20xx年全国赛b题优秀论文太阳能小屋的设计(编辑修改稿)

20xx年全国赛b题优秀论文太阳能小屋的设计(编辑修改稿)内容摘要：

每天的下午，西墙受到太阳直射，其总辐射强度增大很多。 而且在每天的 17 时， 西墙受到的总辐射强度异常强烈。 所以西墙每年受到的太阳辐射量很大。 而且西 墙是一整块墙壁，没有门窗的限制。 因此，在西墙应尽量铺满光伏电池组件。 通 过将所有电池组件组合西向铺设并按其单位面积收益排序后，得到下表所示的数 据（ 仅 列出排序在前的部分数据） 表 7 西墙铺设方案表 逆变器 电池 串联个数 并联个数 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面积 (m2) 12 14 2 8 12 14 2 7 12 16 3 5 11 16 3 3 12 15 4 6 11 14 2 4 由表中数据可知，第一列所示的电池组件组合可以达到最高的盈利，但是这种组合方式在西墙的铺设过程中是不能实现的。 而第二列所示的电池组件组合虽然在盈利有所降低，但其占用面积较小，可以在西 墙实现其安装铺设。 所以，在西墙的光伏电池组件铺设方案选择型号为 SN12 的逆变器，型号为 C1的光伏电池组件，其连接方式为共 8 条并联支路，每条支路上串联 2 各电池组件。 最终在 35 年内，共盈利 元。 具体的安装铺设图和联接方式图列如下图所示。 C2 C2 C2 C2 C2 C2 C2 C2 SN11 12 图 2 西墙太阳板铺设图（上图）和电池组件联接图（下图） 由于大同处于北半球的北回归线以北，所以太阳的直射点终年都不会位于其北边。 因此，这里房屋的北墙始终接受不到太阳的直射，其接受的太阳总辐射量即为其接受的散射辐射量。 由此可知，北墙 的总辐射强度始终处于一个较低的水平。 通过将所有电池组件组合北向铺设并按其单位面积收益排序后，得到下表所示的数据（ 仅 列出排序在前的部分数据） 表 8北墙铺设方案表 逆变器 电池 串联个数 并联个数 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面积 (m2) SN12 20 23 14 4 20 5 68 4 20 5 67 4 20 5 66 12 20 22 14 12 23 11 11 由表中数据可以观察出，任意的电池组件组合铺设到北向墙面上后，在 35 年内其亏损均高达 8000 元之多，所以为避免出现此类较大的亏损，北墙不铺设光伏电池阵列。 13 南向屋顶由于其在整个日出到日落时间段都有阳光直射，所以南向屋顶受到的太阳辐射量最大。 所以在南向屋顶要尽可能铺设电池组件阵列。 通过将所有 电池组件组合屋顶铺设并按其单位面积收益排序后，得到下表所示的数据（列出排序在前的部分数据） 表 9 南向屋顶铺设方案表 逆变器 电池 串联个数 并联个数 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面积 (m2) 15 8 6 4 15 7 7 4 15 8 5 4 15 7 6 4 12 8 6 1 14 14 2 20 由表中数据可知，第一列所示的电池组件组合可以达到最高的盈利，但是这种组合方式在南向屋顶的铺设过程中是不能实现的。 而第二列所示的电池组件组合虽然在盈利有所降低，但其占用面积较小，可以在南向屋顶实现其安装铺设。 所以，在南向屋顶的光伏电池组件铺设方案选择型号为 SN15 的逆变器，型号为 B1的光伏电池组件，其连接方式为共 4 条并联支路，每条支路上串联 7 个电池组件。 最终在 35 年内，共盈利 元。 具体 的安装铺设图和联接方式图列如下图。 