基于固定式的太陽能小屋的設(shè)計與優(yōu)化研究

導(dǎo)師：劉秀娟副教授答辯人：李艷玲學(xué)號：090901024

學(xué)院：理學(xué)院

論文的框架研究背景及實際意義主要解決的問題模型的分析與評價研究背景及實際意義人類進(jìn)入21世紀(jì)，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重局面，大力發(fā)展可再生資源，走可持續(xù)發(fā)展的道路已逐漸成為人們的共識，太陽能是一種清潔無污染的能源，取之不盡，用之不竭，其廣闊的發(fā)展前景使得太陽能發(fā)電成為一個全球矚目的、具有深遠(yuǎn)意義的研究課題。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)具有獨特的特點，近年來正在飛速的發(fā)展，盡管太陽能光伏發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例還微不足道，但是隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，其份額將會逐步的增加，可以預(yù)期，到21世紀(jì)末，太陽能光伏發(fā)電將成為世界能源供應(yīng)的主體，一個光輝的太陽能時代即將到來。

隨著全球能源問題的日益嚴(yán)重，可持續(xù)能源的利用已經(jīng)成為全世界各個國家能源發(fā)展的趨勢。太陽能的利用，有利于世界的環(huán)境保護(hù)，因此如何更進(jìn)一步地提高太陽能光伏發(fā)電裝置的效率，無論是從科技應(yīng)用的角度，還是從商業(yè)開發(fā)的角度講都是目前亟待解決的課題。因此本文以山西大同為例，研究如何合理的在小屋的表面鋪設(shè)不同型號的太陽能光伏電池使得在若干年后小屋產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，這是一個具有深遠(yuǎn)意義的研究課題。主要解決的問題

對下列三個問題，分別給出小屋外表面光伏電池的鋪設(shè)方案，使小屋的全年太陽能光伏發(fā)電總量盡可能大，而單位發(fā)電量的費用盡可能小，并計算出小屋光伏電池35年壽命期內(nèi)的發(fā)電總量、經(jīng)濟(jì)效益（當(dāng)前民用電價按0.5元/kWh計算）及投資的回收年限。

問題1：根據(jù)山西省大同市的氣象數(shù)據(jù)，僅考慮貼附安裝方式，選定光伏電池組件，對小屋的部分外表面進(jìn)行鋪設(shè)，并根據(jù)電池組件分組數(shù)量和容量，選配相應(yīng)的逆變器的容量和數(shù)量。問題2：電池板的朝向與傾角均會影響到光伏電池的工作效率，請選擇架空方式安裝光伏電池，重新考慮問題1。問題3：根據(jù)附件給出的小屋建筑要求，請為大同市重新設(shè)計一個小屋，要求畫出小屋的外形圖，并對所設(shè)計小屋的外表面優(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，計算相應(yīng)結(jié)果。問題的假設(shè)

1、假設(shè)未來大同每年的氣象參數(shù)及各方向輻射強(qiáng)度與附件4中所給數(shù)據(jù)幾乎相同。

2、假設(shè)各類型太陽能光伏電池、逆變器的即時市場價格及民用電價在未來的三十五年中都基本保持穩(wěn)定。

3、假設(shè)太陽能小屋周圍沒有高大的遮蔽物。

4、假設(shè)太陽能光伏電池與逆變器在使用過程中無人為意外損壞。

5、在計算中我們?nèi)堪匆荒暧?65天來計算，無平年與閏年之分。太陽能小屋原始尺寸東立面西立面南立面北立面北立面貼附鋪設(shè)光伏電池的最優(yōu)方案太陽能小屋的每一個面都可以采用A單晶硅電池、B多晶硅電池和C薄膜電池這三種類型的電池進(jìn)行鋪設(shè)，即在本模型中需要識別的對象并不是單個確定的元素，而是論域上的子集或模糊集，這時，需要用模糊模式識別的間接方法，模式識別的間接方法是按“擇近原則”歸類，一般應(yīng)用于群體模型的識別。擇近原則：設(shè)為n個標(biāo)準(zhǔn)模式，為待識別的對象，若存在i使得則認(rèn)為B與最貼近，即判斷B為一類，該原則稱為擇近則。

