高教社杯_太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2024-10-30 19:48本頁(yè)面
【正文】 根據(jù)問題 2， 結(jié)合 小屋的建筑要求 設(shè)計(jì)出小屋外形， 見圖 6。 本文最大的亮點(diǎn)是將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題， 并且 在問題 1 中首先考慮全鋪設(shè)的情況下，計(jì)算出四個(gè)墻面均虧損，從而合理的選擇性鋪設(shè) ，為后面的計(jì)算提供方案。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。 針對(duì)以下三個(gè)問題 ，分別給出小屋外表面光伏電池的鋪設(shè)方案，使小屋的全年太陽(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，并計(jì)算出小屋光伏電池 35年壽命期內(nèi)的發(fā)電總量、經(jīng)濟(jì)效益（當(dāng)前民用電價(jià)按 元 /kWh 計(jì)算）及投資的回收年限。 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)，不同型號(hào) 的 不可串聯(lián)。應(yīng)注意分組連接方式及逆變器的選配。 問題 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，請(qǐng)選擇架空方式安裝光伏電池，重新考慮問題 1。 2．問題分析 本題要求根據(jù) 附件提供的數(shù)據(jù) ，建立模型，在 使小屋的全年太陽(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 的情況下分別給出小屋外表面光伏電池的鋪設(shè)方案，并給出連接方式圖。 2． 1 問題 1 的 分析 問題 1 要求在給定的小屋的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用 貼附安裝方式 選定光伏電池進(jìn)行鋪設(shè)，并選擇合適的逆變器。對(duì)于此多目標(biāo)規(guī)劃問題，這里可以化為單目標(biāo)問題，即以 太陽(yáng)能小屋所獲得的利潤(rùn)為目標(biāo)函數(shù) 。 2． 2 問題 2 的 分析 問題 2 中 要求光伏電池的安裝采用 架空方式 。 因此可以根據(jù)一年中每天的某一時(shí)刻的平均 輻射量最高時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角來確定光伏電池的安裝 朝向和傾角， 可以認(rèn)為此時(shí)的 光伏電池的工作效率 最高。 最后求解出此時(shí)的鋪設(shè)方案以及發(fā)電總量。 2． 假設(shè)當(dāng) 輻照強(qiáng)度 高于 1000W/m2時(shí)，光伏電池的功率不在提高，即為額定功率。 ? ?? o sc o sc o ss i ns i ns i n ??? ???????? 為當(dāng)?shù)鼐暥?，大同? （ 4） 由圖 1 知： ?????90i （ 5） ? ?為法向直射輻射強(qiáng)度DNDND IiII c o s?? （ 6） 3. ?dI 表示傾斜平面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度 ? ?為水平面散射輻射強(qiáng)度dHdHd III 2c o s 2 ?? ? （ 7） 4. ?RI 表示傾斜平面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度 )水平面 )(2c o s1( G2G 輻射強(qiáng)度為為地面的平均反射率， HHR III ??? ???? （ 8） ? i?入射光 光伏電池傾斜面 5 5．模型的建立與求解 5． 1 問題 1 模型的建立與求解 問題 1 模型的 準(zhǔn)備 問題 1 要求 僅考慮貼附安裝方式，選定光伏電池組件，選配相應(yīng)的逆變器的容量和數(shù)量。即要使 F 盡量大，而 FCn?則盡量小。 即目標(biāo)函數(shù)是使 W 最大， CFW ??? （ 9） 則 要使利潤(rùn) W 盡可能大，則必須要使 F 盡可能大，而成本 C 要盡量小 。ip 與額定功率 ip 之間的關(guān)系為： iii pIp ??100039。屋頂南北側(cè)面的總輻射強(qiáng)度可由 式（ 1） — （ 8） 求出 。 （ 4） 約束條件的構(gòu)造 光伏電池鋪設(shè)面積的約束。多個(gè)光伏組件串聯(lián)后可以再進(jìn)行并聯(lián)， 并且 并聯(lián)的光伏組件端電壓相差不應(yīng)超過 10%，即： %1039。39。 ??? ijjijiij YU UU （ 17） 光伏陣列 并聯(lián)后接到逆變器，任意某個(gè)電池組的電壓與逆變器的輸入電壓都要滿足下列關(guān)系： kijk VUV ?? （ 18） 光伏陣列的最大功率不能超過逆變器的額定容量 ，同時(shí)考慮到 逆變器 的轉(zhuǎn)換效率，則： ki ii Ppm ????24139。24,2,11。24139。39。