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1 B 1S N1 5B 1B 7 B 7 B 7B 7S N 1 2B 7 图 3 南向屋顶 太阳板铺设图（上图）和电池组件联接图（下图） 通过将所有电池组件组合北向屋顶铺设并按其单位面积收益排序后，得到下表所示的数据（列出排序在前的部分数据） 14 表 10 北向屋顶铺设方案表 逆变器 电池 串联个数 并联个数 35 年盈利 (元 ) 每平米盈利 (元 ) 所占面积 (m2) 11 14 2 4 11 15 4 3 3 15 1 14 3 15 1 13 11 14 2 3 11 18 2 3 由表中数据可知，可实现最大盈利的电池组件组合恰好可以很好的安装铺设于北向屋顶。 因此北向屋顶的光伏电池组件铺设方案为：型号为 SN11 的逆变器，型号为 C1的光伏电池组件，其连接方式为共 4 条并联支路，每条支路上串联 2 个电池组件。 最终在 35 年内， 共盈利 元。 具体的安装铺设图和联接方式图列如下图。 C 1 C 1C 1C 1C 1C 1C 1C 1S N 1 1 图 4 北向屋顶 太阳板铺设图（上图）和电池组件联接图（下图） 在依照以上铺设方案对太阳小屋进行铺设后各面墙体及屋顶在 35 年之内的发电量、成本及盈利情况如下表所示 表 9 贴附式铺设结果 指标 设备成本（元） 总发电量 （千瓦时） 回收年限 总盈利 （元） 单位发电量成本 （元） 南墙 15057 — 798 西墙 13620 37989 — 5375 南向屋顶 137275 — 59973 北向屋顶 8340 — 总体 由表中的数据可知，依此方案铺设太阳小屋，则在 35 年内，总发电量可达 千瓦时，总盈利为 元，单位面积收益为 元。 架空式安装 15 在之前的光伏电池组件贴附 式安装分析过程中，太阳辐射到电池组件表面的能量始终是影响电池组件发电量大小的重要影响因素。 而太阳辐射到电池组件表面的总能量和光线与电池板的夹角有直接关系。 在贴附式安装设计中，光伏电池组件安装的倾斜角和方位角是根据房屋自身的结构和方位决定的。 因此，在贴附式安装设计中，电池板的倾斜角和方位角并不能使其处于接受太阳辐射能量的最佳角度。 而在架空式安装设计中，电池板的安装角度可以不受房屋墙面的影响。 所以在架空式设计中，可以调节每一个光伏电池组件的倾斜角和方位角，使其可以最大限度地接受太阳辐射能量。 下面， 主要分析在大同市当地，如何确定倾斜面的最佳倾斜角和方位角使其接受太阳辐射能量最大。 在贴附式设计中，我们计算得到一个倾斜面的倾斜角和其接受辐射量的关系公式。 但要从计算公式中直接求得对应最大太阳总辐射量的倾斜面倾角非常复杂繁琐。 而通过分析已知的条件可知，在从秋分日到次年的春分日的冬半年中，太阳辐射的直射点在南半球，即太阳赤纬为负值。 已知大同的纬度为  ，则有   。 因此，倾斜面上日出时 角 st 和水平面上日出时角 s 相等。 这时便可以直接推导出最佳倾斜角的数学表达式。 在北半球的冬半年，已知 st = s ，于是，倾斜角为  的倾斜面上的太阳总辐射强度的计算公式可改写为： )co s1)((2)( 0000  bdbdbb IIIIRI IIII 41 对于大同这一确定 的地理位置，其太阳辐射量为常值，所以将斜面接受的太阳辐射强度 I 对倾斜角  求导，并且令 0ddI ，可得： )()/1(2 s i n 000 bdbdb IIIIIIIddR   42 同时将 bR 对倾斜角  求导，可得： 1)s i ns i n180s i nco s( co s]s i n)co tco s( s i n180s i nco s)co sco t[ ( s i ns i nddR b 43 将  t ant anco s  代入上式 43，可以得出最佳的倾斜角为： ])180( t ant an180t ant an1)1()1(22ar ct an [200IIIIIIIIIIIIbbbbbbb 44 对于春分日到当年的秋分日，即北半球的夏半年，倾斜面上日出时角 st 和水平面上日出时角 s 不相等。 由于计算极其复杂，所以确切简明的计算公式难以求得。 但是实际情况显示出，夏半年的最佳倾斜角接近于 0， 有时还会变为负值，所以有冬半年的 16 计算公式求出的值仍有一定的借鉴意义。 当然，除了用于求得全年平均接受太阳最大辐射量所对应的倾斜角，还可以算出每个月所对应的倾斜角。 