太阳能小屋优化方案设计

1、太阳能小屋优化方案设计摘要本文主要解决太阳能小屋的光伏电池的优化铺设， 最佳倾角的求解和太阳能小屋的 建筑重新设计在设计光伏电池的铺设问题中，本文引入了一个用于度量性价比的新的 数学量一一峰功率密度单价.利用这个数学量可以很容易地解决光伏电池的优化铺设， 同时减少了繁琐的计算机编程求解而最佳倾角的求解则利用不同方位倾斜面太阳辐射 量的计算模型解出，进而解决其它几个问题针对问题1,在仅考虑贴附安装方式的情况下，每个面尽可能放上最多的光伏电池. 通过光伏电池的组件功率、电池成本、型号的相应价格算出性价比，性价比高的就是最 优型号电池但是，考虑到串并联的铺设电池方式，每个面不一定要铺到最多，选择相

2、近的数量及最佳铺设来选择再根据电池的电压、电流、功率选择符合的逆变器，有经 济效益考虑选择最佳逆变器.针对问题2,把光伏电池架空摆放，电池板朝向与倾角均影响光伏电池的工作效率. 运用时均太阳辐射模型、倾斜面上日均太阳能辐射量的计算模型、 修正因子Rb的简化和 倾斜面上时角的计算得出最佳倾角从而重新考虑第一问 .针对问题3,根据问题一和问题二的比较，知道用架空方式设计小屋会更有效率， 小屋的结构比例和安装方式选择了电池组件和逆变器的型号及其数量.在全年日照下，要让光伏电池发挥最大的工作效率及获得最大的经济效益，在满足题目要求下，根据最 大效益原则设计出一套房顶上的光伏电池整天都有日照的小屋，且门

3、窗尽可能放在受光照最少的那一面.最后利用最佳倾角和附件7中的相关参数和条件重新设计了太阳能小屋的建筑结构 参数，使得小屋能够充分利用光能，达到最优化的布局 .并分析了模型的优缺点，以及 模型的改进意见.关键词：光伏电池逆变器峰功率密度单价最佳倾角时均模型1问题重述1.1引言能源短缺已成为一个世界性的难题，它是一个国家经济发展的关键因素煤、石油、 天然气等有限的能源日益枯竭，世界土地沙漠化日益严重，南极冰雪逐渐融化，臭氧层漏 洞等问题也不容人们忽视.在能源危机和环境污染日益严重的双重考验下，大力开发和 利用太阳能能源，是解决上述问题最有效途径之一 太阳能是一种巨大的能源，取之不尽, 用之不竭；太

4、阳能是一种清洁能源，在环境污染越来越严重的今天，这一特点使其弥足珍 贵；另外太阳能是大自然免费赐予的，可就地取材，不受人为控制和垄断，且太阳能的利 用方式是多样化的.1999年召开的世界太阳能大会明确提出，当代太阳能科技发展的两 大趋势：一是光与电的结合，二是太阳能与建筑的结合.这一基本思想，给太阳能的综合 利用注入了新的活力.从经济、实用及建筑外观上考虑，房屋顶部大量安装太阳能热水器 等初级太阳能利用设备已不能满足广大用户的生活要求，人们更注重房屋居所的通风采 暖以及太阳能供电等一体化的综合型多功能房屋建筑.在设计太阳能小屋时，需在建筑 物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池.山西省大同市地处北

5、纬40.10度,海拔高，终年太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射 量大，是太阳能开发利用的有利地区.从太阳能利用的特点以及目前的开发前景来看 ，竖 直墙面（本文只考虑东、南、西三面，由于建筑北墙面日照时间较短，研究意义不大，故文 中未涉及北墙面）受光面积占绝对优势.光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器 转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网.不同种类的光伏电池每峰 瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐 射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部 位及方式（贴附或架空）等.因此，在太阳能小屋的设计中，研

