太阳能建筑物外观及表面光伏组件铺设优化

尚 淼,张海搏,张 弛,顾伟东

(中国移动通信集团广东有限公司 南方基地,广东 广州 510000)

太阳能建筑物外观及表面光伏组件铺设优化

尚 淼,张海搏,张 弛,顾伟东

(中国移动通信集团广东有限公司 南方基地,广东 广州 510000)

针对太阳能建筑物外观图的设计及外表面太阳能光伏组件铺设优化问题,首先通过建立以建筑物5个外表面全年总辐射量最大为目标的单目标规划模型,并考虑建筑物的设计要求,基于模拟退火法给出了建筑物的外观设计图,并根据电池性能的优劣顺序及限制条件,利用贪心算法得到建筑物外表电池铺设方案,最后给出了这种方案下的投资收回年限及寿命期内的经济效益。

太阳能建筑物;外观设计;铺设方案;模拟退火法;贪心算法

照射在地球上的太阳能巨大,大约40 min照射在地球上的太阳能,便足以供全球一年的能量消费。太阳能发电被誉为是理想的能源,中国移动南方基地目前也大力推进“节能减排”战略,未来园区内规划了很多太阳能项目,但目前太阳能建筑还存在投资大,回收年限长等问题。

如何更高效地利用太阳能,太阳能建筑物的规格设计以及各表面光伏电池的铺设优化是关键。建筑物的三维尺寸、开窗设计、采光都要考虑到客观实际,不同种类[1]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等。因此,在太阳能建筑物的设计中,研究建筑物的设计及光伏电池在建筑物外表面的铺设优化是重要的问题。

1 模型描述与假定

1.1 模型描述

限定建筑物使用空间高度为:建筑屋顶最高点距地面高度≤5.4 m;室内使用空间最低净空高度距地面≥2.8 m;建筑总投影面积≤74 m2;建筑平面体型长边应≤15 m,最短边应≥3 m;建筑采光要求至少应满足窗地比≥0.2的要求;建筑节能要求应满足窗墙比南墙≤0.50、东西墙≤0.35、北墙≤0.30。建筑设计朝向可以根据需要设计,允许偏离正南朝向。

1.2 模型假定

(1)水平面总辐射强度、水平面散射辐射强度、中午时分的太阳高度角等气象数据参考北纬38°,东经112°的历年平均值。(2)本文假设光伏分组阵列采用固定安装方式,光伏组件不随阳光的移动而转动。(3)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[2]。(4)光伏分组阵列的端电压应满足逆变器直流输入电压范围,当电压低于其范围下限时,逆变器将停止运行,且光伏阵列的最大功率不能超过逆变器的额定容量[3]。

2 准备工作

光伏电池的寿命期为35年。所有光伏组件在0～10年效率按100%计算,10～25年按90%折算,25年后按80%折算。从而可计算出,光伏电池的折算寿命期n=10×1+15×0.9+10×0.8=31.5 年。

由文献[4]可知,对于某一倾角固定安装的光伏分组阵列,所接受的太阳辐射强度与其倾角有关,较为简便的总辐射强度计算经验公式为

Ri,β=Si·[sin(αi+β)/sinαi]+Di

(1)

其中,Ri,β为第i日倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射强度;Si为第i日,水平面总辐射强度;Di为第i日水平面散射辐射强度;αi为第i日中午时分的太阳高度角;β为光伏阵列的倾角。

表1 前、后两顶面的全年总辐射强度[5] W/m2

表2 四面的年总辐射强度表 W/m2

结合各类型的光伏电池单价、面积及与之匹配的逆变器单价,各型号电池单位表面积上产生的经济效益排序表,如表3所示。

表3 单位电池表面积上产生的经济效益表

以单位表面积上的经济效益来衡量电池的性能优劣。观察上述经济效益表,不难发现C1型号的电池性能最佳,其次考虑性能较优的C5、C3、C2、C4型号电池。其中C1与逆变器SN12的最优组合是:1个SN12对应22个C1。

3 模型建立与求解

3.1 全年总辐射量最大目标规划

根据建筑物的建筑要求设计建筑物的外观图,通过建立以建筑物5个外表面全年总辐射量最大为目标,以建筑物的空间高度限制、建筑采光要求、建筑节能要求为约束,以建筑物的室内空间最低净空高度和屋顶的净高度为决策变量的单目标规划模型。

由表1和表2可知各面的总辐射强度,其中北面、东面的辐射强度较弱;结合光伏电池组件的价格可知在屋顶面、南面、西面铺设光伏电池的经济效益为正,而北面、东面为负,因此北、东两面不再铺设光伏组件。所以应将开窗设计在北面和东面两面光强较弱、经济效益较低的墙面上,考虑到客观实际,如能满足建筑要求,应尽可能将开窗设计在东面。

