一种多能互补综合能源系统容量配置方法

1.本发明属于环保与节能领域，具体涉及一种多能互补综合能源系统容量配置方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着能源消费引起的环境问题日益恶化以及全球气候变暖的不断加速，世界范围内对能源供给和结构转变的需求不断增加，代替传统能源系统的综合能源系统的出现和发展，将是实现能源清洁、低碳替代和能量高效利用的可持续发展的关键所在。其中以新能源为核心的综合能源系统可实现能源的梯级利用，提高能源的利用率，减少碳排放，是一种具有发展前景的技术。但新能源出力具有波动性且较难预测，如何在综合能源系统中有效利用新能源，抑制新能源的出力波动，提高新能源的消纳率一直是学界讨论的热门话题。
4.目前，农村能源利用主要分为农业生产用能和农村生活用能两个部分，其中农业生产用能包括农牧产品的生产、运输和加工来源主要以商品形式供应的石油产品和电能；农村生活用能主要用于取暖、照明、炊事、家用电器等，主要来源为煤、电、柴薪等。相比较于城市用能，乡村的用能方式依然很原始，用能效率低，污染严重，而现有的综合能源系统虽然种类丰富，但大部分综合能源系统主要是为城市工业园区所设计的，如专利《一种基于城市污水处理厂的综合能源系统》提出的综合能源系统是为特定的污水处理厂所设计的，其所考虑的首要目标是污水处理工作的正常运行，而协调优化用能，降低用能成本，提高能源利用率是该系统的次要目标。乡村地区因其独特的自然环境资源以及区别于城市的用能特征，使得应用于乡村的能源系统需要综合考虑乡村当地资源情况，挖掘农业农村的用能特点，解决乡村地区弃风弃光问题。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种多能互补综合能源系统容量配置方法，本发明同时建立了一种计及一次能源效率的两阶段优化容量配置模型。该综合能源系统的设计从多能互补的本质出发，充分考虑农村地区资源环境特征，重点解决了农村地区用能品质低、污染严重、新能源利用程度低等问题，为新型农业农村建设提供了新的思路。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.第一个方面，本发明提供了一种多能互补综合能源系统。
8.一种多能互补综合能源系统，包括太阳能空气生物质气化系统和冷热电三联供系统，
9.所述太阳能空气生物质气化系统包括：太阳能集热器、气化炉、换热装置、焦油生物质气分离装置、冷凝装置和第一储气罐，气化炉以空气作为气化剂、以生物质颗粒作为气化原料，利用太阳能集热器产生的高温蒸汽进行反应，得到的高温混合气体经过换热装置
进行换热降温变成低温混合气体，换热装置中的水被加热生成水蒸汽输送到太阳能集热器中完成循环；低温混合气体经焦油生物质气分离装置的过滤，得到生物质气；
10.所述生物质气用于直接供给冷热电三联供系统或者所述生物质气被冷凝装置冷却后储存至第一储气罐中。
11.第二个方面，本发明提供了一种多能互补综合能源系统容量配置方法。
12.一种多能互补综合能源系统容量配置方法，采用第一个方面所述的多能互补综合能源系统，包括：
13.第一阶段优化模型的优化过程包括：基于太阳能空气生物质气化系统，考虑系统光辐照度和太阳能集热器的热效率，以提高生物质气化系统的总热效率为目标，以太阳能集热器反射镜安装面积为决策变量，确定了生物质气生产速率的最优值；
14.第二阶段优化模型的优化过程包括：以第一阶段优化模型得到的生物质气的生产速率为约束，基于冷热电三联供系统能量流平衡关系，以年费用节约率最大为目标，确定冷热电三联供系统发电机组和发热机组的最优容量。
15.进一步地，所述两阶段优化均采用cplex求解器进行求解。
16.进一步地，所述确定冷热电三联供系统发电机组和发热机组的最优容量具体包括：根据第一阶段优化模型得到生物质气化系统的总热效率最高时对应的太阳能集热器反射镜安装面积以及此时生物质气的生产速率；第二阶段优化模型得到经济最优时对应的冷热电三联供系统发电机组容量和发热机组容量。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.本发明针对新能源出力与用户用能的时空不确定性，通过太阳能集热器与光伏装置将光热、光电形式的能量转化为生物质气与氢气储存起来，这样可以减少蓄电池、储热装置的使用容量，大大减少整个系统的建设成本。
