CN112734093B - 基于计算机的制氢装置容量优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于计算机的制氢装置容量优化配置方法；步骤如下：首先，设置光伏容量初始值、光伏最大步数、光伏步长、制氢装置容量初始值、制氢装置最大步数等参数；其次，通过迭代步进法计算出光伏步数和制氢步数从1至光伏最大步数和制氢最大步数所有情况下的单位立方氢气的成本，以及相应的光伏容量、风电容量、制氢容量、光伏步数、制氢步数和一年的总制氢量，形成二维数据结构；最后，将二维数据结构中所有单位立方氢气的成本的数值大小进行排序，将数值最小的单位立方氢气的成本，及所对应的数据作为最优配置结果输出。本发明的应用能够更加高效精确的获得制氢装置容量优化配置数据。

Description

基于计算机的制氢装置容量优化配置方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，特别涉及基于计算机的制氢装置容量优化配置方法。

背景技术

氢能作为未来极具潜力的高能、清洁能源，将是未来的终极能源之一。其中电解水制氢作为绿色氢能的发展也越来越受到关注。

但在实际应用中电解水制氢装置的容量配置能极大的影响整个电解水制氢系统的生产成本，从而影响电解水制氢系统的经济性和大规模商业应用。

因此，如何高效精确的获得制氢装置容量优化配置成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于计算机的制氢装置容量优化配置方法，实现的目的是高效精确的获得制氢装置容量优化配置数据。

为实现上述目的，本发明公开了基于计算机的制氢装置容量优化配置方法；步骤如下：

步骤一、设置光伏容量初始值P_p0、光伏最大步数K_pm、光伏步长L_p、制氢装置容量初始值Q_h0、制氢装置最大步数K_hm、制氢步长L_h、光伏和风电的总容量P_g、单位容量光伏建设成本C_p，单位容量风电建设成本C_w，单位容量制氢设备成本C_h，制氢单位体积运行成本C_op，使用年限n，年利率γ。单位体积氢耗电量A，当地单位容量光伏全年8760小时每小时的发电量W_p(t)(1≤t≤8760)，当地单位容量风电全年8760小时每小时的发电量W_w(t)(1≤t≤8760)，人工成本C_hum，修理费C_rep，新能源运行成本C_neo；

步骤二、设置光伏步数K_p＝1；

步骤三、若K_p＜K_pm，执行后续步骤四，若K_p≥K_pm，则跳过后续步骤四至步骤十，从步骤十一开始执行后续步骤；

步骤四、设置制氢步数K_h＝1；

步骤五、若K_h＜K_hm，执行后续步骤六，若K_h≥K_hm，则跳过后续步骤六至步骤九，从步骤十开始执行后续步骤；

步骤六、计算光伏容量P_p、风电容量P_w和制氢容量Q_h，公式如下：

P_p＝P_p0+K_p*L_p

P_w＝P_g-P_p

Q_h＝Q_h0+K_h*L_h

步骤七、根据步骤六的计算结果，计算一年的总制氢量E；

步骤八、根据步骤六和步骤七的计算结果，计算单位立方氢气的成本J，并保存结果；

步骤九、对所述制氢步数K_h做加1处理后，重复执行步骤五至步骤九，直至K_h≥K_hm；

步骤十、对所述光伏步数K_p做加1处理后，重复执行步骤三至步骤十，直至K_p≥K_pm；

步骤十一、输出步骤八中保存的所有所述单位立方氢气的成本J，以及相应的所述光伏容量P_p、所述风电容量P_w、所述制氢容量Q_h、所述光伏步数K_p、所述制氢步数K_h和所述一年的总制氢量E,形成二维数据结构；

步骤十二、根据所述二维数据结构中所有所述单位立方氢气的成本J的数值大小进行排序，将数值最小的所述单位立方氢气的成本J所对应的所述光伏容量P_p、所述风电容量P_w、所述制氢容量Q_h、所述光伏步数K_p、所述制氢步数K_h和所述一年的总制氢量E作为最优配置结果输出。

优选的，所述步骤七中，所述一年的总制氢量E的计算公式如下：

计算光伏全年8760小时每小时的发电量P_p(t)：

P_p(t)＝P_p*W_p(t)；

计算风电全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_w(t)＝P_w*W_w(t)

计算新能源(光伏+风电)全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_g(t)＝P_P(t)+P_W(t)

计算制氢设备全年8760小时每小时的制氢量Q_h(t)：

计算制氢设备全年总制氢量E：

优选的，所述步骤八中，所述单位立方氢气的成本J的计算公式如下：

式中各符号的意义如下：C_p为光伏成本，单位为元/KW；C_w为风电成本，单位为元/KW；C_h为单位m³/h制氢成本；C_op为制氢单位m³运行成本；γ为年利率；n为设备使用年限；E为年制氢量，C_hum、C_rep、C_neo分别为人工、修理和风光运行年成本。