6、究光伏电池在小屋外表 面的优化铺设是很重要的问题.1.2问题的提出为了设计更加经济实惠的太阳能小屋，本文以山西大同为例，参照大同典型气象年 气象数据，在确保小屋的全年太阳能光伏发电总量尽可能大，而单位发电量的费用尽可 能小的前提下，建立模型依次解决以下问题：'可题1:根据山西省大同市的气象数据，仅考虑贴附安装方式，选定光伏电池组件， 对小屋（见附件2）的部分外表面进行铺设，并根据电池组件分组数量和容量， 选配相应 的逆变器的容量和数量.问题2：电池板的朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率，选择架空方式安装 光伏电池，重新考虑问题1.问题3：根据附件7给出的小屋建筑要求，为大同市重新设

7、计一个小屋，画出小屋 的外形图，并对所设计小屋的外表面优化铺设光伏电池，给出铺设及分组连接方式，选 配逆变器，计算相应结果.问题4：计算出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益（当前民用电价 按0.5元/kWh计算）及投资的回收年限.2问题分析问题1仅考虑贴附安装方式，可以忽略光伏电池组件的夹角，小屋表面安装电池组 件和逆变器的数量可根据其长宽等尺寸比例算出各种型号的电池在每个铺设面上的容 纳数量由这些数据，根据每一种型号的光伏电池的性价比进一步筛选出最优化的光伏 电池的型号及其数量.问题2中考虑到电池板的朝向与倾角会影响光伏电池的工作效率，并且太阳辐射量会随太阳的高度发生变化，为此，

8、通过建立时均太阳辐射模型及倾斜面上日均太阳能辐 射量的计算模型，间接计算出最佳倾角和年均最大太阳辐射量有了最佳倾角，就可以求出太阳能小屋上的架空式安放光伏电池的角度 .问题3中要求设计一个最优的小屋，除了综合考虑问题一和问题二的相关参数外， 还应考虑太阳高度角变化及采光取暖等方面的需求，再确定小屋各个部分的相关参数， 然后对小屋的建筑图形进行设计3. 模型假设（1）由于太阳能小屋的北面受光较少，因此在建模求解中忽略小屋的北面，仅仅 对顶部前斜面，东立面，南立面，西立面进行分析；（2）在求解经济效益的模型中，由于人力，运营管理，建设开销等费用未知，求 解过程中仅仅把光伏电池和逆变器的总价格作为成

9、本；（3）考虑到所建立的模型的可控性，假设所有的光伏电池组件经过串并联后能够 独立工作，互不影响；|（4）由于太阳能小屋的相对表面积较小，因此假设小屋的同一个面所受到的辐射 强度是均匀的.4. 符号说明本论文中所涉及到的符号较多，因此将主要的符号说明如下，部分符号在文中具体用到时有具体的说明.11 :光伏电池组件峰值容量；C :光伏电池的费用；二Pt :峰功率密度-:峰功率密度单价；Kt：大气透明指数；H。:月平均日地外太阳总辐射；I0 :地外太阳辐照度；-day:日长；1地理纬度；s:为日落时角；：:倾斜面倾角；;:当时的太阳赤纬角；a'gr :地面反射率.5. 模型的建立及求解5.

10、1问题1的模型及解决方案电池组件选择针对太阳能小屋的光伏电池的型号选取和铺设，考虑到不同型号的光伏电池的尺寸-3 -造价和转换效率的因素，把各种型号的光伏电池铺设在所需要铺设的各个小屋的面上 而且在能完整铺设的条件下铺设满所需的数量进行列表分析.表即为各种型号的 光伏电池铺设在太阳能小屋的几个铺设面上的数量.根据附件2中的太阳能小屋的建筑尺寸kx和ky ( kx和ky分别为太阳能小屋的四个 铺设面划分后的任意宽和高)，光伏电池的宽(x)和高(y)可以将各个铺设面分解求解如 下：nxi亠,7 J(5.1.1)nyitn = 门力 n yi,i 二其中i=1,2,t表示将所分析的铺设面分解为i个小

