尚 淼,張海搏,張 弛,顧偉東

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 南方基地,廣東 廣州 510000)

太陽(yáng)能建筑物外觀及表面光伏組件鋪設(shè)優(yōu)化

尚 淼,張海搏,張 弛,顧偉東

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 南方基地,廣東 廣州 510000)

針對(duì)太陽(yáng)能建筑物外觀圖的設(shè)計(jì)及外表面太陽(yáng)能光伏組件鋪設(shè)優(yōu)化問(wèn)題,首先通過(guò)建立以建筑物5個(gè)外表面全年總輻射量最大為目標(biāo)的單目標(biāo)規(guī)劃模型,并考慮建筑物的設(shè)計(jì)要求,基于模擬退火法給出了建筑物的外觀設(shè)計(jì)圖,并根據(jù)電池性能的優(yōu)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(shè)方案,最后給出了這種方案下的投資收回年限及壽命期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)能建筑物;外觀設(shè)計(jì);鋪設(shè)方案;模擬退火法;貪心算法

照射在地球上的太陽(yáng)能巨大,大約40 min照射在地球上的太陽(yáng)能,便足以供全球一年的能量消費(fèi)。太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源,中國(guó)移動(dòng)南方基地目前也大力推進(jìn)“節(jié)能減排”戰(zhàn)略,未來(lái)園區(qū)內(nèi)規(guī)劃了很多太陽(yáng)能項(xiàng)目,但目前太陽(yáng)能建筑還存在投資大,回收年限長(zhǎng)等問(wèn)題。

如何更高效地利用太陽(yáng)能,太陽(yáng)能建筑物的規(guī)格設(shè)計(jì)以及各表面光伏電池的鋪設(shè)優(yōu)化是關(guān)鍵。建筑物的三維尺寸、開(kāi)窗設(shè)計(jì)、采光都要考慮到客觀實(shí)際,不同種類(lèi)[1]的光伏電池每峰瓦的價(jià)格差別很大,且每峰瓦的實(shí)際發(fā)電效率或發(fā)電量還受諸多因素的影響,如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光線(xiàn)入射角、環(huán)境、建筑物所處的地理緯度等。因此,在太陽(yáng)能建筑物的設(shè)計(jì)中,研究建筑物的設(shè)計(jì)及光伏電池在建筑物外表面的鋪設(shè)優(yōu)化是重要的問(wèn)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(diǎn)距地面高度≤5.4 m;室內(nèi)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(zhǎng)邊應(yīng)≤15 m,最短邊應(yīng)≥3 m;建筑采光要求至少應(yīng)滿(mǎn)足窗地比≥0.2的要求;建筑節(jié)能要求應(yīng)滿(mǎn)足窗墻比南墻≤0.50、東西墻≤0.35、北墻≤0.30。建筑設(shè)計(jì)朝向可以根據(jù)需要設(shè)計(jì),允許偏離正南朝向。

1.2 模型假定

(1)水平面總輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度、中午時(shí)分的太陽(yáng)高度角等氣象數(shù)據(jù)參考北緯38°,東經(jīng)112°的歷年平均值。(2)本文假設(shè)光伏分組陣列采用固定安裝方式,光伏組件不隨陽(yáng)光的移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)在同一表面采用兩種或兩種以上類(lèi)型的光伏電池組件時(shí),同一型號(hào)的電池板可串聯(lián),而不同型號(hào)的電池板不可串聯(lián)。在不同表面上,即使是相同型號(hào)的電池也不能進(jìn)行串、并聯(lián)連接[2]。(4)光伏分組陣列的端電壓應(yīng)滿(mǎn)足逆變器直流輸入電壓范圍,當(dāng)電壓低于其范圍下限時(shí),逆變器將停止運(yùn)行,且光伏陣列的最大功率不能超過(guò)逆變器的額定容量[3]。

2 準(zhǔn)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(jì)算,10～25年按90%折算,25年后按80%折算。從而可計(jì)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(xiàn)[4]可知,對(duì)于某一傾角固定安裝的光伏分組陣列,所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與其傾角有關(guān),較為簡(jiǎn)便的總輻射強(qiáng)度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)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(yáng)能總輻射強(qiáng)度;Si為第i日,水平面總輻射強(qiáng)度;Di為第i日水平面散射輻射強(qiáng)度;αi為第i日中午時(shí)分的太陽(yáng)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(qiáng)度[5] W/m2

表2 四面的年總輻射強(qiáng)度表 W/m2

結(jié)合各類(lèi)型的光伏電池單價(jià)、面積及與之匹配的逆變器單價(jià),各型號(hào)電池單位表面積上產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益排序表,如表3所示。

