2012年国赛优秀论文B045+matlab程序

杨利霞

2012年国赛优秀论文B045

# U0 S( ]4 c: |" A, [. `' }
3 R6 A( C% }/ F1 Z) H1 @- V
+ a, e8 z1 S$ C* g8 j本文研究光伏电池在太阳能小屋外表面的优化铺设问题，使得小屋的总发电
0 _. X; x6 g7 ^  b量最大，而单位发电费用最小。经过简单的试算，我们发现发电量最大和单位发
; W- V. |# D' w$ t/ C电费用最小的目标不可能同时达到，当发电量变大的时候，势必将大幅增加成本，
所以我们以效益函数作为我们的目标函数，力求找到一个发电量尽量大和单位发
& j4 r; n* B' G; w" {- G) X8 i. A电费用尽量小的方案。
. g6 e: }* ]- C: r) R0 P问题一，我们根据太阳能小屋一年的光照条件，求得了各类电池在各墙面上
单位面积一年的发电量，结合各类电池本身的价格，得到各类电池在各墙面上的
0 F. n4 e9 n2 y适配指数（实际是一种单位效益指标）。
根据各类电池在各墙面上的适配指数判断各墙面适合何种电池，选择合适的
电池，淘汰效率低的电池。我们发现各墙面具有选择某一两种型号电池的倾向，
  t8 M, R+ x" ]* Y9 r5 d: e  \+ q利用这几种的电池对墙面进行铺设，利用剩余矩形排样法结合遗传算法优化铺设
8 j+ A* o$ s% P: w; h  U  q$ E) @3 i方案，使得墙面电池的效益总和尽量高。
' t2 v3 U8 @# S* |' R, P0 E+ r, ?& [在确定墙面铺设的电池之后，根据电池总功率选择合适逆变器，使得逆变器
/ L8 D! R2 f* [的使用潜能最大。再根据电压约束确定电池串并联，最终得到电池的连接及铺设
1 d6 n: G9 K8 C5 D% V* y0 W) G2 o. |的确定方案：屋顶 43 块 A3 用 SN6、SN13，南墙 8 块 A3 和 56 块 C6 用 SN12，西
墙 11 块 B5 用 SN3，SN4，东墙 20 块 C2 用 SN3。并得到 35 年发电总量 S=576301K
, I% }6 d1 |; YＷh，单位发电量成本Ｐ＝０.42 元。再经过计算可得此种方案将在 30 年之后收
% h" Z7 F: e7 [# R6 y回成本。
问题二，根据太阳能小屋一年的光照条件，求得电池在屋面上单位面积一年
0 z! R8 ]4 @8 _, d; w# S9 r的发电量最大时的方位和斜角，忽略光线角度变化带来的小的电池板遮挡影响，
! ^: X2 Q1 B  U! i根据此电池板和墙面的关系，将电池在墙面上进行规律性密集铺设。
对于小屋的四周墙面，我们并不认为它们是进行光线采集的主要区域，对于
总体的效益贡献并不明显，所以决定不对它们进行角度改进。另外，这样的做法
符合房屋的实际应用和人们对于房屋的外观常识。
通过角度改进，屋顶放 32 块 A3 用两个 SN13，得到结果 35 年发电总量
S=444229KＷh，Ｐ＝0.44 元。再经过计算可得此种方案将在 31 年之后收回成本。
# A7 U: e% L6 V' N, R问题三，在题给约束条件下，设计高效益的太阳能小屋。在之前解题过程中，
9 B1 F  q9 c  x' @. r. `; S' |我们发现屋面的效益是小屋总效益最重要的部分，所以我们把这一部分的设计作
为重点。在小屋设计中，增大朝阳屋面面积以及确定屋面合适的朝向可以直接的
增大屋面接受阳光的辐射量，电池类型的选择则会影响能量吸收的效率。另外，
第二问的结果实质上反映了高级电池为追求光线而争取的合理姿态，无疑，屋面
若是迎合这样的姿态，并且结合高级电池的使用，必定可以达到高效益的目标。
而对于一些弱光墙面，选择合适电池进行紧密排布设计，使得小屋总效益趋于最
' U6 P) Z6 {( q# H8 G- q大。最终结果为总发电量 S=771894kWh，P=0.37 元，25 年收回成本。