19.本发明利用太阳能热解生物质颗粒生成生物质气，可以提高新能源的使用比例，同时作为一个并网系统，本发明在满足用户用能需求的同时，大大提高了太阳能的消纳率。
20.本发明提高了新能源的消纳率，同时考虑乡村地区的经济情况，合理配置综合能源系统设备容量，降低建设运营成本。
21.本发明建立的系统的容量配置模型是典型的线性优化模型，利用cplex软件进行求解，得到热效率最高，经济最优的太阳能反射镜面积和主动运行单元的容量配置方案。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1是本发明实施例一示出的太阳能空气生物质气化系统结构示意图；
24.图2是本发明实施例一示出的冷热电三联供系统结构示意图；
25.图3是本发明实施例二示出的多能互补综合能源系统容量配置方法的流程图。
具体实施方式
26.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
27.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.实施例一
30.本实施例提供了一种多能互补综合能源系统。
31.一种多能互补综合能源系统，包括太阳能空气生物质气化系统和冷热电三联供系统，
32.所述太阳能空气生物质气化系统包括：太阳能集热器、气化炉、换热装置、焦油生物质气分离装置、冷凝装置和第一储气罐，气化炉以空气作为气化剂、以生物质颗粒作为气化原料，利用太阳能集热器产生的高温蒸汽进行反应，得到的高温混合气体经过换热装置进行换热降温变成低温混合气体，换热装置中的水被加热生成水蒸汽输送到太阳能集热器中完成循环；低温混合气体经焦油生物质气分离装置的过滤，得到生物质气；
33.所述生物质气用于直接供给冷热电三联供系统或者所述生物质气被冷凝装置冷却后储存至第一储气罐中。
34.所述太阳能空气生物质气化系统可以为冷热电三联供系统提供生物质气，如图1所示，因其中包含储气罐，所以可以储存冷热电三联供系统消耗不完的生物质气。所述太阳能集热器利用太阳能抛物面盘集热器产生的过热蒸汽驱动生物质与空气气化，用于合成气生产；所述气化炉是混合气生产的装置。
35.该太阳能空气生物质气化系统以空气作为气化剂，以生物质颗粒作为气化原料在气化炉中利用太阳能集热器生成的高温蒸汽进行反应，其反应产物为一种高温混合气体，这种高温混合气体经过换热装置进行换热降温变成低温混合气体，换热装置中的水被加热生成水蒸汽输送到太阳能集热器中完成循环。因焦油是一种不可凝缩的分子，它可能与水结合而损坏设备，所以低温混合气体需进入焦油生物质气分离装置中分离焦油净化气体，清洁的生物质气被冷却储存在气罐中或直接供给冷热电三联供系统。
36.本实施例中，所述多能互补综合能源系统并入电网并加入回收利用大棚余热的设备；包括：能量生产装置，能量转化装置和能量储存装置；
37.所述能量生产装置用于利用太阳能与生物质气生产电能与热能；
38.所述能量转化装置，用于实现将所述能量生产装置生产的电能转化为热能和/或冷能，将所述能量生产装置生产的热能转化为热能和/或冷能；
39.能量储存装置用于储存电能、气能、冷能或热能。
40.该冷热电三联供系统所用能量包括太阳能、生物质气，考虑到该能源系统应用于乡村农业且保证用户用能稳定，将该系统并入电网并加入回收利用大棚余热的设备。该系统由能量生产装置，能量转化装置和能量储存装置组成。能量生产装置由光伏、热电联产机组、燃气锅炉组成，直接利用太阳能与生物质气生产电能与热能；能量转化装置由热回收系统、吸收式制冷机、电解槽、空气源热泵组成；能量存储装置又由蓄电池、储气罐、蓄热装置、蓄冷装置组成。如图2所示。
41.实施例二
42.本实施例提供了一种多能互补综合能源系统容量配置方法。
43.如图3所示，一种多能互补综合能源系统容量配置方法，采用实施例一所述的多能互补综合能源系统，包括：
