2012年国赛优秀论文B045+matlab程序

杨利霞

2012年国赛优秀论文B045

/ F" c& e" k0 M# `) q

0 J* x+ n7 F# y1 `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
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
& ?3 n& {# I$ o* X& N4 y; ~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，
7 D6 L/ a, o2 |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
电费用尽量小的方案。
* ?* I" o1 x+ v; c9 R6 N! b, Y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
适配指数（实际是一种单位效益指标）。
1 E- `0 y0 h* h+ ]) q2 I9 b2 J0 a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
$ a; d3 U2 U# ^$ j% ]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，
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
( K7 G4 K8 q  J方案，使得墙面电池的效益总和尽量高。
7 v6 ^1 U& `% A. n: z2 ?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
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
* Y4 P) N. ~8 Z: P. k# G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
Ｗh，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
回成本。
- U' f3 E3 Q% f/ s' ?0 Z1 h, h) u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
9 v6 P+ V, F9 G" q( m+ z& `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，
/ g" Y6 m1 T$ X8 |: Z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
% q' G2 s% ^# K) Z2 l# h5 L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
* Y/ Q" z# v" x7 X# F5 M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
* I/ P$ M, Y' {3 `% C( tS=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。
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，
" p* F* B  [" w: M9 L5 h# ?: X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
大。最终结果为总发电量 S=771894kWh，P=0.37 元，25 年收回成本。

' V; s* o! H, x  \/ @
. n% h$ ~  [6 Z1 ^6 f! A# W