11、矩形面.以太阳能小屋的南立面铺设 A1型号的光伏电池为例进行分析，可将东立面的平面图 分解如下图所示.600 mm1200 mm3600 mm850 m700 mS18S5700 mm900 mm1800 mmS4800 mmEI 口3500 mm图5.1.1太阳能小屋南立面的划分图3000 mm1400 mm900 mm将A1的宽x=1580 m,高y=808 m以及S Sg对应的宽高分别代入nxi 和 nyi，可以算得：nxn y1 nx5n y5 =0，讥6帀6 =1 , nx7n 幼=nx8n y8 = 0，nx9 ny 1 再 9利用n=nxinyi=2,即得太阳能小屋南立面上 A1

12、型号的光伏电池数量为2块.i#重复这样的求解方法便可以得到太阳能小屋四个铺设面上所需的各种型号的光伏 电池的数量.另外的三个铺设面的划分图见附录中图1,图2和图3.太阳能小屋四个铺设面上所需的各种型号的光伏电池的数量结果统计于表光伏电池型号屋顶前斜面东立面南立面西立面A1399212A22260 19A3399忙12A428 :90 n12A5289012A622609B128 :90 112B22260 19B3289012B428 :90 112 :B522609B622609B728 :90 112 :C1328010C24612420C331160 110C4326010C532601

13、0C6L4791165112 1t207C7502156124 I187C8238825299C980 14627 163C101786428 I72C113912716得出太阳能小屋铺设面上各种型号的光伏电池的数量之后，本论文引入了一个新的用于度量光伏电池铺设后的性价比的数学量：峰功率密度单价，该量用符号-表示；单位 为:(峰瓦/平方米”元,符号(Wp/ m2)/元.为了求出各种型号的光伏电池在各个铺设面上的峰功率密度单价，首先对以下所涉及到的几个量进行分析光伏电池组件峰值容量0 :=MR i ,i=1,2,光伏电池面积(有效受光面积)S:S = Nj 为 ,i=1,2,光伏电池的费用C:C

14、 = NiCiRi ,i=1,2,峰功率密度 Rt:RtS(5.1.6)峰功率密度单价卩:r = ()C以上式子中：i=1,2,11分别代表11种不同型号的光伏电池；Nj为各面所需的 第i种光伏电池的数量；i为第i种型号的光伏电池的转换效率；Pti为第i种光伏电池 的峰值功率；g为第i种光伏电池的价格；Xi%分别为第i种光伏电池的宽度和高度.利用以上的模型，表中的数据和附件3中的相关数据可以将各种型号的光伏 电池在各个铺设面上的峰功率密度单价求解出来，并在Excel中统计分析求出峰功率密 度最大的光伏电池.太阳能小屋顶部前斜面的峰功率密度单价统计分析如下表表太阳能小屋顶部前斜面的峰功率密度单价

15、统计分析产品 型号组件 宽X (m光E 分圧伏 总池 &组 数 N峰功率 密度单 价(Wp/元)组件 高y (m转换效 率n (% )组件 功率(w)/价格(元Wp)丿峰功率密 度 (Wp/tf)C光伏电 池成本 :(元)B21.9560.991 15.39%32012.522595.2633275.02.1646J B11.6500.991 1、621%26512.528735.579。350.02.1017A31.5800.808 1870%20014.9 1391142.5304581.11.9662A11.5800.808 1、684%21514.93911106.055058

16、1.11.9034J A21.9560991 1、664%32514.922613.7858T327.81.8724| B61.9560992 1520%29512.522508.4026 1275.01.8487|B51.9560.992 15.98%28012.522507.3141275.01.8448J B31.4820.992 15.98%21012.528639.1374T350.01.8261 1A41.65110.992 15.50%27014.9 128761.6352 1417.21.82561 1B71.6681.000 199%25012.5 28629.0767350