44.第一阶段优化模型的优化过程包括：基于太阳能空气生物质气化系统，考虑系统光辐照度和太阳能集热器的热效率，以提高生物质气化系统的总热效率为目标，以太阳能集热器反射镜安装面积为决策变量，确定了生物质气生产速率的最优值；
45.第二阶段优化模型的优化过程包括：以第一阶段优化模型得到的生物质气的生产速率为约束，基于冷热电三联供系统能量流平衡关系，以年费用节约率最大为目标，确定冷热电三联供系统发电机组和发热机组的最优容量。
46.所述两阶段优化均采用cplex求解器进行求解。
47.本实施例提出的两阶段优化容量配置模型，第一阶段，以用户冷热电负荷、光辐照度为输入，考虑热效率，以提高生物质气化系统热效率为目标合理配置太阳能集热器容量，得到生物质气生产速率；第二阶段以第一阶段生物质气化系统生产的生物质气速率为约束条件，以日收益最大为目标完成设备容量优化配置。
48.所述第一阶段优化模型，在已知用户冷热电负荷，外界环境参数的情况下，构建太阳能空气生物质气化系统热效率优化模型。
49.太阳能集热器反射截获的太阳能q
sol
为：
50.q
sol
＝i
dni
(t)a
proj
η
opt
51.式中i
dni
(t)为t时段的太阳辐射强度；a
proj
为反射镜的投影面积；η
opt
为光学效率。
52.太阳能集热器的太阳能吸收q
sol,absorb
为：
53.q
sol,absorb
＝q
sol-(q
cd
q
cv
q
rad
)
loss
54.式中q
cd
为传导热损失；q
cv
为对流热损失；q
rad
为接收端与周围空气之间的辐射热损失。
55.太阳能集热器的热效率η
collector
为：
[0056][0057]
t时刻生物质气合成量m
gas
(t)为：
[0058][0059]
式中c
water
为水的比热容；sb为水蒸汽/生物质质量比，是指生物质在水蒸汽气化过程中生产单位质量的生物质消耗掉的水蒸汽质量；δt为气化炉内水由液态转变为气态的温度差。
[0060]
优化目标：
[0061]
太阳能空气生物质气化系统总热效率λ为：
[0062][0063]
式中m
bio
为系统输入生物质颗粒的质量；cv
bio
为生物质颗粒的热值。
[0064]
优化变量：
[0065]
本系统以太阳能集热器反射镜安装面积a
proj
作为优化变量。
[0066]
约束条件：
[0067]
太阳能集热器反射镜安装面积应在合理范围区间：
[0068]aproj,min
≤a
proj
≤a
proj,max
[0069]
式中，a
proj,min
，a
proj,max
分别为反射镜可安装面积最小值和最大值。
[0070]
第二阶段，
[0071]
冷热电联供系统电能平衡关系：
[0072]eload
(t) e
ac
(t) e
ap
(t) e
el
(t)＝e
pv
(t) e
grid
(t) e
chp
(t) e
ba
(t)
[0073]
式e
load
中为电负荷；e
ac
为吸收式制冷机耗电量；e
ap
为空气源热泵耗电量；e
el
为电解槽耗电量；e
pv
为光伏发电功率；e
grid
为电网交互功率；e
chp
为热电联产机组电功率；e
ba
为蓄电池充放电功率。
[0074]
其中热电联产机组生物质气输入量f
chp
为：
[0075][0076]
其中η
e,chp
为热电联产机组电效率；η
th,chp
为热电联产机组热效率：
[0077][0078][0079]
其中x0，x1，x2，y0，y1，y2为拟合多项式系数；plr
chp
是热电联产机组负载率：
[0080][0081]
式中，r
chp
为热电联产机组额定功率。
[0082]
系统从电网购电所消耗的一次能源f
grid
为：
[0083][0084]
式中η
e,grid
，η
th,grid
为电网发电效率和传输效率。
[0085]
热能平衡关系为：
[0086]qload
(t) q
ac
(t)＝q
gb
(t) q
he
(t) q
hs
(t) q
ap
(t)
[0087]
式中q
load
