太阳能小屋的设计
摘 要
近年来，光伏技术受到人们的青睐，同时材料成本费在产品应用过程中起着举足轻重的作用。本文研究如何使光伏电池板在满足一定的约束条件下合理、有效的布置电池板，从而提高电池板材料的利用率。我们的主思路就是：如何布置光伏电池板使得总发电量在尽可能大的情况下，单位发电量效益尽可能小。根据太阳能电池外形以及房屋的外形，我们决定用填充算法与遗产算法相结合的矩形优化排样模型。 针对问题一，我们采用对太阳能电池板采用贴附式的方法进行铺设的模式。一方面，我们在确保每个电池组件都贴附着房屋的情况下来排布尽可能多的电池板，使排放区域的板材废料尽可能少，以提高板材的利用率。另一方面，我们考虑光伏电池组件的分组及逆变器选择的要求，运用遗传算法模型进行编程求解，最终求得35年的总发电量为367951kwh，经过28年后成本收回，开始盈利，35年总的收益为24180元。
针对问题二，我们是采用架空式安装电池板的模式。基于问题一的模型基础上，由于铺的最多板的数目已确定，我们的目的：建立模型尽可能的使已铺的电池板吸收更多的太阳能。一方面，为了保证太阳能电池板能够最大的将照射在上面的太阳光吸收，我根据倾斜面上的所接受到的各种光照建立了最佳倾角模型，最终得出山西省大同市的最佳倾角为37.7度。另一方面，为了消除由于太阳能电池板之间产生的阴影，我们建立了最优电池阵列间距模型。在最佳倾角模型的基础上，我们得出一年中冬至日的高度角
l最小，通过数学几何知识，进一步得出电池阵列间距cos27.2?，最终得到总发电量为436470kwh，经过17年收回成本，总收益为42600元。
针对问题三，我们对房屋进行重新设计。该题要求自己设计房屋，我们根据以下方面：（1）采光度最好，确定方向为坐北朝南。（2）太阳辐射强度最大，所以应使屋顶的面积尽可能大。经过问题二的计算，确定房顶的倾斜度为37.3?，根据以上条件，画出小屋的外观模型。根据问题二的排板模型，我们得到了太阳能电池板的排列方法，如图。求得总发电量为535710kwh，经过15年成本收回，收益为53160元。
关键字：光伏电池 矩形优化排样模型 采光度 最佳倾角
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一、问题重述
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，逆变器将一部分电转换给用户提供，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。
二、模型准备
2.1 理论准备 2.1.1光伏小屋
所谓光伏小屋就是将太阳能电池板安装在建筑物的屋顶以及四周墙壁，引出
端经过控制器、逆变器与公共电网相连接，由太阳能电池板、电网并联向用户供电，组成户用并网光伏系统，将太阳电池与建筑物有机的结合起来。原理示意图如下：
电网 AD/DC 逆变器 家庭用户 太阳能电池板
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图一 太阳能光电系统组成原理框图
2.1.2太阳能电池方阵
太阳能电池单体是指由若干个太阳能电池组件或太阳能电池板在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。本文中我们将太阳 能电池单体进行串并封装后，就成为太阳能的电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独可以作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并组合安装，形成太阳能电池方阵。光伏电池的的电压、电流串并联特性曲线如下图： 电流 电流 2 1 2 1+2 1 2 1+2 ○ 2 1 1 电压 电压 光伏电池串联的输出的特性 光伏电池并联的特性
图二 串并联特性曲线 2.1.3 光照强度
水平面总辐射强度：水平面接收到的直射光线
水平面散射辐射强度：太阳辐射经过大气中的气体分子、尘埃散射后到达某一水平
面处单位面积上的辐射功率。
法向直射辐射强度：表示垂直于辐射方向的平面上，单位
面积上的直射辐射功率。
关系：平面辐射总强度=平面散射辐射强度+平面直射辐射强度 将太阳光平面辐射量转化到斜面上的推导 平面直射辐射强度
平面散射辐射强度 α 由题目所给数据为了求屋顶面的辐射强度，由公式：。得出倾斜平面的辐射强度=（平面辐射总强度-平面散射辐射强度）*cosα+平面散射辐射强度*sinα。 2.2数据预处理
由附件四所给的数据我们用excel对数据进行了处理，并结合一中的公式求出了各个方向的辐射强度平均每天的辐射强度如下表所示：
顶面 东面 3
西面 南面 北面