確定U上的模糊集為：A單晶硅電池：

B多晶硅電池：C薄膜電池：取光照強(qiáng)度的因素集為論域U，東立面：西立面：南立面：北立面：頂面：格貼近度公式：對于東立面：由擇近原則，為和型.和由擇近原則,對于西立面：型

.為對于北立面：由擇近原則,為型.由擇近原則,為型.對于南立面：由擇近原則,對于頂面：為型.“最大最小”原則：設(shè)為一函數(shù)，

則

恒成立。

在東立面上，若采用C薄膜電池，則最多能將光能轉(zhuǎn)化為電能為：若采用B多晶硅電池，則電池最多能將光能轉(zhuǎn)換為電能為：

若采用A單晶硅電池，則電池最多能將光能轉(zhuǎn)換為電能為：通過比較得知

因此選擇B多晶硅電池能夠?qū)⒐饽芨嗟霓D(zhuǎn)換為電能。

通過計算西立面、南立面、頂面采用A單晶硅電池，東立面采用B多晶硅電池，北立面采用C薄膜電池，較為理想

在西立面上，若采用C薄膜電池，則電池最多能將光能轉(zhuǎn)化為電能為：若采用A單晶硅電池，則電池最少能將光能轉(zhuǎn)換為電能為：通過比較得知

因此選擇A單晶硅電池能夠?qū)⒐饽芨嗟霓D(zhuǎn)換為電電能。各個面產(chǎn)生的電量及費用以南立面為例：在南立面上，一年中光照輻射強(qiáng)度大于等于30瓦/平方米持續(xù)時間為3799h，單位面積上總輻射光能為1043.40kwh，光照輻射強(qiáng)度大于等于80瓦/平方米持續(xù)時間為3142h，單位面積上總輻射光能為1007.70kwh；光照輻射強(qiáng)度大于等于200瓦/平方米持續(xù)時間為2123h，單位面積上總輻射光能為869.87kwh。若采用A1、A3這兩種型號的電池，則每種型號的電池各需要6塊，每種型號的電池全年轉(zhuǎn)化的總電量分別為：A1：A3：若采用A2、A4、A5、A6這兩種型號的電池，則每種型號的電池各需要1塊，每種型號的電池全年轉(zhuǎn)化的總電量分別為：A6：A2：A4：A5：通過比較得知采用A3這種型號的A多晶硅電池6塊全年轉(zhuǎn)化的總電量最大，最大電量為1255.77kwh。213456窗窗門南立面貼附鋪設(shè)情況圖

A3A3A3A3A3A3SN12南立面電池與逆變器連接圖

逆變器SN12的逆變效率為94%，故南立面上鋪設(shè)A3這種型號的A多晶硅電池全年的實際產(chǎn)電量：

則南立面35年總的產(chǎn)電量為：鋪設(shè)該墻面所花費的總費用=逆變器的費用+A3單晶硅的費用=元東立面:采用B1這種型號的B多晶硅電池10塊全年轉(zhuǎn)化的總電量最大為1301.30kwh。東立面光伏電池35年總的產(chǎn)電量為：40990.95kwh。

鋪設(shè)該墻面所花費的總費用

=逆變器的費用+B1多晶硅的費用=元。西立面：通過比較知采用A3這種型號的A多晶硅電池17塊

全年轉(zhuǎn)化的總電量最大為2668.09kwh。

西立面光伏電池35年總的產(chǎn)電量:

84044.84kwh.