所建立的模型如式(2)所示

maxP=S顶·Rβ+S西·R西+S南·R南

(2)

(3)

图1 建筑物的外形图

3.2 建筑物的优化铺设方案的确定

利用贪心算法[5]进行电池铺设的操作细节:(1)将电池性能进行排序。(2)从中选取获取经济效益最大的组合进行初步铺设。(3)考虑电池组合的表面积与小屋各表面面积限制,当剩余面积不能使用最优电池组合排列时,使用满足条件的次优组合对该表面进行后续铺设,依次类推。若组剩余面积不能完全容纳该组合,则根据经济效益大小取舍。例如,剩余面积还能容纳n块电池但仍需配备相应的逆变器,若n块电池的效益小于电池及逆变器成本和,则剩余面积不再铺设光伏组件。(4)该面铺设结束后,转移到其他面。

在铺设时还要考虑以下因素:(1)考虑电池和逆变器电压和功率的限制:电池组的总功率小于等于逆变器的输入额定功率。(2)由于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。因此应注意分组连接方式及逆变器的选配。利用贪心算法得到建筑物外表电池铺设方案确定出各外表面的优化铺设方案,如表4所示。

表4 不同外表面对应的分组阵列铺设方案

由表4可知,建筑物的屋顶面需要两组“分组阵列”,即44块C1电池以及2块SN12逆变器;南面需要52块C1电池以及2块SN12逆变器、1块SN11逆变器;西面需要10块C1电池以及1块SN11逆变器。铺设的分组阵列图形,如图2～图4所示。

图2 屋顶面铺设的分组阵列图形

图3 南面铺设的分组阵列图形

图4 西面铺设的分组阵列图形

设居民用电价格为0.5元/kW·h,结合文献[5]的方法计算得到,各外表面的发电总量、投资情况,如表5所示。

表5 光伏电池寿命期内各面的发电量与投资情况

4 结束语

本文建立了以建筑物的3个正经济效益表面总辐射量最大为目标的目标函数,以建筑设计要求为约束的单目标规划模型,利用模拟退火算法得到建筑物外形为长15 m,宽4.93 m,高5.4 m的长方体。利用贪心算法得到建筑物外表电池铺设方案为:屋顶面需架空铺设C1型电池44块、SN12型逆变器2块;南面需架空铺设C1型电池52块、SN12型逆变器2块、SN11型逆变器1块;西面需贴附铺设C1型电池10块、SN11型逆变器1块。寿命期内的发电总量为416 251 kW·h,经济效益为120 646元,实际回收年限为13.6年。

[1] 张利.光伏电池特性的研究[D]保定:华北电力大学,2008.

[2] 崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].北京:化学工业出版,2007.

[3] 郭亚男.太阳能发电并网系统的研究[D].兰州:兰州理工大学,2008.

[4] 张海博,张驰,顾伟东,等.基于贪婪算法的小型楼宇太阳能系统优化设计[J].电子科技,2015,28(2):68-70.

[5] 谢世龙,张海博,张驰,等.基于模拟退火法的光伏阵列铺设倾角的确定[J].电子科技,2015,28(3):148-150.

Optimization of Solar Building Appearance and Surface Photovoltaic Component Laying

SHANG Miao,ZHANG Haibo,ZHANG Chi,GU Weidong

(South Base,CMCC Guangdong Co.Ltd.,Guangzhou 510000,China)

This paper focuses on the design of the solar building appearance and the optimization of the photovoltaic array laying scheme.First,by establishing a model to achieve the maximum radiation of the five outer surface of the building and using a simulated annealing method,the appearance design is presented with the consideration of the building design requirements.Second,according to the superior order and the constraints of the battery performance,the battery laying scheme of the building appearance is proposed by using a greedy algorithm.Finally,the investment payback period and the economic benefits in the lifetime are given.

solar building;appearance design;laying scheme;simulated annealing algorithm;greedy algorithm

2014- 08- 19

广东省科技厅低碳科技重大专项基金资助项目(2012A010800032)

尚淼(1981—),女,硕士。研究方向:人力资源管理。张弛(1990—),男,硕士研究生。研究方向:计算机科学与技术。顾伟东(1990—),男,硕士研究生。研究方向:计算机科学与技术。

张海搏(1987—),男,硕士。研究方向:应用数学概率论与数理统计。E-mail:zhanghaibo0514@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.047

S214.3

A

1007-7820(2015)04-176-04