用對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度關(guān)于方位角的表達(dá)式求導(dǎo)得出其最佳方位角的值。 確定最佳方位角的步進(jìn)對(duì)比方法的計(jì)算步驟為：在方位角的 ?? 180~180? 的取值區(qū)間內(nèi)，取每 ?1 為一個(gè)步進(jìn)值，以之前建立的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度關(guān)于方位角的表達(dá)式為依據(jù)，通過(guò)軟件仿真進(jìn)行計(jì)算，取太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大值所對(duì)應(yīng)的方位角為最佳方位角。 在 已知全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的最佳傾斜角和最佳方位角情況下，架空式的鋪設(shè)方案要通過(guò)改變貼附式電池組件陣列的傾斜角和方位角達(dá)到提高太陽(yáng)能利用率。 因此在分析盈利問(wèn)題時(shí)，四面墻體的總發(fā)電量和設(shè)備成本保持不變。與貼附式設(shè)計(jì)方案相比，總發(fā)電量增加 %，總盈利增加 %，而單位發(fā)電量的成本比原來(lái)降低 %。所以，本文分析了每個(gè)季度中傾斜面接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨傾斜面的傾斜角和方位角不同的變化規(guī)律。為了更精確地提高光伏電池接受太陽(yáng)輻 射能量，將電池板接受的最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的最佳傾斜角和方位角精確到每個(gè)月份。 自建太陽(yáng)屋 在研究前兩個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的南面墻體由于門窗所占面積較大使得可用于鋪設(shè)電池板的面積大為減小，并且門窗位置和形狀規(guī)劃不合理浪費(fèi)了大量可鋪設(shè)電池板的面積。 所以要優(yōu)先考慮屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)。則在設(shè)計(jì)過(guò)程中，目標(biāo)就是使房屋各個(gè)表面所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度總和達(dá)到最大值，即在太陽(yáng)屋的設(shè)計(jì)中目標(biāo)函數(shù)為 : iii i SI Q ??? 6m ax 51 其中， Q 為房屋各個(gè)表面所接受 的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度總和； iI 為第 i 表面所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度； iS 為第 i 表面的表面積。因此，在連續(xù)性的優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合光 19 伏電池組件的器件尺寸，對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的修正。 在依照設(shè)計(jì)的鋪設(shè)方案對(duì)自建太陽(yáng)小屋進(jìn)行鋪設(shè)后，各面墻體及屋頂在 35 年之內(nèi)的發(fā)電量、成本及盈利情況如下表所示。 五、 模型 的 評(píng)價(jià) 優(yōu)點(diǎn) 1. 在任一傾斜面所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的計(jì)算中，認(rèn)為散射輻射具有各向異 性的特征，使得輻射強(qiáng)度的計(jì)算更加符合實(shí)際情況。 、東邊留有窗戶，而為增加 接收輻射面積在南面沒(méi)有窗戶，與實(shí)際情況有所差異。39。B1:F2439。,39。)。 for k=1:18%第 k種逆變器 for h=1:24%第 h種電池 for i=1:65 25 if i*a(h,3)b(k,5)amp。 end end end end [m,n]=size(pai)。pai(i,:),j]。,39。)。sheet239。%逆變器的信息 c=xlsread(39。,39。39。A27:D3730439。%方向，北向?yàn)?5 N=40。 Q=[Q。 end end Q(r,:)=[]。 %1 逆變器型號(hào) 2 額定輸入電壓 3 額定輸入電流 4 允許最低輸入電壓 5 允許最高輸入電壓 %6 額定輸出電壓 7 額定輸出電流 8 額定輸出功率 (KW) 9 逆變效率 10 價(jià)格 nbq=[1 24 25 21 32 220 2900 2 24 50 21 32 220 4500 3 48 24 42 64 220 4500 4 48 48 42 64 220 9 6900 5 48 73 42 64 220 10200 6 48 115 42 64 220 4 15000 7 110 30 99 150 220 10200 8 110 51 99 150 220 4 15300 9 110 101 99 150 220 8 35000 10 110 202 99 150 220 91 16 63800 11 220 5 180 300 220 4500 12 220 10 180 300 220 6900 13 220 180 300 220 10300 14