24118124124187701???kPpmEYEjiVUVjiYUUUSsmtsdbammpIWkkiiikiijijkijkijjijiijiniikkkiiii tkiii?? （ 21） 問題 1 模型的 求解 假設(shè)某一面墻體只選用一種型號(hào)的光伏電池，下面討論每一面墻 是否會(huì)在 35 年內(nèi) 7 回收 光伏電池鋪設(shè)的 建設(shè)費(fèi)用。 下表 1 列出了部分光伏電池的 性價(jià)比 （性價(jià)比 =轉(zhuǎn)化效率 /單價(jià)）： 表 1 部分不同型號(hào)光伏電池的性價(jià)比 產(chǎn)品型號(hào) 功率 單價(jià) 轉(zhuǎn)換效率 η（ %） 性價(jià)比 A1 215 A3 200 2980 A4 270 4023 B3 210 2625 B4 240 3000 C1 100 480 C6 4 C7 4 C10 12 由可表 1 看出可以看出，在 A 單晶硅電池 中， A3 性價(jià)比比較高；在 B 多 晶硅電池中， B3 性價(jià)比比較高；在 C 薄膜電池 中， C C7 的性價(jià)比比較高。 因此， 不妨以小屋的南立面為例，設(shè)選擇 A3 型號(hào)的 電池的個(gè)數(shù) 為 3m ，選用逆變器的總費(fèi)用為 kk db? ， 若忽略逆變器的逆變效率， 則 一 年后的 發(fā)電量 為 ： kt mpIf ????? ?? 338 7 7 0131000 （ 22） 35 年后的總 發(fā)電量 為： ? ? wF ??????? %8010%9015%10010 （ 23） 鋪設(shè)光伏 電池 的費(fèi)用為： kk dbamC ???? 33 （ 24） 則經(jīng)計(jì)算得到 35 年后能獲得的利潤(rùn)為： kk dbmW ????? 3239 （ 25） 由于 1,0 3 ??? mdb kk ，則 0?W 恒成立，即小屋南立面選用性價(jià)比最高的光伏電池也不能在 35 年內(nèi)收回建設(shè)成本 。 同理，可以得到小屋的其他側(cè)面以及屋頂采用性價(jià)比高的單一光伏電池在 35 年后能獲得的利潤(rùn)如下表 2 所示： 表 2 35 年后每個(gè)鋪設(shè)面的所得利潤(rùn)表 鋪設(shè)面 采用的單一光伏電池型號(hào) 所得利潤(rùn) 東面 墻 B3 kk dbmW ????? 9 7 西面 墻 B3 kk dbmW ????? 8 北面 墻 C6 kk dbmW ????? 南屋頂 A1 kk dbmW ???? 9 3 0 北屋頂 C1 kk dbmW ???? 4 3 8 圖 2 算法流程圖 開始 盈利 是 否 輸入電池型號(hào) 是 否 逐一增加電池?cái)?shù)目 此時(shí)電池的選擇小于墻體面積 根據(jù)條件選擇合適的逆變器 選擇虧損最小的方案 是 否 確定光伏陣列的連接方式 輸出最佳方案 結(jié)束 9 由表 2 中的所得利潤(rùn)可以看出東面、西面和北面墻的情況與南面墻相同，即只要鋪設(shè)光伏電池就會(huì)虧損；而南屋頂 和 北屋頂?shù)那闆r卻是只要逆變器選配合理就能夠盈利。 2. 屋頂應(yīng)盡量鋪設(shè)性價(jià)比高且高效的光伏電池，而且應(yīng)該充分利用屋頂?shù)拿娣e多鋪設(shè)光伏電池。 為此可以采用如下算法實(shí)現(xiàn)光伏電池和逆變器的最優(yōu)化選擇。 同時(shí)可以看出為了發(fā)電總量盡可能大，東、西、南、北四個(gè)墻面均鋪設(shè)了光伏電池，但 35 年后仍沒有回收成本 。 如果選擇只在屋頂鋪設(shè)，則 35 年壽命期內(nèi)的 發(fā)電總量 最大為 ，單位發(fā)電量的最小費(fèi)用為 元 /KMh,可獲最大利潤(rùn)為 元， 投資的回收年限 是 23 年。 光伏 電池板 傾角 的選擇 由模型準(zhǔn)備中的式（ 1） — （ 8） 可以得到 傾斜平面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度 ?I ： 天窗 11 ? ? ? ? ? ?????? c o o i n ?????? HdHDN IIII （ 25） 可以看出 ?I 只是 ? 函數(shù) ? ??? fI ? ， 由下圖 3 ? ??? fI ? 的曲線關(guān)系圖可以看出 ?I 是 關(guān)于傾角 ? 的 單峰值函數(shù) 。因此可以在 12 個(gè)月份里的同一天中取太陽(yáng)高度角 0?? 的所有時(shí)刻在斜面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的均值，分別求出 12 個(gè)月對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的斜面傾角（如表所示）： 表 5 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的斜面傾角 月份 對(duì)應(yīng)傾角（弧度） 對(duì)應(yīng)斜面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 874 10 11 550 12 再 對(duì)這 12
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