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
  n+ \8 }. F, f* v* g" W方案，计算方案效能并重新设计了效能更好的太阳能小屋。
+ n) f. p' x3 |- {; u( w9 U* s0 `; I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，
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
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
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
1 U0 p1 {7 T( B  e6 G7 \8 ~4 p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
+ G* |2 |0 {$ x  L! g% z5 v16.596 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
/ s) f  Z( i! V6 U8 w  {-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
( B& t2 e4 U4 Y: I6 m: D" t, K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
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
' J" ^0 ~! L) G4 t9 z16.596 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%，
9 ?0 W2 b4 a5 _1 B& I& R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
; A% j) h. Z$ @/ x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。
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
* c1 |/ X$ K9 Z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
' A0 F5 l+ k7 Q& `1 I8 d! z! A' T% B: \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：
. G+ G# Z" S+ [# }' C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
: _* ^' j% y7 f: q! {23.422 万元 76.222 千瓦时 20.4 年 14.692万元 0.31 元/度
% t  L! ^) D; N0 ^1 b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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