2012年国赛优秀论文B149

杨利霞

2012年国赛优秀论文B149

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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，
# g( k# ?5 p2 e1 g: @1 H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
5 Q& @  ?) y9 i# u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
2 M: L* ^. d% z7 |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
  g5 B# V4 l- T2 G, g. e太阳能小屋的发电效益指标如下表所示：
) X8 @. J* l  E) v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
" p* a$ s. b* u% g/ i5 G- l# v( q. N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
1 p( ]. T  \7 ~% ~, x# ?* q) |) F-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
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
, c  ?" W+ S" b; D3 R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
/ T% Y6 N* U! J& q' O5 W5 i' B方式，并得出太阳能小屋的发电效益指标如下：
. J& J7 N( V1 ]! F6 o# R, i7 i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 53.494 千瓦时 20.6 年 10.151 万元 0.31 元/度
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%，
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
0 q% k( w! w0 u5 j以得到更高的盈利。
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
. ~: R; R6 @! s8 \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
: I, k3 I3 }8 S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
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
23.422 万元 76.222 千瓦时 20.4 年 14.692万元 0.31 元/度
' w4 `: w0 F. p0 W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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