可知，在冬季，最佳倾斜角的值较大，而夏天的值偏小，往往接近于 0，有的甚至为负值。 因此，可根据需要每个月进行倾斜角调整以接受最强的太阳辐射强度。 关于倾斜面接受最大太阳辐射强度所对应的最佳方位角的确定，可以采用对太阳辐射强度关于方位角的表达式求导得出其最佳方位角的值。 但这是一个超然函数，其计算极其复杂。 而且求导对于安装倾角为 负的情况而言，结果失真必较严重。 因此，鉴于以上考虑，本文采用步进对比的方法可以较精确的确定最佳方位角。 确定最佳方位角的步进对比方法的计算步骤为：在方位角的  180~180 的取值区间内，取每 1 为一个步进值，以之前建立的太阳辐射强度关于方位角的表达式为依据，通过软件仿真进行计算，取太阳辐射强度最大值所对应的方位角为最佳方位角。 针对本题中太阳小屋所处的地理位置，通过上述分析得到的公式，利用 MATLAB 软件仿真计算，得 到面向正南的倾斜面在倾斜角和方位角不同时，其接受到的太阳辐射强度的变化情况（如下图所示）。 由图中的倾斜面接受的全年总辐射强度随倾斜面的倾斜角及方位角变化曲线可以看出，倾斜角和方位角太大或太小均会导致倾斜面接收到的太阳辐射强度降低，而当倾斜角为 32 ，方位角为 20 时，全年总辐射强度达到最大值。 所以若光伏电池组件安装后不再修正其角度，则组件接受最大年辐射强度对应的最佳倾斜角为 32 ，最佳 方位角为 20。 在 已知全年太阳辐射强度最大值对应的最佳倾斜角和最佳方位角情况下，架空式的铺设方案要通过改变贴附式电池组件阵列的倾斜角和方位角达到提高太阳能利用率。 首先，在屋顶上，光伏电池组件阵列的安装角度可以任意改变，所以在之前贴附式安装设计的基础上，将每一个光伏电池组件的与水平面的夹角设置为 32 ，并将其方位角设置为 20。 这种设置可以使屋顶的电池组件在以一年为周 期的时间里，其所接受的太阳辐射总强度达到最大值。 而在墙体上安装的光伏电池的安装倾斜角改变比较受限制，而且墙体上安装的光伏电池改变其倾斜角和方位角后，考虑到在实际应用中会占用较大的空间，造成一定的不方便，所以墙体上的光伏电池安装铺设方法仍然沿用贴附式安装的设计方案。 因此在分析盈利问题时，四面墙体的总发电量和设备成本保持不变。 而只有屋顶的铺设有所改变，即铺设方式不变，而只是将光伏电池组件的倾斜角和方位角做出一定的改变。 所以当屋顶铺设的电池组件的倾斜角为最佳倾斜角 32 ，其方位角为最佳方位角20 时，屋顶在 35 年内的发电量、成本及盈利情况如下表所示。 表 10 架空式铺设结果 指标 设备成本 总发电量 回收年限 总盈利 单位发电量层本 （元） 17 （元） （千瓦时） （年） （元） 南墙 15057 — 798 西墙 13620 37989 — 5375 屋顶 137275 — 95332 总体 101505 由表中数据可知，当采用架空式铺设方法时，在 35 年内，总发电为 534939 千瓦时，总盈利为 101505 元，单位发电量成本为 元。 与贴附式设计方案相比，总发电量增加 %，总盈利增加 %，而单位发电量的成本比原来降低 %。 所以从两种铺设方式的结果对比可以发现，架空式铺设方式比贴附式的铺设方式有明显的优势。 在一年中随着时间的变化，太阳的直射纬度会不断变化，即赤纬角会不断改变。 因此，对于一个确定的地理位置，其接受太阳辐射最大值所对应的最佳倾斜角和方位角也会随 之改变。 所以，本文分析了每个季度中倾斜面接受的太阳辐射强度随倾斜面的倾斜角和方位角不同的变化规律。 不同季节中，最佳倾斜角及最佳方位角的取值是均不相同。 夏季由于太阳的直射点位于北半球，太阳的高度角相对较高，所以倾斜面的最佳倾斜角值是四季中最小的；而冬季正好相反，较低的太阳高度角导致最佳倾斜角值偏大。 因此，若安装后的光伏电池组件阵列的安装角度仍可以改变，则为了获得更大的太阳辐射强度，可以根据上每个季度对应的最佳倾斜角和方位角对电池组件阵列进行调整，使其以最佳角度接受太阳辐射。 为了更精确地提高光伏电池接受太阳辐 射能量，将电池板接受的最大太阳辐射强度所对应的最佳倾斜角和。