17、.01.7974Pp4,6400992 1480%24012.5 28611.3297?350.01.7467A61.9560991 1511%29514.9 22505.9023327.81.54331 A51.6500991 198%24514.928628.4610417.21.50641 C11.30011006.99%1004.832156.4196T153.61.0184C51.40011006.49%1004.832134.8571 1153.60.8780,C31.41411146.35%1004.831124.9686148.80.8398C21.3210.7116.17%5

18、84.846175.2664?220.80.79380C41.4001.1005.84%904.832109.2156 1153.60.7110,C111.6450.7124.27%504.83971.0913187.200.3798, 1C100.8180.3554.13%124.8178303.7873?854.40.35561 1C90.9200.3553.66%124.880107.5811 384.00.2802,C80.6150.3553.66%84.8238319.18651142.40.2794, 1C60.3100.3553.63%44.8479631.9927-2299.2

19、0.2749, 1C70.6150.1803.63%44.8502658.4499 -2409.60.2733| |从表种统计结果中可以得到在太阳能小屋顶部前斜面所铺设的光伏电池的峰 功率密度单价最高的光伏电池是:B2型号的光伏电池.利用同样的方法可以依次求解出在太阳能小屋的东立面，南立面，西立面的峰功率密度单价最高的光伏电池是：B2,A3,B2.其中东立面,南立面,西立面三个面的峰功率密 度单价统计分析表见附录：表1,表2,表3.将四个铺设面的最佳型号的光伏电池以及数量统计如下表5.13表所需光伏电池的型号及其数量顶部前斜面东立面南立面西立面光伏电池型号B2B2A3B2光伏电池数量22629

20、逆变器选择由目中所选出的光伏电池的型号及其数量，根据附件5中各种逆变器的参数 及价格,考虑到光伏电池阵列的开路电压（VoJ必须在逆变器的直流输入电压所允许的 范围（U ）之内，光伏电池阵列的短路电流（Isc）必须不大于逆变器的直流输入电流的额 定电流（I。），光伏电池阵列的实际输出功率（Ps）不能大于逆变器的额定功率（巳）；在这 些条件满足的情况下，考虑成本最低原则优先选择参考价格最低的逆变器.利用上述的各变量之间的关系建立筛选逆变器的数学模型.把a个光伏电池串联后再并联为b组的方式表示为：a ba/ AUbI sc 兰 I。PsPo(5.1.8)(5.1.9)(5.1.10)根据以上三式以及

21、优先选取逆变器参考价格较低的逆变器，可以将光伏电池和逆变器的最终型号及其数量确定为下表 中所示。表光伏电池和逆变器的型号，数量和光伏电池的a b串并方式顶部前斜面东立面南立面西立面光伏电池型号B2B2A3B2数量20629联接方式i5x43<21H23用3逆变器型号SIN15SN7SN3SN7数量1111根据上述的分析得到的太阳能小屋各个铺设面上的最优化的光伏电池和逆变器的 型号，以及光伏电池的数量和a b串并方式，将太阳能小屋各个铺设面上的光伏电池铺 设布局设计如下：图小屋顶部（前斜面）B2光伏电池铺设及联接图图小屋东立面B2光伏电池铺设及联接图A3图小屋南立面A3光伏电池铺设及联接图

22、图小屋西立面B2光伏电池铺设及联接图5.2问题（2）的模型及解决方案电池板的朝向与倾角均会影响到光伏电池的工作效率，基于这两个因素，本文在此提出相应的改进措施.不同方位倾斜面太阳辐射量的计算模型（1）时均太阳辐射模型 水平面上月平均日散射辐射 Hd可由水平面上月平均日总辐射 Hh折算得出12:H df 兀）=0.755 + 0.347 5HhI s其中，2 心 - 0.9兀s-0.505 0.261 - 2 _ 2)Kt 二 Hh/H。< H0 =-10 coscos (sin灼ssCOSs )二l0 =1373 1 0.033cos 2二n/365.25)cos s 二-tan tan