为用户热负荷；q
ac
为吸收式制冷机输入热量；q
gb
为燃气锅炉输出的热量；q
he
为余热交换热量；q
hs
为储能设备输入或输出热功率(输出功率时，q
hs
》0；输入功率时，q
hs
《0)；q
ap
为空气源热泵输出热量。
[0088]
其中燃气锅炉输出热量q
gb
(t)：
[0089]qgb
(t)＝f
gb
(t)η
gb
[0090]
式中f
gb
为锅炉生物质气消耗量，η
gb
为燃气锅炉的热效率。
[0091]
生物质气消耗总量为：
[0092]fgas
(t)＝f
chp
(t) f
gb
(t)
[0093]
冷能平衡关系为：
[0094]cload
(t)＝c
ac
(t) c
ap
(t) c
cs
(t)
[0095]
式中c
load
为用户冷负荷；c
ac
为吸收式制冷机制冷量；c
ap
为空气源热泵制冷量；c
cs
为储能设备输入或输出冷功率(出功率时，c
cs
》0；输入功率时，c
cs
《0)。
[0096]
吸收式制冷剂在t时刻的制冷量c
ac
为
[0097]cac
(t)＝q
rh
(t)cop
ac
[0098]
式中q
rh
为发电机组余热回收功率；cop
ac
为吸收式制冷机能效比。
[0099]
空气源热泵在t时刻的制冷量c
ap
为：
[0100]cap
(t)＝q
gh
(t)cop
ap
[0101]
式中q
gh
为空气源热泵吸收的大棚余热；cop
ap
为空气源热泵能效比。
[0102]
对于蓄电、蓄热、蓄冷等储能设备有：
[0103]qsta
(t 1)＝η
sqsta
(t)-qs(t)
[0104]
式中q
sta
(t 1)和q
sta
(t)分别为t 1时刻与t时刻储能设备的状态；qs(t)为t时刻储能设备的输入/输出功率；ηs为储能设备的效率。
[0105]
优化目标：
[0106][0107]
式中acr为年费用节约率；c
sp
，c
ies
分别为分供系统和联供系统的年综合成本。
[0108]cies
＝c
ies,eq
c
ies,om
c
ies,op
[0109]csp
＝c
sp,eq
c
sp,om
c
sp,op
[0110]
式中c
ies,eq
，c
ies,om
，c
ies,op
分别为联供系统的投资年化成本，年维护成本，年运行成本；c
sp,eq
，c
sp,om
，c
sp,op
为分供系统的投资年化成本，年维护成本，年运行成本。
[0111]
联供系统的电网购电成本如下：
[0112][0113]
联供系统年维护成本：
[0114]cies,om
＝σc
cost
[0115]
式中σ为系统运行维护费用比例系数；c
cost
为系统总投资成本。
[0116]
联供系统投资年化成本：
[0117][0118]
式中k为设备寿命；r为基准折现率。
[0119]
分供系统各项成本可以进一步表示为：
[0120]
[0121][0122]csp,om
＝σc
sp,cost
[0123]
式中f
sp,grid
(t)为t时刻分供系统的购电量；c
sp,cost
为分供系统的投资成本。
[0124]
优化变量：
[0125]
本系统以主动运行单元容量作为优化变量，即发电、发热机组容量n
chp
和n
gb
[0126]
约束条件：
[0127]
根据用户需求及环境资源可利用量设置设备容量的可配置区间：
[0128]
0≤n
chp
≤n
chp,max
[0129]
0≤n
gb
≤n
gb,max
[0130]
式中，n
chp,max
为发电机组容量上限，n
gb,max
为发热机组容量上限。
[0131]
热电联产机组与燃气锅炉在t时刻所使用的生物质气应小于太阳能空气生物质气化系统生产的生物质气。
[0132]
0≤f
gas
(t)≤m
gas
(t)
[0133]
本实施例建立的系统的容量配置模型是典型的线性优化模型，利用cplex软件进行求解，得到热效率最高，经济最优的太阳能反射镜面积和主动运行单元的容量配置方案。
[0134]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。