基于多目标混合整数规划模型的光伏发电系统优化设计.docx
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1、基于多目标混合整数规划模型的光伏发电系统优化设计 摘 要 针对太阳能小屋并网光伏阵列安装布局优化问题,构造多目标混合整数规划模型进行求解;引入0-1决策变量对电池组件的选取方案进行描述;通过电池组件的布局规则约束,建立以年光伏发电总量最大、单位发电量的费用最小的多目标混合整数规划模型;选取各目标优先级,将多目标规划模型转化为单目标最优化问题;利用Matlab软件,采纳Monte Carlo计算机模拟算法,得到太阳能小屋各外表面光伏阵列优化布局方案;并计算得到在给定数据下,在贴附安装时小屋一年发电量为,35年总发电量为,经济效益为,总投入资金为,得到投资回报年限约为10年。 关键词 太阳能小屋;
2、Monte Carlo算法;混合整数规划;计算机模拟 中图分类号:TM914 文献标识码:A 文章编号:1673-7510116-0019-04 新能源利用是我国七大战略性新兴产业之一,太阳能光伏发电是新能源利用的重要领域。在设计太阳能小屋时,需在建筑物外表面铺设光伏电池,光伏电池组件所产生的直流电须要经过逆变器转换成220 V沟通电才能供家庭运用,并将剩余电量输入电网。不同种类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、地区的气候与气象条件、安装部位及方式等。因此,在太阳能小屋的设计中,探讨光伏电池
3、在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。 本文主要探讨户用并网光伏阵列安装方案的组合优化问题。为满意年光伏发电总量尽可能大,单位发电费用完可能小的目标,首先依据地区地理条件、电池组安装部位及方式,给出太阳能电池组的选定方案。然后在各电池分组的逆变器选配原则下,考虑各太阳能组件的不同设计参数及价格,从而确定最佳光伏系统设计方案。 探讨在仅考虑贴附安装方式的状况下,对光伏阵列铺设方案的优化问题。首先,须要依据题目给出的小屋外观尺寸,对每个墙面分别建立直角坐标系。然后,主要考虑光伏电池组件面积和房屋的铺设条件,以各类光伏电池组件数量和安装位置为决策变量,建立年发电总量最大、单位发电费用最小的双目标最优
4、化模型.并考虑逆变器额定输入电压和功率约束,调整太阳能电池组件安装设计方案,从而得到最优光伏电池组件及逆变器的选配方案。 1 模型假设 1)假设太阳能电池方阵的架设是独立的,不受四周环境影响。 2)假设同一分组阵列中的组件在安装时,具有相同的阵列方位角、倾角。 3)假设各类电池组件的最低辐射量限值分别为:单晶硅和多晶硅电池启动发电的表面总辐射量80 W/m2、薄膜电池表面总辐射量30 W/m2。 4)假设全部光伏组件在010年效率按101%,1025年根据90%折算,25年后按80%折算。 5)假设逆变器设置在房屋外部,不占用建筑外表面。 6)假设当太阳辐射值低于电池表面太阳光辐照阈值时,电池
5、组件不输出电力。 2 变量与符号说明 :表示墙面的长度; :表示墙面的宽度; :表示第i类光伏电池组件的铺设数量; :表示对第i类光伏电池组件中的第j个组件的标记; :表示第i类的光伏电池组件铺设数量; :表示第i个同类电池板的额定功率; :表示第j类逆变器的额定输入功率。 3 模型的建立与求解 主要探讨在有瑕疵墙面上光伏阵列布局的数学模型与算法。由于仅考虑光伏电池组件贴附安装,故首先须要建立安装光伏电池组件的类型选择模型,以及相应铺设数量的计算模型。其次,在仅考虑无瑕疵平面状况下,构造太阳能电池组的最优布局规划模型。再利用各墙面的门窗尺寸和位置数据对模型进行修正,得到有瑕疵状况下,各墙面和屋
6、顶的光伏电池阵列最优布局方案。最终,依据所得布局方案,给出小屋光伏电池35年寿命期内的发电总量、经济效益及投资的回收年限的计算模型。 3.1 光伏电池年发电总量计算模型的建立 为求解光伏电池年发电总量,首先建立光伏电池第m年发电量计算模型: 其中,表示第k个太阳时的辐射量,表示第i类型号电池板的面积,表示第类型号电池板在辐射为状况下的转换效率,表示第i类逆变器的逆变效率。由于逆变器存在80%的阻性负载,故计算光伏电池年发电总量时,应当加上0.8乘项,修正阵列年总发电量输出值。 然后,计算光伏组件在第年的效率,已知发电效率为: 则光伏电池35年的总发电量的计算模型为: 其中,8759表示一年太阳
7、时最大值。 3.2 光伏电池年经济效益计算模型的建立 由模型I可得到光伏阵列最优布局方案,据此,结合各墙面年总辐射强度有效值数据,建立光伏电池总经济效率的计算模型: 其中,表示光伏阵列35年的毛经济效益总和,其计算模型如下: 式中,表示光伏电池第i年的毛经济效益,光伏电池第m年的发电量由光伏电池年发电总量计算结果可知。 3.3 光伏阵列投资回收年限计算模型的建立 通过分析光伏阵列的年发电总量与年经济效益计算模型间的关系,可得光伏阵列投资回收年限T应满意如下关系: 其中,表示光伏电池第i年的毛经济效益;C表示逆变器和电池组的总成本;表示运用的第i种型号电池组件的数量;表示运用的第i种型号逆变器的
8、数量;表示所运用的第i种型号电池组件的价格;表示所运用的第i种逆变器的价格。 利用上述关系,求解使得上述不等式成立的最小整数T,即为所求的回收年限。 3.4 光伏阵列最优布局规划模型的建立与求解 3.4.1 模型的建立 1)电池组件的摆放方向分析。 对于每块放入的电池组件,均存在两种不同摆放方向:横向和纵向。在不考虑光伏发电系统布线困难性的状况下,引入变量,用来描述各个墙面上第i类第j块光伏阵列的铺设方向。其中,横向摆放表示电池组件的长边与墙面的长平行摆放,纵向摆放表示电池组件的长边与墙面的宽平行摆放。 2)电池组的类型选择分析。 考虑到同一安装平面内所铺设组件受到逆变器选配约束,故首先建立各
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