23、、(5.2.4),一 284 + n :23.45sin 2 -(5.2.5 )365式中，Kt为大气透明指数，Ho为月平均日地外太阳总辐射，I。为地外太阳辐照度,day为 日长，为地理纬度，-'s为日落时角，n为日序.时均太阳直射*、地面散射辐射Id和总辐射Ih存在下列关系23:FHdIdIh =rhHIbh二 Ih Td /cosz)其中,coseiz =cos0cos§cos豹+sin©sin§()=15(ts 12)()兀 COS一COSGOs5 =x24 sin 叽一国s costas彳 h =(a +bcosco)rd()a =0.409 +0

24、.5016sin( Bs 兀 /3)p =0.6609 0.4767sin( s 兀 / 3)式中，q、厲、a、b为辅助变量，氏为天顶角，ts为太阳时.太阳时ts与北京时间t的换算1关系为ts =t E 4(120L|oc)(5.2.10)转换时考虑了两项修正，第一项E是地球绕日公转时进动和转速变化而产生的修正 时差E以分为单位，可按下式计算E = 9.87sin 2x 7.53cos x 1.5sin x其中x = 360(n -81)364(5.2.12)式中，n为所求日期在一年中的日子数(2)任意倾斜面上日均太阳能辐射量的计算模型 根据天空散射辐射各向异性模型，任意倾斜面上日均得热量可按

25、下式计算145.Ht = RbHb Hd(2 cos-)/3 (Hb H d) ?gr式中，HT,Hb,Hd分别为倾斜面和水平面上直射、散射日均得热量；：为倾斜面倾角；gr 为地面反射率.倾斜面上直射光入射角按下式计算17: _cosv -sin、sin cos - -sin - cos sin : coscos 心 cos cos cos ； cos、sin cos cos sin :cos、sin sin sin :修正因子Rb理论上可由下式计算17:Rb =C(时 SS _ 灼 sr) + B(si n 灼 ss _Si n 时 sr) _ A(COS 灼 ss _ COSsr)( 2D

26、)()其中A 二sin : sin cos、(5.2.15)B = (cos cos ： sin sin : cos )cos、C = (sin cos - - cos sin : cos )sin、 D = 0sin sin 心=cos cos、sin 0式中 '为当地地理纬度；为倾斜面方位角；：为太阳的赤纬角；-ss和-'sr分别为倾斜 面上的日落和日出时角；-'0为水平面上的日落时角 水平面上的日落时角和太阳赤纬角分别由下式决定 cos% = -ta n°tan为日序,其取法见表表各月代表日的日序18月份各月第i天日 序的计算式厂各月平均日月的日序年的日

27、序1月17172月31+i16473月59+i16754月90+i151055月120+i151356月151+i111627月181+i171988月212+i162289月243+i1525310月273+i1528811月304+i1431812月334+i10344注:*按某日算出大气层外的太阳辐射量和该月的日平均值最为接近，则将该日定为该月的平均日；*表中的日序没有考虑闰年，对于闰年3月份之前的n要加1.修正因子Rb的简化和倾斜面上时角的计算（1）倾斜面处于正南方向对于倾斜面朝向正南方向放置时,方位角丫 = 0, Rb可简化为下式9:Rb(5217)cos( - .')cos

28、、sin s 亠'耳sin( - .)sin、cos cos、sin o 亠 sin sin、其中国s"=mino,cos*（-tan（©-P）tan§）（）（2）倾斜面处于非正南方向对于非正南方向放置的p面板a 倾斜面上的日出、日落时角视具体情况加以 讨论79.（a）当<0时，倾斜面上的日出、日落时角可表述为s= -minB°,cos（E1E2 -Je； E； +1）/（E； +1） >（ ） ss =mi ncCo,cost（E1E2 + Je： E； +1）/（E； +1）,（b）当 7时，倾斜面上的日出、日落时角可表述为I厂-