本发明的有益效果：

本发明的应用能够更加高效精确的获得制氢装置容量优化配置数据。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例的流程图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，基于计算机的制氢装置容量优化配置方法；步骤如下：

步骤一、设置光伏容量初始值P_p0、光伏最大步数K_pm、光伏步长L_p、制氢装置容量初始值Q_h0、制氢装置最大步数K_hm、制氢步长L_h、光伏和风电的总容量P_g、单位容量光伏建设成本C_p，单位容量风电建设成本C_w，单位容量制氢设备成本C_h，制氢单位体积运行成本C_op，使用年限n，年利率γ。单位体积氢耗电量A，当地单位容量光伏全年8760小时每小时的发电量W_p(t)(1≤t≤8760)，当地单位容量风电全年8760小时每小时的发电量W_w(t)(1≤t≤8760)，人工成本C_hum，修理费C_rep，新能源运行成本C_neo；

步骤二、设置光伏步数K_p＝1；

步骤三、若K_p＜K_pm，执行后续步骤四，若K_p≥K_pm，则跳过后续步骤四至步骤十，从步骤十一开始执行后续步骤；

步骤四、设置制氢步数K_h＝1；

步骤五、若K_h＜K_pm，执行后续步骤六，若K_h≥K_pm，则跳过后续步骤六至步骤九，从步骤十开始执行后续步骤；

步骤六、计算光伏容量P_p、风电容量P_w和制氢容量Q_h，公式如下：

P_p＝P_p0+K_p*L_p

P_w＝P_g-P_p

Q_h＝Q_h0+K_h*L_h

步骤七、根据步骤六的计算结果，计算一年的总制氢量E；

步骤八、根据步骤六和步骤七的计算结果，计算单位立方氢气的成本J，并保存结果；

步骤九、对制氢步数K_h做加1处理后，重复执行步骤五至步骤九，直至K_h≥K_pm；

步骤十、对光伏步数K_p做加1处理后，重复执行步骤三至步骤十，直至K_p≥K_pm；

步骤十一、输出步骤八中保存的所有单位立方氢气的成本J，以及相应的光伏容量P_p、风电容量P_w、制氢容量Q_h、光伏步数K_p、制氢步数K_h和一年的总制氢量E；形成二维数据结构；

步骤十二、根据二维数据结构中所有单位立方氢气的成本J的数值大小进行排序，将数值最小的单位立方氢气的成本J所对应的光伏容量P_p、风电容量P_w、制氢容量Q_h、光伏步数K_p、制氢步数K_h和一年的总制氢量E作为最优配置结果输出。

优选的，步骤七中，一年的总制氢量E的计算公式如下：

计算光伏全年8760小时每小时的发电量P_p(t)：

P_p(t)＝P_p*W_p(t)；

计算风电全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_w(t)＝P_w*W_w(t)

计算新能源(光伏+风电)全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_g(t)＝P_P(t)+P_W(t)

计算制氢设备全年8760小时每小时的制氢量Q_h(t)：

计算制氢设备全年总制氢量E：

优选的，所述步骤八中，所述单位立方氢气的成本J的计算公式如下：

式中各符号的意义如下：C_p为光伏成本，单位为元/KW；C_w为风电成本，单位为元/KW；C_h为单位m³/h制氢成本；C_op为制氢单位m³运行成本；γ为年利率；n为设备使用年限；E为年制氢量，C_hum、C_rep、C_neo分别为人工、修理和风光运行年费用。

本发明的原理如下：

首先，假定一个光伏场容量P_p，该光伏场的每小时发电量为：

光伏每小时发电量＝光伏容量*单位容量光伏每小时发电量

P_p(t)＝P_p*W_p(t) 公式1

已知光伏场总容量的前提下，可知风电场的总容量为整个新能能源风、光装机总容量减去光伏场总容量。风电容量＝总容量-光伏容量，具体公式如下：

P_w＝P_g-P_p 公式2

同理可求得风电场每小时发电量＝风电容量*单位容量风电每小时发电量，公式如下：

P_w(t)＝P_w*W_w(t) 公式3

在已知风电场和光伏场的小时出力情况下，即可整个新能源电站的小时出力，新能源每小时发电量＝光伏每小时发电量+风电每小时发电量，具体公式如下：

P_g(t)＝P_p(t)+P_w(t) 公式4

同时，假定一个制氢系统的容量Q_h。

根据新能源风、光的总发电量和制氢系统的耗电量，分析并判断每小时所制得的氢气量。当制氢量小于设备最大制氢量时，设备实际制氢量见公式6。当制氢量大于设备最大制氢量时，设备实际制氢量为设备最大制氢量(见公式5)。

