迈向净零能耗房屋优化光伏系统规模

住宅建筑占全球能源消耗的很大一部分，在持续的能源危机中，世界许多国家都在寻找解决这一问题的有效方法。与全球摆脱化石燃料的努力一致，一个有吸引力的选择是让房屋自给自足，让它们自己发电——这通常是使用光伏(PV)系统实现的。

在住宅区推广光伏系统时，一个经常出现的问题是计算每栋房屋最适合安装多大的太阳能电池板和电池。虽然这看似简单，但要为许多房屋找到这个问题的最佳解决方案很快就会变得计算量很大。如果考虑到许多不确定因素，包括平均太阳辐射的变化、能源消耗模式以及家庭之间共享能源的可能性，情况会变得更糟。

在此背景下，包括东京工业大学教授TakeshiHatanaka在内的日本研究团队想出了一种解决上述优化问题的新方法。正如他们在2024年6月6日最近发表在IEEEAccess上的论文中所解释的那样，所提出的方法旨在实现净零能耗房屋(ZEH)，即设计为年净能耗接近于零的房屋。这项工作是与早稻田大学和富山大学的合作研究。

首先，研究人员将优化问题表述为数学方程和不等式系统，当求解时，即可从成本和碳中和性的角度提供最佳的光伏板和电池尺寸。他们考虑了每户家庭必须独自生产能源的情况，以及允许家庭之间共享能源的情况，这被称为“共享经济”。

该团队面临的主要挑战是，这种复杂的优化问题通常是非凸的。换句话说，由于问题的性质，求解器算法可能会被欺骗而陷入次优解决方案。为了解决这个问题，研究人员应用了一系列巧妙的转换，将原始问题转变为线性规划(LP)问题，这更容易处理。

随后，为了测试他们的方法，该团队将提出的框架应用于日本的一个社区，该社区有134户家庭的能源消耗和太阳能发电数据。正如预期的那样，他们可以快速找到适合个人和共享经济的最佳解决方案。

Hatanaka强调说：“我们的数值示例利用了真实数据，而不是依赖合成数据，从而提高了研究结果的真实性。我们证明了，获得ZEH地位不会显著增加成本，这意味着它是日本住宅的可行目标。”

值得注意的是，上述实验还表明，由于原始优化问题过于复杂，市售的求解器无法解决该问题。

Hatanaka补充道：“当考虑大约两个月的数据时，原始问题的计算难度就会加大，商业求解器最多需要14个小时才能解决。相比之下，使用我们的LP变换，整个问题可以在不到10秒的时间内解决。”

总的来说，这项研究的结果将极大地促进住宅区可再生能源系统的采用和推广，因为它使规划人员能够正确确定太阳能电池板和电池的尺寸。研究人员希望这些努力能为充满零排放城市的城市铺平道路。

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