多种可再生能源互补的分布式多联产系统优化与性能研究

作     者：李紫荆 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王春龙;李金平

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：多能互补 分布式多联产系统 多目标遗传算法 配置优化 性能分析 

摘      要：农村用能需求不断增长,但其传统供能方式能源利用效率低下,且能源消费结构仍呈现高碳和非清洁化的特征,不利于我国节能规划和“双碳目标的实现。可再生能源作为农村广泛分布的清洁能源,探索其高效的供能技术势在必行。单一可再生能源因其固有性质使技术发展产生瓶颈,而多种可再生能源互补的分布式多联产系统不但能克服单种可再生能源不稳定性,还能实现高效清洁供能。鉴于此,本文以甘肃省兰州地区50户新农村建筑为对象,首先,采用De ST软件计算了用户全年逐时热电负荷,根据负荷特点、资源禀赋和技术特点提出一种多种可再生能源互补的分布式多联产系统并构建了能源、经济、环境评价指标。其次,基于Matlab平台建立多目标优化模型,采用改进的多目标遗传算法求解此优化模型,并利用熵权-优劣解距离法决策出系统最优容量配置。最后,分析最优容量配置系统的运行状态和全年性能,对实行不同运行策略的系统性能进行对比,分析各性能指标对技术参数和经济参数变化的敏感性,并进行地域适应性分析。得到如下结论:(1)农村居民建筑电负荷基本不随季节波动,但是在一天之内会频繁改变,全年累计电负荷为8.55×10～4kW·h。全年生活热水负荷较为稳定,供暖季总热负荷远大于电负荷,全年累计总热负荷为3.89×10～5kW·h。(2)熵权法求得的各优化目标一次能源节约率、费用年值节约率、二氧化碳减排率的权重分别为0.7、0.21、0.09。熵权-优劣解距离法决策出来的最终结果是系统配置405块光伏光热一体化组件和30k W的内燃机组,此系统在能源、经济、环境三个性能方面都有很好的表现。(3)多联产系统的一次能源利用率为32.02%,一次能源节约率为33.85%。费用年值节约率为45.71%,投资回收期为6.08年,净现值为240.57万元。二氧化碳全年减排量为542.67t,二氧化碳减排率为75.3%。说明该系统在经济上可行,并能实现高效清洁供能。(4)当多联产系统实行供暖季以热定电、非供暖季厌氧发酵系统和沼气内燃机不运行的运行策略时,系统的费用年值节约率和二氧化碳减排率减小至28.61%和73.01%。为了提升其经济性能和环境性能,应尽可能充分利用厌氧发酵系统和内燃机热电联产系统,减少设备的闲置率。(5)水力停留时间是影响系统费用年值节约率最多的技术参数,土灶热效率是影响系统一次能源节约率和二氧化碳减排率最多的技术参数。沼液和牛粪价格是影响系统经济性能最多的运行经济参数,厌氧反应器单位成本是影响系统经济性能最多的成本经济参数。为了促进多联产系统的推广应用,尽可能选用沼气转化效率高的厌氧发酵系统并应密切关注政府对沼气工程的补贴政策。(6)当系统应用于南京这一夏热冬冷地区时,配备较少的光伏光热一体化组件和空气源热泵,就能在满足用户负荷的同时,获得相对较优的能源、经济和环境效益。系统应用于南京时的经济效益优于兰州,投资回收期缩短至4.11年。研究结果说明所构建的多种可再生能源系统互补的分布式多联产系统不仅可以实现可再生能源的就地消纳和高效利用,在满足用户多方面的用能需求的同时,还能改善农村生态环境,进而实现农村能源、资源和环境协同可持续发展。