太陽能建筑物外觀及表面光伏組件鋪設優化

尚 淼,張海搏,張 弛,顧偉東

(中國移動通信集團廣東有限公司 南方基地,廣東 廣州 510000)

太陽能建筑物外觀及表面光伏組件鋪設優化

尚 淼,張海搏,張 弛,顧偉東

(中國移動通信集團廣東有限公司 南方基地,廣東 廣州 510000)

針對太陽能建筑物外觀圖的設計及外表面太陽能光伏組件鋪設優化問題,首先通過建立以建筑物5個外表面全年總輻射量最大為目標的單目標規劃模型,并考慮建筑物的設計要求,基于模擬退火法給出了建筑物的外觀設計圖,并根據電池性能的優劣順序及限制條件,利用貪心算法得到建筑物外表電池鋪設方案,最后給出了這種方案下的投資收回年限及壽命期內的經濟效益。

太陽能建筑物;外觀設計;鋪設方案;模擬退火法;貪心算法

照射在地球上的太陽能巨大,大約40 min照射在地球上的太陽能,便足以供全球一年的能量消費。太陽能發電被譽為是理想的能源,中國移動南方基地目前也大力推進“節能減排”戰略,未來園區內規劃了很多太陽能項目,但目前太陽能建筑還存在投資大,回收年限長等問題。

如何更高效地利用太陽能,太陽能建筑物的規格設計以及各表面光伏電池的鋪設優化是關鍵。建筑物的三維尺寸、開窗設計、采光都要考慮到客觀實際,不同種類[1]的光伏電池每峰瓦的價格差別很大,且每峰瓦的實際發電效率或發電量還受諸多因素的影響,如太陽輻射強度、光線入射角、環境、建筑物所處的地理緯度等。因此,在太陽能建筑物的設計中,研究建筑物的設計及光伏電池在建筑物外表面的鋪設優化是重要的問題。

1 模型描述與假定

1.1 模型描述

限定建筑物使用空間高度為:建筑屋頂最高點距地面高度≤5.4 m;室內使用空間最低凈空高度距地面≥2.8 m;建筑總投影面積≤74 m2;建筑平面體型長邊應≤15 m,最短邊應≥3 m;建筑采光要求至少應滿足窗地比≥0.2的要求;建筑節能要求應滿足窗墻比南墻≤0.50、東西墻≤0.35、北墻≤0.30。建筑設計朝向可以根據需要設計,允許偏離正南朝向。

1.2 模型假定

(1)水平面總輻射強度、水平面散射輻射強度、中午時分的太陽高度角等氣象數據參考北緯38°,東經112°的歷年平均值。(2)本文假設光伏分組陣列采用固定安裝方式,光伏組件不隨陽光的移動而轉動。(3)在同一表面采用兩種或兩種以上類型的光伏電池組件時,同一型號的電池板可串聯,而不同型號的電池板不可串聯。在不同表面上,即使是相同型號的電池也不能進行串、并聯連接[2]。(4)光伏分組陣列的端電壓應滿足逆變器直流輸入電壓范圍,當電壓低于其范圍下限時,逆變器將停止運行,且光伏陣列的最大功率不能超過逆變器的額定容量[3]。

2 準備工作

光伏電池的壽命期為35年。所有光伏組件在0～10年效率按100%計算,10～25年按90%折算,25年后按80%折算。從而可計算出,光伏電池的折算壽命期n=10×1+15×0.9+10×0.8=31.5 年。

由文獻[4]可知,對于某一傾角固定安裝的光伏分組陣列,所接受的太陽輻射強度與其傾角有關,較為簡便的總輻射強度計算經驗公式為

Ri,β=Si·[sin(αi+β)/sinαi]+Di

(1)

其中,Ri,β為第i日傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射強度;Si為第i日,水平面總輻射強度;Di為第i日水平面散射輻射強度;αi為第i日中午時分的太陽高度角;β為光伏陣列的傾角。

表1 前、后兩頂面的全年總輻射強度[5] W/m2

表2 四面的年總輻射強度表 W/m2

結合各類型的光伏電池單價、面積及與之匹配的逆變器單價,各型號電池單位表面積上產生的經濟效益排序表,如表3所示。

表3 單位電池表面積上產生的經濟效益表

以單位表面積上的經濟效益來衡量電池的性能優劣。觀察上述經濟效益表,不難發現C1型號的電池性能最佳,其次考慮性能較優的C5、C3、C2、C4型號電池。其中C1與逆變器SN12的最優組合是:1個SN12對應22個C1。