其中，A为单位立方氢耗电量m3/kwh。

算出每小时制氢量后，可求得全年8760小时内的总的制氢量，公式如下：

在已知上述新能源风、光电场容量，年总发电量、年总制氢量等相关参数的前提下，可求得该新能源制氢系统单位立方氢气的成本(年化制氢总成本/年制氢量)，具体公式如下：

式中各符号的意义如下：C_p为光伏成本，单位为元/KW；C_w为风电成本，单位为元/KW；C_h为单位m³/h制氢成本；C_op为制氢单位m³运行成本；γ为年利率；n为设备使用年限；E为年制氢量，C_hum、C_rep、C_neo分别为人工、修理和风光运行年费用。

即在假定的光伏场容量、风电场容量、制氢系统容量下，求得了该系统的单位立方氢气的成本。同理，通过假设不同的光伏场、风电场、制氢系统容量，求得不同光伏场、风电场、制氢系统容量下的单位立方氢气成本。

假设不同系统容量的方式如下：

P_p＝P_p0+K_p*L_p(1≤K_p≤K_pm) 公式8

Q_h＝Q_h0+K_h*L_h(1≤K_h≤K_hm) 公式9

假设光伏容量＝假设光伏容量初始值+步数*步长(见公式8)，步数为Kp，变化范围为1～Kpm，步长为Lp，人为设定。

假设制氢系统容量＝假设制氢系统容量初始值+步数*步长(见公式8)，步数为Kh，变化范围为1～Khm，步长为Lh，人为设定。

通过上述方法能得到不同的光伏+风电+制氢系统。计算不同光伏+风电+制氢系统下的单位立方制氢成本，将单位立方氢气的成本从低到高排序，可得到最低单位立方制氢成本的一组光伏+风电+制氢系统，此系统可认为是最优的系统容量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.基于计算机的制氢装置容量优化配置方法；步骤如下：

步骤一、设置光伏容量初始值P_p0、光伏最大步数K_pm、光伏步长L_p、制氢装置容量初始值Q_h0、制氢装置最大步数K_hm、制氢步长L_h、光伏和风电的总容量P_g、单位容量光伏建设成本C_p，单位容量风电建设成本C_w，单位容量制氢设备成本C_h，制氢单位体积运行成本C_op，使用年限n，年利率γ；单位体积氢耗电量A，当地单位容量光伏全年8760小时每小时的发电量W_p(t)，1≤t≤8760，当地单位容量风电全年8760小时每小时的发电量W_w(t)，1≤t≤8760，人工成本C_hum，修理费C_rep，新能源运行成本C_neo；

步骤二、设置光伏步数K_p＝1；

步骤三、若K_p＜K_pm，执行后续步骤四，若K_p≥K_pm，则跳过后续步骤四至步骤十，从步骤十一开始执行后续步骤；

步骤四、设置制氢步数K_h＝1；

步骤五、若K_h＜K_pm，执行后续步骤六，若K_h≥K_pm，则跳过后续步骤六至步骤九，从步骤十开始执行后续步骤；

步骤六、计算光伏容量P_p、风电容量P_w和制氢容量Q_h，公式如下：

P_p＝P_p0+K_p*L_p

P_w＝P_g-P_p

Q_h＝Q_h0+K_h*L_h

步骤七、根据步骤六的计算结果，计算一年的总制氢量E；

一年的总制氢量E的计算公式如下：

计算光伏全年8760小时每小时的发电量P_p(t)：

P_p(t)＝P_p*W_p(t)；

计算风电全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_w(t)＝P_w*W_w(t)

计算光伏和风电全年8760小时每小时的发电量P_w(t)：

P_g(t)＝P_P(t)+P_W(t)

计算制氢设备全年8760小时每小时的制氢量Q_h(t)：

计算制氢设备全年总制氢量E：

步骤八、根据步骤六和步骤七的计算结果，计算单位立方氢气的成本J，并保存结果；

单位立方氢气的成本J的计算公式如下：

式中：γ为年利率；n为设备使用年限；

步骤九、对制氢步数K_h做加1处理后，重复执行步骤五至步骤九，直至K_h≥K_pm；

步骤十、对光伏步数K_p做加1处理后，重复执行步骤三至步骤十，直至K_p≥K_pm；

步骤十一、输出步骤八中保存的所有单位立方氢气的成本J，以及相应的光伏容量P_p、风电容量P_w、制氢容量Q_h、光伏步数K_p、制氢步数K_h和一年的总制氢量E；形成二维数据结构；

步骤十二、根据二维数据结构中所有单位立方氢气的成本J的数值大小进行排序，将数值最小的单位立方氢气的成本J所对应的光伏容量P_p、风电容量P_w、制氢容量Q_h、光伏步数K_p、制氢步数K_h和一年的总制氢量E作为最优配置结果输出。

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