鋪設(shè)該墻面所花費的總費用

=逆變器的費用+A3單晶硅的費用=元。北立面:通過比較知采用C1這種型號的A多晶硅電池14塊全年轉(zhuǎn)換的總實際電量最大為：320.02kwh

北立面35年總的產(chǎn)電量為：10080.63kwh

鋪設(shè)該墻面所花費的總費用：=元

頂面：通過比較知采用A3這種型號的A多晶硅電池45塊全年

轉(zhuǎn)化的總電量最大為：13485.63kwh。

頂面全年的實際產(chǎn)電量為：424797.35kwh

鋪設(shè)頂面所花費的總費用：

=逆變器的費用+A3單晶硅電池的費用=元貼附鋪設(shè)經(jīng)濟(jì)效益陽能小屋全年總發(fā)電量=東面總發(fā)電量+西面總發(fā)電量+南面總發(fā)電量+北面總發(fā)電量+頂面總發(fā)電量太陽能小屋35年總發(fā)電量則35年電量產(chǎn)生的的經(jīng)濟(jì)效益

元。建設(shè)太陽能小屋總的費用

元。設(shè)第年對太陽能小屋鋪設(shè)的電池進(jìn)行回收,獲得的純收益為:

通過對結(jié)果分析可知，35年后對太陽能小屋進(jìn)行回收能夠得到最大的經(jīng)濟(jì)效益為233631.69元。2.小屋貼附鋪設(shè)電池，獲得純收益的Matlab程序:MATLAB(lyl2)>>x=0:1:10y=9477.73*xx1=10:1:25y1=8529.975*x1-23013.13x2=25:1:35y2=7582.184*x2-31744.75plot(x,y,x1,y1,x2,y2)x=012345678910y=1.0e+004*Columns1through900.94781.89552.84333.79114.73895.68666.63447.5822Columns10through118.53009.4777x1=10111213141516171819202122232425y1=1.0e+005*Columns1through90.62290.70820.79350.87880.96411.04941.13471.22001.3053Columns10through161.39061.47591.56121.64651.73181.81711.9024x2=2526272829303132333435y2=1.0e+005*Columns1through91.57811.65391.72971.80561.88141.95722.03302.10892.1847Columns10through112.26052.3363>>MATLAB(lyl2)MATLAB(lyl2)架空鋪設(shè)最優(yōu)方案

傾角的不同導(dǎo)致每個月份太陽能板面接收太陽能照射量產(chǎn)生巨大的差異，故確定板面的最佳傾角是太陽能發(fā)電設(shè)備設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)。對于正南（方位角為0°度），傾斜角從水平

（傾斜角為0°度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，

其日射不斷增加，直到最大值。然后再增加傾斜角其日射量不斷減少，所以正午十二點時的輻射強(qiáng)度為最大故取太陽高度角是太陽相對于地平線的高度角，這是以太陽視盤面的幾何中心和理想地平線所夾的角度。太陽高度角可以使用下面的算式，經(jīng)由計算得到很好的近似值：1.一天中太陽輻射強(qiáng)度變化的Matlab程序:MATLAB(lyl1)>>x=0:1:23y=[0.000.000.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.0074.26310.26365.49438.23710.00473.46367.29249.000.000.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00]plot(x,y)x=Columns1through14012345678910111213Columns15through2414151617181920212223y=Columns1through800000000Columns9through16074.2600310.2600365.4900438.2300710.0000473.4600367.2900Columns17through24249.00000000000MATLAB(lyl1)3.小屋架空鋪設(shè)電池，獲得的純收益的Matlab程序:>>x=0:1:10y=11380.42*xx1=10:1:25y1=10242.38*x1-21078.10x2=25:1:35y2=9104.366*x2-25085.23plot(x,y,x1,y1,x2,y2)x=012345678910y=1.0e+005*00.11380.22760.34140.45520.56900.68280.79660.91041.02421.1380MATLAB(lyl3)x1=10111213141516171819202122232425y1=1.0e+005*Columns1through110.81350.91591.01831.12071.22321.32561.42801.53041.63281.73531.8377Columns12through161.94012.04252.14502.24742.3498x2=2526272829303132333435y2=1.0e+005*2.02522.11632.20732.29842.38942.48052.57152.66252.75362.84462.9357>>MATLAB(lyl3)MATLAB(lyl3)架空鋪設(shè)太陽能光伏電池與貼附安裝太陽能光伏電池采用的光伏電池分組連接方式、光伏電池的類型與型號及逆變器的選配完全一致。采用A3型號的光伏電池全年轉(zhuǎn)換的總電量為：全年的實際產(chǎn)電量為：太陽能小屋35年總的產(chǎn)電量為:東面總發(fā)電量+西面總發(fā)電量+南面總發(fā)電量+北面總發(fā)電量+頂面總發(fā)電量太陽能小屋全年總發(fā)電量為：太陽能小屋35年總發(fā)電量為：則35年電量產(chǎn)生的的經(jīng)濟(jì)效益為:元

