第七章 !!!!!!!!!!!!!!王雅峰-欧阳郁汀-柳扬清 所给电池为太阳能电池板.pdf

摘要 本文旨在优选光伏电池板的铺设方案。对于太阳能小屋外表面的光伏电池板 的铺设，要求总发电量尽可能大而单位发电量的费用尽可能小，这是一个典型的 多目标优化问题，鉴于多目标优化问题的复杂性与实现难度，本文利用权重法， 协调两者，将多目标规划问题转化为单目标规划问题。通过求解单目标规划来获 得比较合理的铺设方案。 对两个独立的指标进行标准化，消除量纲的影响，通过正互反矩阵获得权值， 利用加权系数法将多目标规划问题转化为单目标规划问题，以此来对光伏电池板 和和逆变器的进行优化选择装配。考虑规划的约束条件时，主要从功率、电压的 限制、特定几何形状平面内可填充矩形电池板的数量方面进行约束。考虑矩形填 充时分析面积利用率，考虑几种典型的排布方式通过组合排布获得数量最大值。 在处理可架空安装的情况时，由于光伏电板的的架空会导致光伏电板之间的太阳 光遮挡，很难对这种遮挡情况限定约束条件，定义“面积扩张因子”的概念进行 辅助分析。“面积扩张因子”即在最佳倾角条件下架空安装的光伏电板在全年内 最大的遮挡范围与该光伏电板本身的实际面积的比值。通过该因子可巧妙地化简 复杂的遮挡问题的处理，直接将光伏电板架空条件下的安装问题转化为仅用贴附 安装方式的优化选配问题，大大减小了解题的复杂性。 经过规划软件的计算及后期人工的微调，最终获得了较合理小屋外表面的铺 设方案：问题一中结果为东西立面、南立面及向南倾伏的顶面进行铺设，而北立 面和向北倾伏的顶面不铺设，最终得到整体的单位发电量的成本约为 0.27 元 /kWh，小于民用电价0.5 元/kWh，并可以在约18 年后收回成本；问题二中东西 立面仍采用贴附安装方式，南立面及向南倾伏的顶面均采用向南朝向、倾角为 38.4 的最佳倾角的架空铺设方案，北立面及向北倾伏的顶面仍然不进行铺设， 最终得到整体的单位发电量成本再次降低至约为0.23 元/kWh，小于民用电价0.5 元/kWh，并可以在更短的时间约15 年后收回成本；对于问题三，在既考虑房屋 的建筑要求，又兼顾到该地区的气象特征，以及问题二中分析得到的最佳朝向及 倾角的条件下进行房屋设计，在增大房屋外表面积，平面尺寸的选择，门窗合理 布置，朝向合理选择等方面进行反复推敲。经过与问题二的类似优化计算后，最 终得到整体的单位发电量成本降低至更低水平，约0.17 元/kWh，35 年总利润可 达281785 元，并可以在约13 年后收回成本。模型最终总体上得到了令人满意的 结果，实现了问题所要求的两个指标。但由于在规定两目标权重时，将目标“单 位发电量的费用尽可能小”的权重设计得相对较大，因此所得结果更侧重于单位 发电量费用尽可能小，而总的发电量尽可能大的目的体现得相对较弱。模型目标 函数的设计导致总利润并不能达到最高，这仅与权重的分配有关，不影响模型的 正确性。 关键字：多目标规划 加权系数法 几何图形填充 面积扩张因子 1 问题提出 以太阳能发电为背景，对所给小屋外表面进行铺设光伏电池，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，需要对小屋外表面光伏电池进行优化铺设。 题目要求根据附件提供的资料及数据，在满足各种限定条件下，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及对应的铺设分组阵列图形及组 件连接方式，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