3 模型建立與求解

3.1 全年總輻射量最大目標規劃

根據建筑物的建筑要求設計建筑物的外觀圖,通過建立以建筑物5個外表面全年總輻射量最大為目標,以建筑物的空間高度限制、建筑采光要求、建筑節能要求為約束,以建筑物的室內空間最低凈空高度和屋頂的凈高度為決策變量的單目標規劃模型。

由表1和表2可知各面的總輻射強度,其中北面、東面的輻射強度較弱;結合光伏電池組件的價格可知在屋頂面、南面、西面鋪設光伏電池的經濟效益為正,而北面、東面為負,因此北、東兩面不再鋪設光伏組件。所以應將開窗設計在北面和東面兩面光強較弱、經濟效益較低的墻面上,考慮到客觀實際,如能滿足建筑要求,應盡可能將開窗設計在東面。

所建立的模型如式(2)所示

maxP=S頂·Rβ+S西·R西+S南·R南

(2)

(3)

圖1 建筑物的外形圖

3.2 建筑物的優化鋪設方案的確定

利用貪心算法[5]進行電池鋪設的操作細節:(1)將電池性能進行排序。(2)從中選取獲取經濟效益最大的組合進行初步鋪設。(3)考慮電池組合的表面積與小屋各表面面積限制,當剩余面積不能使用最優電池組合排列時,使用滿足條件的次優組合對該表面進行后續鋪設,依次類推。若組剩余面積不能完全容納該組合,則根據經濟效益大小取舍。例如,剩余面積還能容納n塊電池但仍需配備相應的逆變器,若n塊電池的效益小于電池及逆變器成本和,則剩余面積不再鋪設光伏組件。(4)該面鋪設結束后,轉移到其他面。

在鋪設時還要考慮以下因素:(1)考慮電池和逆變器電壓和功率的限制:電池組的總功率小于等于逆變器的輸入額定功率。(2)由于在同一表面采用兩種或兩種以上類型的光伏電池組件時,同一型號的電池板可串聯,而不同型號的電池板不可串聯。在不同表面上,即使是相同型號的電池也不能進行串、并聯連接。因此應注意分組連接方式及逆變器的選配。利用貪心算法得到建筑物外表電池鋪設方案確定出各外表面的優化鋪設方案,如表4所示。

表4 不同外表面對應的分組陣列鋪設方案

由表4可知,建筑物的屋頂面需要兩組“分組陣列”,即44塊C1電池以及2塊SN12逆變器;南面需要52塊C1電池以及2塊SN12逆變器、1塊SN11逆變器;西面需要10塊C1電池以及1塊SN11逆變器。鋪設的分組陣列圖形,如圖2～圖4所示。

圖2 屋頂面鋪設的分組陣列圖形

圖3 南面鋪設的分組陣列圖形

圖4 西面鋪設的分組陣列圖形

設居民用電價格為0.5元/kW·h,結合文獻[5]的方法計算得到,各外表面的發電總量、投資情況,如表5所示。

表5 光伏電池壽命期內各面的發電量與投資情況

4 結束語

本文建立了以建筑物的3個正經濟效益表面總輻射量最大為目標的目標函數,以建筑設計要求為約束的單目標規劃模型,利用模擬退火算法得到建筑物外形為長15 m,寬4.93 m,高5.4 m的長方體。利用貪心算法得到建筑物外表電池鋪設方案為:屋頂面需架空鋪設C1型電池44塊、SN12型逆變器2塊;南面需架空鋪設C1型電池52塊、SN12型逆變器2塊、SN11型逆變器1塊;西面需貼附鋪設C1型電池10塊、SN11型逆變器1塊。壽命期內的發電總量為416 251 kW·h,經濟效益為120 646元,實際回收年限為13.6年。

[1] 張利.光伏電池特性的研究[D]保定:華北電力大學,2008.

[2] 崔容強,趙春江,吳達成.并網型太陽能光伏發電系統[M].北京:化學工業出版,2007.

[3] 郭亞男.太陽能發電并網系統的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2008.

[4] 張海博,張馳,顧偉東,等.基于貪婪算法的小型樓宇太陽能系統優化設計[J].電子科技,2015,28(2):68-70.

[5] 謝世龍,張海博,張馳,等.基于模擬退火法的光伏陣列鋪設傾角的確定[J].電子科技,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

廣東省科技廳低碳科技重大專項基金資助項目(2012A010800032)

尚淼(1981—),女,碩士。研究方向:人力資源管理。張弛(1990—),男,碩士研究生。研究方向:計算機科學與技術。顧偉東(1990—),男,碩士研究生。研究方向:計算機科學與技術。

張海搏(1987—),男,碩士。研究方向:應用數學概率論與數理統計。E-mail:zhanghaibo0514@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.047

S214.3

A

1007-7820(2015)04-176-04