29、minf o,cos4（E1E . E： - E； 1）/（E；1） （ ）国ss = min%,cos （E1E2JE1 -E2 +1）/（E1 +1） 其中(5221 )Ei=cos(sintan sin(tan尸E?二 tan、cos(tan)' -sin(sintan：)'然而,对于E =0 '或Y =0，时,Ei和E?均为无穷大，出现奇点，无法根据式求出日出、日落时角.而且方位角 无论正负值，代入的结果的是一样的，不必分别加以 计算.后来Bushell提出了解决此问题的方法,计算倾斜面上日出、日落时角公式改写为10：1 1GOss =mineo0,cos (-

30、C/E)+sin (A/E)国新=min0,|cos"C/E)+si门°(人/£)|,()E = Ja2 +B2根据以上的不同方位倾斜面太阳辐射量的计算模型可以通过dHTd：=0求解出当方位角Y =0，时的最佳倾角B =34°.太阳能小屋所安装光伏电池的各面的月平均辐射量Ht的计算结果统计于表表太阳能小屋所安装光伏电池的各面的月平均辐射量Ht月份屋顶Ht（kWh/卅天）东立面Ht（kWh/卅天）南立面Ht（kWh/卅天）西立面Ht（kWh/卅天）一月2.716251.532013.500021.53201二月:3.60792.044023.780712.

31、04402三月4.477562.532183.522742.53218四月5.425593.077763.157893.07776五月P 5.828213.306542.715963.30654六月5.951683.38532.484423.3853七月5.512833.128492.43813.12849八月P 5.089212.884482.688032.88448九月4.736312.691333.332852.69133十月3.853422.185623.707752.18562十一月P 2.922431.651173.57771.65117十二月2.356171.322933.148

32、481.32293对小屋顶部前倾面架空式布局光伏电池的倾角计算下：太阳能小屋的顶部前倾面相对于水平面的倾角。B为小屋的最佳倾角，0 即为光伏电池安放支架与小屋顶部倾斜面之间的夹角。在上述的求解中，已经得出当方位角 =0时的最佳倾角1 =34。，而= 10.62。.丄-11200:=tan 6400故：: =23.3呼即:光伏电池安放支架与小屋顶部倾斜面之间的夹角为：23.38°.据此，将光伏电池安放的支架设计如下图所示.小屋顶部倾面斜面图521架空安放光伏电池的支架面5.3问题3的解决方案设计在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题.在问题二中我们得出小

33、屋屋顶的最佳倾角为 34度,在重新设计小屋时，我们把小屋的顶 部倾角设计为34度.据太阳高度角计算公式11sina =sin$ sin6 +cos$ cos6 cos豹其中，=l5ts-12）（度）126 = 23.45sin 輕2竺工）（度）（12<365 丿式子中为太阳高度角，：为时角，为当时的太阳赤纬角，'为当地的纬度（大同的 纬度为40.1o）, ts为太阳时（单位：小时）12, n为日期序号。分别算出夏至日和冬至日的太阳高度角 和。2分别为% =73.40 o=26.50°在一年中，对于北半球，夏至日太阳高度角最大，过了夏至日太阳高度角逐渐减小， 而冬至日太阳

34、高度角最小，过了冬至日太阳高度角逐渐增大。窗户的设计一般下沿距地 0.9米,夏天天气热，窗户只要满足采光条件即可，故遮阳板在夏天应满足照到窗的上沿。 冬天天气冷，除考虑采光条件外，还应使阳光全部照到室内，如图所示，假设小屋前 沿高度取3米。图5.3.1遮阳板与窗户的设计tan： “tan： 2 = ab H 0.9 = 3(5.3.1)解()得:a=0.62mb=0.31mH=1.79m利用余弦定理可计算出遮阳板的宽 c为0.42m.根据建筑节能要求应满足窗墙比（开窗面积与所在朝向墙面积的比值） 南墙w 0.50, 可以算出南面开窗的宽度最宽为 12.57m.假设小屋的宽度去最短边 3米,屋顶