建設(shè)太陽能小屋總的費用

元

設(shè)第x年對太陽能小屋鋪設(shè)的電池進(jìn)行回收,獲得的純收益為:通過對結(jié)果分析可知，35年后對太陽能小屋進(jìn)行回收能夠得到最大的經(jīng)濟(jì)效益為293566.23元。太陽能小屋的改進(jìn)設(shè)計

小屋使用空間高度為：建筑屋頂最高點距地面高度為4.654m,室內(nèi)使用空間最低凈空高度距地面高度為3.160m；建筑總投影面積為61.279m2；建筑平面體型長邊應(yīng)9.480m，最短邊為6.464m；建筑采光窗地比≥0.2；窗墻比南墻≤0.50、東西墻≤0.35、北墻≤0.30。

373839404142改進(jìn)后頂面鋪設(shè)情況

222324天窗192021

252627282930

313233343536

434445464748123456789101112131415161718

495051525354

555657585960

373839404142

經(jīng)改進(jìn)，東立面、西立面、南立面和北立面鋪設(shè)的太陽能電池與貼附太陽能的情況相同，故年產(chǎn)電量、所需費用不變，而頂面由原來的45塊A3電池增加到60塊，有問題可知電池板架空鋪設(shè)所得的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于貼附鋪設(shè)，故新設(shè)計的小屋選擇架空鋪設(shè)方式。這種型號的電池全年轉(zhuǎn)換的總電量為：A3型號電池的的開路電壓為46.1V，組建功率為200W，則60塊A3型號電池的串并聯(lián)后最優(yōu)的電池與逆變器連接形式如下：A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3

A3A3A3A3A3A3A3

A3A3A3A3SN15A3A3A3A3A3A3A3A3

A3A3A3A3A3A3A3

A3A3A3A3A3A3A3

A3SN15A3A3A3A3A3A3A3

A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3A3改進(jìn)后頂面電池與逆變器連接圖逆變器SN15的逆變效率為94%，故頂面全年的實際產(chǎn)電量為：

太陽能小屋35年總的產(chǎn)電量為:鋪設(shè)該頂面所花費的總費用=逆變器的費用+A3單晶硅的費用=

元太陽能小屋全年總發(fā)電量=東面總發(fā)電量+西面總發(fā)電量+南面總發(fā)電量+北面總發(fā)電量+頂面總發(fā)電量

太陽能小屋35年總發(fā)電量則35年電量產(chǎn)生的的經(jīng)濟(jì)效益元

建設(shè)太陽能小屋總費用元

設(shè)x年對太陽能小屋鋪設(shè)的電池進(jìn)行回收,獲得的純收益為:

4.改進(jìn)后鋪設(shè)電池，獲得的純收益的Matlab程序:MATLAB(lyl4)>>x=0:1:10y=14490.43*xx1=10:1:25y1=13041.39*x1-23108.10x2=25:1:35y2=11592.34*x2-24480.49plot(x,y,x1,y1,x2,y2)x=012345678910y=1.0e+005*00.14490.28980.43470.57960.72450.86941.01431.15921.30411.4490x1=10111213141516171819202122232425y1=1.0e+005*Columns1through111.07311.20351.33391.46431.59471.72511.85551.98602.11642.24682.3772Columns12through162.50762.63802.76842.89893.0293x2=2526