第一范文网 - 专业文章范例文档资料分享平台

数学建模:太阳能小屋设计

来源:用户分享 时间:2025/7/24 1:19:33 本文由loading 分享 下载这篇文档手机版
说明:文章内容仅供预览,部分内容可能不全,需要完整文档或者需要复制内容,请下载word后使用。下载word有问题请添加微信号:xxxxxxx或QQ:xxxxxx 处理(尽可能给您提供完整文档),感谢您的支持与谅解。

题目:太阳能小屋的设计

摘要 本文以最大化增加太阳能小屋发电总量以及最低化单位发电量成本为目标找到在给定小屋上的合理的光伏电池铺设方案和建立新型太阳能房屋。

第一问中,笔者团队根据不同电池发电特性不同对大同市全年太阳辐射强度以30w/m2以上、80w/m2以上、200w/m2以上三类对不同方向的辐射强度进行统计,计算出全年东、南、西、北、水平辐射量分别在30w/m2以上、80w/m2以上、200w/m2以上的总和。之后,根据不同光伏电池发电条件及所铺设面角度的不同选择30w/m2以上、80w/m2以上或200w/m2以上的太阳能辐射强度,计算出在某个面上每平方米的某一种电池一年的发电总量;统计了不同电池每平方米的成本;并对两者作出了对比。

统计后发现发电量最大的电池主要集中在A类和B类电池中,而单位发电量成本最低的电池都集中在C类电池里。显然,电池发电量最大和单位发电量成本最低不可能同时满足,两者相互矛盾,需要从中折中考虑。

这里,笔者团队决定用多目标规划中的约束法来解决,即在多个目标中选定一个目标作为主要目标,然后对其他目标设定一个最低的期望值,在要求结果不比期望值坏的情况下,求主要目标的最优值。

铺设的时候应用贪婪法,先尽量满足让发电量最大的电池尽可能地使用,然后在铺不了的缺口处考虑剩下的电池。当前三发电量的电池都铺设不下的时候在选取尺寸小的电池中相对发电量大的电池进行补缺。尽量少使用两种以上电池。铺设完成后,我们根据光伏电池的开路电压、短路电流、额定功率;逆变器的允许输入电压范围、直流输入额定电流、交流输出额定功率、仪器价格等综合考虑,选择最优串并联方式和逆变器型号。在第一问选择最优解时,第一次优先考虑发电量,单位发电量成本占不考虑,第二次对第一问进行改进时,优化考虑了在保证一定收益或减少亏损的情况下,使发电量尽可能大。

第二问中提出要求使用架空方式,由于不知道在房屋四周架空是否会影响周围的占地面积,所以本问的架空只对屋顶进行架空铺设。在对屋顶进行架空铺设前,为了确定倾角,先对法向直射辐射全年内每天的同一时刻的辐射强度进行统计,选取辐射强度最大的时间,以此时间计算其全年不同日期的太阳高度角和太阳方位角。之后通过每天的太阳高度角和倾角设定计算每天辐射在所设倾角平面分量的加和列关于倾角的函数,求使加和辐射最大的倾角,在推算出最佳太阳方位角。考虑架空面积时还考虑了要使天窗在最小太阳高度角和最大太阳高度角是都能不被遮挡在虚拟铺设面上留下一定透光面积。

第三问建设小屋时,首先考虑了屋顶在发电量上的贡献将比较大,对屋顶进行了最大面积选择,对占地面积也做出最大面积选择,并且选择朝向第二问选择的最佳太阳方位角。之后类似第一问处理对每种电池在每个面上单位面积的年发电量进行计算列表。对每个面的最优电池进行大致选择,按照所选电池对小屋长宽高进行列式,求出使发电量最大化的长宽高,再用问题一所用方法进行电池的铺设串并联和逆变器选择。最后计算总发电量,经济效益和单位发电量成本。

引言

一、问题背景

早 在20世纪下半叶,就有很多科学家一再提出警 告:世界能源的危机必将在21世纪出现。如何解救这一全球性的危机,当年科学家作出了种种设想,但一直没有定论。 目前全世界广泛使用的传统能源,主要是石油、煤炭、天然气,此外还有水能、风能、太阳能等等。即使不计入化工原料所需,仅按眼下世界能源消耗水平来测算,石油、煤炭、天然气等最多只能再用上六七十年就会彻底枯竭。到那时靠水力、风力是远远不能满足全世界工农业生产和人民生活对能源的所需。 石油、煤炭、天然气实质上是亿万年前地球储存的太阳能。这些经过漫长岁月积累的太阳能,大多数在最近的一二个世纪就被用光了,只剩下现有的太阳能及由其转变而来的风能、水能等,与人类的需求相比,数量上实在少得可怜,到那时可怎么呢? 大约在五六十年前,人类惊喜地发现依靠太阳能发电时个非常清洁、环保的获取能源的方式,。近年来,对于太阳能电池的研究和发展越来越成为解决当下能源危机的出路,于是人类开始了对太阳能电池发电进行不断地探索和尝试,相关应用中其中之一就是太阳能小屋的设计。

二、问题重述

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,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,研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。

在同一表面采用两种或两种以上类型的光伏电池组件时,同一型号的电池板可串联,而不同型号的电池板不可串联。在不同表面上,即使是相同型号的电池也不能进行串、并联连接。应注意分组连接方式及逆变器的选配。

。请参考附件提供的数据,对下列三个问题,分别给出小屋外表面光伏电池的铺设方案,使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,并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。

问题1:请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,请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,请为大同市重新设计一个小屋,要求画出小屋的外形图,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。

电池组件连接分组阵列(串并联情况分析)

问题分析

本问题主要是分析诸如太阳辐射强度、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)等客观和主观因素,进而研究和设计有关太阳能光伏电池在大同市某房屋上的最佳安装方案,用以使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,并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。

总体来讲,问题一要考虑这几个方面的因素:太阳一年内对山西大同市房屋各方向辐射强度的数据整理、光伏电池的选取、逆变器的选取问题电池组件连接分组阵列(串并联情况分析)、以及在各个房屋平面上的合理铺设方案。对问题二,由于多出了架空铺设这一因素,即在铺设中可以改变电池的朝向,角度,可以通过一年内太阳法向辐射强度的数据求出最佳太阳方位角和太阳高度角,而且架设时尽量不要挡住门窗。对问题三,房屋的朝向问题可以结合太阳方位角选择房屋的朝向,然后结合题目所给的约束条件来对房屋的尺寸进行最佳化设计以保障发电量最大化 。

搜索更多关于: 数学建模:太阳能小屋设计 的文档
数学建模:太阳能小屋设计.doc 将本文的Word文档下载到电脑,方便复制、编辑、收藏和打印
本文链接:https://www.diyifanwen.net/c6i0y32e8r2072if1yc89_1.html(转载请注明文章来源)
热门推荐
Copyright © 2012-2023 第一范文网 版权所有 免责声明 | 联系我们
声明 :本网站尊重并保护知识产权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果我们转载的作品侵犯了您的权利,请在一个月内通知我们,我们会及时删除。
客服QQ:xxxxxx 邮箱:xxxxxx@qq.com
渝ICP备2023013149号
Top