太阳能发电循环发电棚屋盖的优化设计

太阳能发电循环发电棚屋盖的优化设计

2012年全国大学生数模比b的主题显示了山西省大同的建筑面积。我们需要基于提供的气象数据以及不同类型的太阳能电池和逆变器，以及在屋顶和墙上安装太阳能电池板和逆变器的最佳设计。年发电总量尽可能大，单位发电成本尽量小。在这个限制下，我们必须自己设计太阳能装置。在这项工作中，我们建立了多个限制模型，并提出了最优电材布置方案、最优倾斜角度、最佳朝角和最合适的尺寸设计。1符号表明文章中所有的符号及所表示的意义见表1.2电池组件和变压器不能数字化1)每年的光辐射强度基本不变化;2)35年使用期内,各电池组件和逆变器不损坏,电价不变;3)架空安装电池板的成本忽略不计;4)逆变器的安装不占用小屋的外表面.3最合适的选择方法是涂层类型3.1日辐射强度核算由附件4大同市典型年气象数据,水平面总辐射强度、水平面散射强度、法向直射强度、东南西北向总辐射强度一年每天24个时刻的数据已给出,可对每一天的数据进行插值求出各辐射强度与时间之间的函数关系Q题中给出单晶硅和多晶硅电池光照阈值为80w/m对于屋顶斜面的日辐射量H其中H法相系数3.2最优铺设方案的确定由于电池组是刚性的无法折叠或剪切,故首先不考虑电池组的刚性特征.对东、南、西、北墙面及屋顶分别进行理论铺设,限制条件为铺设电池总面积小于等于被铺面有效铺设面积,每种电池组件的数量x将该双目标规划转化为单目标规划,建立收益额达最优的目标函数求解后可得各面最优电池板以及对应的最优铺设方案.3.3串并联保护模型将逆变器的最小投资作为目标函数,通过不断调节串并联来达到最优.限制条件为选用的逆变器符合电池组件总功率的要求及串并联电压的相关要求,建立如下模型:其中y3.4电池板铺设方案求解模型7,可得如下几种电池的性价比较高,见表2.经计算,北墙及背面屋顶效益为负数,故不铺设电池,各面铺设电池及逆变器花费总成本为19.5万元,35年发电总量为54.2万度,总收入为27.1万元,第25年收回投资.各墙面电池板具体铺设方案略.4在开放式模式下，选择最合适的电池方案4.1模型分析与建立由于太阳辐射强度与太阳的高度角及时间有关,可通过调节电池板的倾角β和朝向角γ来使得电池板接收的年太阳辐射总量最多,以得到最大发电量.首先建立以年发电量为目标函数的约束模型,模型为:可按如下迭代算法求倾角β和朝向角γ的最优解.算法1:(1)初始化γ(2)将γ(3)将β(4)求相对误差(5)若max{e(6)置迭代序号k+1→k,转向(3);(7)输出β(8)停止.4.2算法1一定收敛定理1对上述算法,有证明由文献[7]中,定理4.3.1,知上述算法1中若将约束优化求最大值模型(7)改为拉格朗日乘子法求最大值,则算法1一定收敛.约束规划中线性规划主要为单纯形法,凸集的单纯形法求解与拉格朗日乘子法迭代求解等价.非线性规划主要为线性逼近和罚函数法.线性逼近是将非线性规划变成线性规划使用单纯形法,罚函数法是在约束问题的拉格朗日函数中增加一个惩罚项,其本质还是使用拉格朗日乘子法.则迭代算法1与文献[9]定理4.3.1的条件相同,故迭代算法1亦有相同结论为收敛.4.3模型解决方案经lingo软件4.4分地区不同倾角的理论分析和模型求解若屋顶太阳能电池板采用架空方式则倾角可调整,可通过调整倾角使得每日接收到的太阳辐射总量达到最大,从而提高发电量.全国部分地区不同倾角和太阳日辐射量关系图见图1.理论上,根据太阳照射角度每天调整倾角可获得最大照射量,但这样代价太大且短期内太阳辐射角变化不大,可结合实际情况,间隔一段时间(例如每月)调整一次倾角.则只需将式(1)公式改为求解每月的太阳辐射总量,重新计算各面每月太阳辐射总量和月发电总量,代入模型(8)利用迭代算法1,求解即可得到每月的最优倾角.5独立设计和太阳能屋5.1模型分析将架空方式下优择方案中求出的最优倾角β式(8)中变量x为小屋长度,y为小屋宽度,h为小屋南墙高度,t5.2电池及变压器铺设方案求解得小屋的最优形状为长x=15m,宽y=3.5m,高h=2.8m.电池板及逆变器总成本为24.6万元,35年总收入为37.3万元,第23年收回投资.屋顶及南、西立面铺设电池及逆变器见表2.铺设方案略.6屋顶设计问题的解决方法太阳能光伏发电是新能源利用的重要领域,具有广阔的应用前景.本文分析了以山西大同地区某一典型房屋为背景的太阳能小屋的设计问题,给出了约束规划的求解方法,解决了最优电池、