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，
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，
4 x: o/ S) e' K. x; ?' p. W, s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
/ C) G& u1 F9 k" N& e2 `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
8 W* ^! j8 z3 ^0 L4 x6 s7 L$ b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：
: p- k9 W1 O, p' F: E9 z7 P) s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
: p7 R, h: p$ |- ~16.596 万元 46.787 万千瓦时 23.72 年 6.796 万元 0.36 元/度
# \& I2 j$ C% S& i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
-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
. o) d) n- @* I1 [  M- A1 a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
5 l- w$ ~: f$ R- v/ U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
5 }9 ^. `0 o# G4 |" b8 K1 F2 f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
16.596 万元 53.494 千瓦时 20.6 年 10.151 万元 0.31 元/度
- C5 i9 a- y% g& U$ I+ }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%，
  k; ^2 z: s0 Y: d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。
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
. g8 S$ ~' h; {2 \( p; m7 i# Y& U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
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
( U! d8 |. |0 p6 Z; f池组件连接方式，并得出太阳能小屋的发电效益指标如下：
8 }7 U- N1 q! f- O& 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
/ `; I. m' {) u( O* y( Y23.422 万元 76.222 千瓦时 20.4 年 14.692万元 0.31 元/度
; F8 I0 w1 ]! q- ~( l2 `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
' Q; p' `$ ]4 r9 V8 g# k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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