2012年国赛优秀论文B149

杨利霞

2012年国赛优秀论文B149

本文针对太阳能小屋设计问题，对小屋的每个墙面分别给出具体的电池铺设
方案，计算方案效能并重新设计了效能更好的太阳能小屋。
针对问题一，考虑贴附安装方式，首先建立任意斜面太阳能辐射量的模型，
0 Y" A0 _* N: |3 o5 |5 c得到该小屋各墙面的太阳能辐射值；其次根据各逆变器的功率、电压、电流约束，
在电池寿期内的使用效率，建立组件匹配筛选模型，得到逆变器与光伏电池的所
3 p7 w( ^0 x5 p7 N% i有可行匹配，根据不同墙面的太阳辐射强度以及光伏电池转换效率，计算出各个
电池阵列在不同墙面的发电量及设备成本，以最大收益率为目标函数对电池阵列
单位面积收益进行排序；最后根据门窗分布位置与面积限制，选择收益率最高的
" J9 R! G2 U! C, Z9 W% _组件优先进行铺设。绘出了各墙面的组件阵列分布及电池组件连接方式，并计算
太阳能小屋的发电效益指标如下表所示：
设备成本 35 年总发电量 回收年限 35 年总盈利 单位发电量成本
16.596 万元 46.787 万千瓦时 23.72 年 6.796 万元 0.36 元/度
针对问题二，由于电池的朝向与倾角均会影响电池工作效率，在采用架空式
铺设方法时，首先考虑最优倾角和最优的方位角，建立最佳倾角模型
得到全年最优倾角为 32 度；最优方位角采用搜索算法，在方位角的取值区间
9 W5 a* ~9 K0 t' M0 E' G* U-180~180°内，采用固定步长的方法计算全年的太阳辐射强度，得到使全年太阳
+ F! M  k) T! R0 ^1 [辐射强度最强的方位角为 20 度；其次，据最优倾角和方位角，按照问题一的选
9 S1 E0 R, x* l; p配模型对光伏电池组件重新铺设，绘出了各墙面的组件阵列分布及电池组件连接
方式，并得出太阳能小屋的发电效益指标如下：
设备成本 35 年总发电量 回收年限 35 年总盈利 单位发电量成本
, ^8 @! j$ `+ p1 H( A. g16.596 万元 53.494 千瓦时 20.6 年 10.151 万元 0.31 元/度
9 n( y# o& S* D1 K% r与贴附式设计方案相比，架空式方案总发电量增加 14.3%，总盈利增加 49.4%，
# o) z) j+ g: u5 ?/ T" j9 w单位发电量的成本比原来降低 12.7%。另外给出了大同地区每月太阳板最优倾角
和方位角，指出在人工费用允许的情况下，通过每月调节太阳板倾角和方位角可
以得到更高的盈利。
9 c7 w* F" y" r4 Y. P针对问题三，总结了原太阳能小屋设计的不足，在完全使用投影面积的情况
下，设计了朝向为南偏西 20 度，屋顶倾角为 32 度的小屋，以最大收益及最大发
1 e  E" O. r+ ^. g( o电量为目标，规划了新的光伏电池铺设方案，绘出了各墙面的组件阵列分布及电
9 \: f- S' [0 W5 ~$ q7 K池组件连接方式，并得出太阳能小屋的发电效益指标如下：
% Z" F0 V. B% A% ]+ h( W  W+ ~% ^设备成本 35 年总发电量 回收年限 35 年总盈利 单位发电量成本
; [! N4 p- h: r4 Z; d% t8 \- w0 r8 e23.422 万元 76.222 千瓦时 20.4 年 14.692万元 0.31 元/度
与原太阳能小屋的设计方案相比，总发电量增加 42.5%，总盈利增加 44.7%，而
单位发电量的成本与原来持平。结果表明，自建太阳小屋的各项性能较优。
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