35、最佳倾角 取34度，则可以算出小屋屋顶最高点距地面高度为 1.87m,对应屋顶宽度为3.96m.此时 东西南北及屋顶的面积均确定，由窗墙比的条件可以确定每个面安装窗户的最大面积 ， 东西南北四个面分别为6.10川、6.10川、22.5川、21.9 m2.忽略墙的厚度,我们再考虑 窗地比（开窗面积与房间地板面积的比值，可不分朝向）0.2的要求,带入相关数据计 算得其比值为1.27.远远大于0.2,屋顶可以不考虑安装窗户.背面阳光照射量较少,我们 考虑把门安装在北面，此时的开窗面积与房间地板面积的比值为 0.77>0.2.仍然满足题 意。门的尺寸为只要满足总面积小于 21.9 m即可。综合以

36、上条件，将太阳能小屋的建筑设计如下图：图533太阳能小屋东立面图图太阳能小屋南立面图图太阳能小屋西立面图4.87mS<21.9 m215m图太阳能小屋北立面图5.4问题4的模型及解决方案 太阳能光伏阵列的发电量单个光伏阵列的日均发电量q可按下式计算qi hSHJpvg(5412Q =送 Niqi(5.4.3) 式中，Ni为第i个月的天数，q为第i个月的月平均日光伏阵列的发电量.将太阳能小屋各个面上安装的光伏阵列在有效工作寿命年限内的发电量相加即可 得到整个小屋外表面安装太阳能电池寿命期内的发电量.结合5.1中所选取的光伏电池的铺设方案以及相应的逆变器，便可以计算出太阳能小屋第一年的年输出

37、量.由此可算出太阳能小屋的顶部前斜面输出能为表5.4.1中所示.)其中，"pv0兰n <10年npv=O0pv10 v nW 25年0.%25 v n 兰 35年式中，S为光伏阵列的采光面积；Ht为光伏电池上日均接收的太阳辐射量；pv为光伏组件的光电转换效率，；为逆变器的逆变效率.单个光伏阵列年均发电量屋 顶月份有效面积n 3)Ht(kWh/itf天)电池效 率( %7逆变器 效率(%氏数输出能(kWh一月38.767922.7162516.39%94.00%31502.9337二月38.767923.607916.39%94.00%28603.381寸三月38.767924.

38、4775616.39%94.00%31829.0532四月38.767925.4255916.39%94.00%30972.1819 五月38.767925.8282116.39%94.00%311079.136六月38.767925.9516816.39%94.00%301066.449七月38.767925.5128316.39%94.00%311020.741八月38.767925.0892116.39%94.00%31942.3047九月38.767924.7363116.39%94.00%30848.6736十月38.767923.8534216.39%94.00%31713.489

39、1十一月38.767922.9224316.39%94.00%30523.6543十二月38.767922.3561716.39%94.00%31436.2622总计:9538.26东立面,南立面和北立面的各月输出能统计表分别见附录中表4,表5和表6.对四个铺设面的输出能求和便得第一年中的小屋总输出能即：Q =(9538.26 +1552.717 +474.5925 鼻2329.074)kWh = 13894.64( kWh).根据和式便可求出35年寿命期内太阳能小屋的发电总量 Qall为：Qall =(10 1 0.9 15 0.8 10) 13894.64kWh(437681.2) kWh

40、经济效益分析按当前民用市电电价0.5元/kWh计算,整个太阳能小屋每年可获得多少元的产值 寿命期35年内的盈利是多少？每一年太阳产生的能量可获得的总收入：Pall =QP°(544 )其中,Q为一年里电池吸收太阳产生的能量总值，F0为民用市电电价。每个面的电池和逆变器的价格分别为：P =巳汕()Pj=P°jNj( )每个面上用的成本为：Pk 三 R +Pj( )k=1,2,3,4分别对应顶部前斜面，东立面,南立面和西立面。因此得到：P =124000元P2 -34200元P3 =10460元P4 二 46200元小屋总的用材成本就是各个面上所用成本之和，所以，由以上各表达式

