作 者： 宋曉帆，胡凱，劉偉

第一作者單位： 天津大學(xué)建筑設(shè)計規(guī)劃研究總院有限公司

摘自《煤氣與熱力》2021年10月刊

1    概述

近年來，我國設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，其中日光溫室大棚已經(jīng)占到全國設(shè)施園藝面積的 24% ，是一種北方地區(qū)應(yīng)用十分廣泛的設(shè)施農(nóng)業(yè)形式 ^{［ 1-2 ］} 。利用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電驅(qū)動電鍋爐供暖，可有效緩解燃煤鍋爐的污染問題。

風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)在 20 世紀(jì) 80 年代初由丹麥的兩位學(xué)者提出 ^{［ 3 ］} 。 Karki 等人基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、太陽輻照度和用電負載曲線，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化配置 ^{［ 4 ］} 。 Sopian 等人 ^{［ 5 ］} 提出以運行期成本最低為目標(biāo)，對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量進行配置。在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)輸出功率預(yù)測方面，段彬 ^{［ 6 ］} 提出了一種變時間尺度的短期功率預(yù)測技術(shù)，可以按不同分辨率自動調(diào)節(jié)預(yù)測周期?？撞ɡ热?/span> ^{［ 7 ］} 建立了基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)測模型，通過實例驗證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。 Yang 等人 ^{［ 8-10 ］} 針對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性，提出了一種迭代優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)供電可靠性和系統(tǒng)最小成本的要求，對光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機和蓄電池的數(shù)量進行了優(yōu)化。

本文以天津市某日光溫室大棚為研究對象，利用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電驅(qū)動電 鍋爐 供暖。建立風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化模型，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，采用 MATLAB 遺傳算法確定 3 種負荷缺電率下的風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池板的最佳數(shù)量。計算各方案的動態(tài)投資回收期、污染物減排量，確定最佳方案。

2    工程概況

天津地區(qū)某日光溫室大棚高 2.5 m ，長 75 m ，寬 8.5 m ，供暖期為當(dāng)年 11 月 17 日至次年 2 月 23 日，共 99 d ，原采用電加熱板供暖，但實際供暖效果不佳，不能保證供暖期室內(nèi)溫度不低于 10  ℃的要求。

3    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化模型  

3.1   設(shè)備模型

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)見圖 1 。光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機通過變流器將電力匯集到直流母線，然后經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成 380 V 或 220 V 的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器饋入市電網(wǎng)。當(dāng)光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電能力不足時，可由市電網(wǎng)供電。日光溫室大棚供暖用電基本集中在供暖期夜間，利用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在白天的發(fā)電為電鍋爐供電，向蓄熱水箱蓄熱，夜間通過散熱器為日光溫室大棚供暖。

圖 1    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)

①風(fēng)力發(fā)電機模型

風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)備參數(shù)見表 1 。

表 1    風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備參數(shù)

表 2    標(biāo)準(zhǔn)測試條件下備選光伏電池板的性能參數(shù)

3.2   風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化模型

③優(yōu)化結(jié)果

供暖室內(nèi)設(shè)計溫度取 10 ℃，通過導(dǎo)入天津地區(qū)典型年氣象參數(shù)（全年的風(fēng)速、太陽輻照度以及環(huán)境溫度等），采用 EnergyPlus 能耗模擬軟件模擬日光溫室大棚逐時熱負荷，計算電鍋爐日用電量，將其作為風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)容量的計算依據(jù)。由模擬結(jié)果可知，日光溫室大棚最大逐時熱負荷為 22.5 kW ，考慮散熱損失，電鍋爐的額定熱功率選取 25 kW 。

采用 MATLAB 遺傳算法，確定 3 種負荷缺電率下的風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池板數(shù)量。方案 1 ：負荷缺電率小于等于 1% 時，配置 158 塊光伏電池板和 5 臺 5 kW 風(fēng)力發(fā)電機。方案 2 ：負荷缺電率小于等于 5% 時，配置 121 塊光伏電池板和 5 臺 3 kW 風(fēng)力發(fā)電機。方案 3 ：負荷缺電率小于等于 10% 時，配置 85 塊光伏電池板和 5 臺 3 kW 風(fēng)力發(fā)電機。

4    綜合性能比較  

4.1   計算結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果以及天津地區(qū)典型年的逐時室外風(fēng)速、太陽輻照度、環(huán)境溫度等氣象參數(shù)，可計算得到 3 種方案的全年逐時發(fā)電功率。由計算結(jié)果可知， 3 種方案的全年逐時發(fā)電功率均比較平穩(wěn)。這是由于天津地區(qū)的太陽輻照度非供暖期較強，供暖期較弱，而風(fēng)速變化恰好相反，符合風(fēng)光互補的特性。

由計算結(jié)果可確定 3 種方案的缺電日期、年發(fā)電量、年市電用電量、年上網(wǎng)電量。方案 1~3 的缺電日數(shù)量分別為 2 、 5 、 8 d 。 3 種方案的年發(fā)電量、年市電用電量、年上網(wǎng)電量見表 3 。年市電用電量除電鍋爐用電量外，還包括系統(tǒng)中其他設(shè)備的用電量。

表 3   3 種方案的年發(fā)電量、年市電用電量、年上網(wǎng)電量

3 種方案的設(shè)備造價與年運行維護成本見表 4 。根據(jù)《 2018 年全國光伏發(fā)電上網(wǎng)電價表》，天津地區(qū)屬于太陽能二類資源地區(qū)，發(fā)電上網(wǎng)電價按照 0.75 元 / （ kW · h ）計算。天津市農(nóng)業(yè)用電價格取 0.5 元 / （ kW · h ）。由此可計算得到項目支出（年運行維護成本、年市電費）、收入（年上網(wǎng)電費），不考慮人員工資。

表 4   3 種方案的設(shè)備造價與年運行維護成本

4.2   經(jīng)濟性分析

表 5   3 種方案的污染物減排量

4.4    綜合評價

由以上分析可知，綜合考慮負荷缺電率、設(shè)備造價、動態(tài)投資回收期、污染物減排量，方案 2 的綜合性能最好。

5    結(jié)論

綜合考慮負荷缺電率、設(shè)備造價、動態(tài)投資回收期、污染物減排量，方案 2 的綜合性能最好。

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（本文責(zé)任編輯：賀明?。?/span>

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