表3 單位電池表面積上產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益表

以單位表面積上的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)衡量電池的性能優(yōu)劣。觀察上述經(jīng)濟(jì)效益表,不難發(fā)現(xiàn)C1型號(hào)的電池性能最佳,其次考慮性能較優(yōu)的C5、C3、C2、C4型號(hào)電池。其中C1與逆變器SN12的最優(yōu)組合是:1個(gè)SN12對(duì)應(yīng)22個(gè)C1。

3 模型建立與求解

3.1 全年總輻射量最大目標(biāo)規(guī)劃

根據(jù)建筑物的建筑要求設(shè)計(jì)建筑物的外觀圖,通過(guò)建立以建筑物5個(gè)外表面全年總輻射量最大為目標(biāo),以建筑物的空間高度限制、建筑采光要求、建筑節(jié)能要求為約束,以建筑物的室內(nèi)空間最低凈空高度和屋頂?shù)膬舾叨葹闆Q策變量的單目標(biāo)規(guī)劃模型。

由表1和表2可知各面的總輻射強(qiáng)度,其中北面、東面的輻射強(qiáng)度較弱;結(jié)合光伏電池組件的價(jià)格可知在屋頂面、南面、西面鋪設(shè)光伏電池的經(jīng)濟(jì)效益為正,而北面、東面為負(fù),因此北、東兩面不再鋪設(shè)光伏組件。所以應(yīng)將開(kāi)窗設(shè)計(jì)在北面和東面兩面光強(qiáng)較弱、經(jīng)濟(jì)效益較低的墻面上,考慮到客觀實(shí)際,如能滿(mǎn)足建筑要求,應(yīng)盡可能將開(kāi)窗設(shè)計(jì)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(yōu)化鋪設(shè)方案的確定

利用貪心算法[5]進(jìn)行電池鋪設(shè)的操作細(xì)節(jié):(1)將電池性能進(jìn)行排序。(2)從中選取獲取經(jīng)濟(jì)效益最大的組合進(jìn)行初步鋪設(shè)。(3)考慮電池組合的表面積與小屋各表面面積限制,當(dāng)剩余面積不能使用最優(yōu)電池組合排列時(shí),使用滿(mǎn)足條件的次優(yōu)組合對(duì)該表面進(jìn)行后續(xù)鋪設(shè),依次類(lèi)推。若組剩余面積不能完全容納該組合,則根據(jù)經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(shè)光伏組件。(4)該面鋪設(shè)結(jié)束后,轉(zhuǎn)移到其他面。

在鋪設(shè)時(shí)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(lèi)型的光伏電池組件時(shí),同一型號(hào)的電池板可串聯(lián),而不同型號(hào)的電池板不可串聯(lián)。在不同表面上,即使是相同型號(hào)的電池也不能進(jìn)行串、并聯(lián)連接。因此應(yīng)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(shè)方案確定出各外表面的優(yōu)化鋪設(shè)方案,如表4所示。

表4 不同外表面對(duì)應(yīng)的分組陣列鋪設(shè)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(shè)的分組陣列圖形,如圖2～圖4所示。

圖2 屋頂面鋪設(shè)的分組陣列圖形

圖3 南面鋪設(shè)的分組陣列圖形

圖4 西面鋪設(shè)的分組陣列圖形

設(shè)居民用電價(jià)格為0.5元/kW·h,結(jié)合文獻(xiàn)[5]的方法計(jì)算得到,各外表面的發(fā)電總量、投資情況,如表5所示。

表5 光伏電池壽命期內(nèi)各面的發(fā)電量與投資情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了以建筑物的3個(gè)正經(jīng)濟(jì)效益表面總輻射量最大為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),以建筑設(shè)計(jì)要求為約束的單目標(biāo)規(guī)劃模型,利用模擬退火算法得到建筑物外形為長(zhǎng)15 m,寬4.93 m,高5.4 m的長(zhǎng)方體。利用貪心算法得到建筑物外表電池鋪設(shè)方案為:屋頂面需架空鋪設(shè)C1型電池44塊、SN12型逆變器2塊;南面需架空鋪設(shè)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(shè)C1型電池10塊、SN11型逆變器1塊。壽命期內(nèi)的發(fā)電總量為416 251 kW·h,經(jīng)濟(jì)效益為120 646元,實(shí)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(xué),2008.

[2] 崔容強(qiáng),趙春江,吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版,2007.

[3] 郭亞男.太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2008.

[4] 張海博,張馳,顧偉東,等.基于貪婪算法的小型樓宇太陽(yáng)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(shè)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(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。顧偉東(1990—),男,碩士研究生。研究方向:計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

張海搏(1987—),男,碩士。研究方向:應(yīng)用數(shù)學(xué)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)。E-mail:zhanghaibo0514@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.047

S214.3

A

1007-7820(2015)04-176-04