41、得：4P =L Pkk 4(5.4.8)P =192860元因此,每:一年的盈利可为：Py = Pall -P(5.4.9)即:P =50296.26 元所以35年来总盈利应为：Pally = 35 X Py巳呼=1760369.1元投资的回收年限13In1 - r -dr 年利率;I。一系统初投资；A 年均节省运行费（燃料费）；d 通货膨胀率或 折现率.年利率r可取5%（ 0.05）,通货膨胀率或折现率d取8% （0.08 ）且I。= P电池板运用后，太阳能为：Q =M y 汉其中,Q为太阳能；M为煤的质量；C煤的燃烧值；1为煤燃烧的转换效率；2为发电 的转换效率。一年均节省的运行费（燃烧费

42、）为：A=M 汉 P其中P煤的价格即P=990元/吨。由以上、联立求解得:n=16 (年)6. 模型的评价与改进6.1模型的评价（1）模型的优点本论文中最大的优点是引进了一个用于度量性价比的新的数学量一一峰功率密度 单价,通过这个量建立了一个简单的用于优选太阳能小屋各个铺设面上最佳的光伏电池 型号及其数量.省去了繁琐的计算机编程求解过程.除此之外，还利用了太阳能小屋所安 装光伏电池的各面的月平均辐射量 Ht (2) 模型的缺点在本文中不足之处主要有以下几个方面：一是没有考虑太阳能小屋北立的面铺设问 题,这可能对实际的能量产值和投资有一定的偏差；二是对于光伏电池架空式铺设的情 况,本文主要考虑的

43、是太阳能小屋顶部前斜面的情况 ，其它几面都没有考虑，这与实际应 用可能还有一定的距离；三是对于太阳能小屋的建筑设计还不够精细有待改进6.2模型的改进(1) 考虑太阳能小屋的各个面光伏电池的架空式铺设为了能使已经建成的太阳能小屋利用光能的效率进一步提高，重新建立数学模型求解更优化的在每个面上的架空式铺设方案以及光伏电池和逆变器的搭配方案.(2) 考虑地区气候与气象条件为了使设计出来的小屋能更多的利用太阳能，考虑地区气候与气象条件对光伏电池的实际影响，重新建立数学模型，设计出更接近实际的太阳能小屋建筑结构图和光伏电 池的铺设方案.7参考文献1 张鹤飞,俞金娣,赵承龙等，太阳能热利用原理与计算机模拟

44、，西安:西北工业大学出 版社,2007.17 20.2 Tang RS,Gao WF,Yu YM etc,Optimal tilt-a ngles of all-glass evacuated tubesolar collectors,E nergy,34(9):1387-1395,2009.3 魏生贤，李明，张忠玉等，太阳能平板型集热器阵列排布优化，农业工程学 报,28(14):184-189,2012.4 Hay J E,Calculatio nof mon thly mean solar radiati onhoriz on taland in cli nedsurface, Solar

45、 En ergy, 23:301-307,1979. 魏生贤，太阳能建筑一体化与室内热环境的研究，昆明：云南师范大学硕士学位论文.6 L.J. Shah, S. Furbo, Vertical evacuated tubular-collectorsutilizingsolarradiation from all directions,Applied Energy 78:371-395,2004.7 Run she ngTa ng,T ong Wu,Optimal tilt-a nglesfor solar collectors used in Chi na ,Applied Energy,79 : 239- 248,2004.8 唐润生，吕恩荣，集热器最佳倾角的选择，太阳能学报，9(4):369-375,1988.9 李元哲,被动式太阳房热工设计手册，清华大学出版社，1993.10 杨金焕,毛家俊,陈中华,不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算，上海交通大学学报,36(7):1032-1036,2002.11 方荣生，太阳能应用技术，北京：中国农业机械出