CN114781872A - 基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种基于风‑光‑水‑氢一体化的建筑供能系统，包括控制系统、热力系统、发电系统和氢能系统；所述控制系统内存储有供能控制模型，控制系统用于根据供能控制模型控制热力系统、发电系统和氢能系统工作；所述热力系统包括热锅炉和电加热装置；所述发电系统包括风力发电装置、光伏发电装置、微型水轮机、抽水蓄能装置和热电联产装置；发电系统用于产生电能为系统供电，还用于将剩余电能分别输送给电加热装置及氢能系统；电加热装置用于接收到电能后为建筑供应热能。本申请可以稳定的实现近零碳的排放，同时可以尽可能的实现能源利用率的最大化。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统。
背景技术
在“碳达峰”、“碳中和”发展背景下，降低建筑碳排放量成为实现“碳中和”的重要途径之一，近零碳建筑的规划设计也成为未来建筑领域的大势所趋。2007年，英国可再生能源建议委员会向英国可再生能源学会提交的报告提出，真正的“零碳居住建筑”(Zero-Carbon Home)应无需电网输入能源且不对大气排放CO2，其供暖需求应通过建筑设计降至最低且通过可再生燃料和技术满足，其电力需求也应降至最低且通过可再生能源发电满足。因此，近零碳建筑供能系统的设计应以可再生能源为主，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适的室内环境。现有近零碳建筑设计主要考虑利用可再生能源满足负荷需求。建筑负荷包括热、电多种负荷，能源需求多样，近零碳建筑供能系统设计应在最小化碳排放量的目标下，协调建筑的多种负荷需求，充分利用多种能源资源。
然而，目前广泛应用的风、光可再生能源发电具有较强的随机性及波动性，其出力间歇性可能导致负荷用电质量下降，从而导致系统运行时的稳定性不足，难以稳定的实现近零碳排放量；除此，目前的近零碳建筑供能系统还面临着另一个关键问题，那就是，在能源产生充足时，如何将多余能量进行高效消纳、储存，从而在风、光产生的能量不足时进行能源互补，实现能源利用率的最大化，减少能源浪费。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，可以稳定的实现近零碳的排放，同时可以尽可能的实现能源利用率的最大化、减少能源浪费。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，包括控制系统、热力系统、发电系统和氢能系统；所述控制系统内存储有供能控制模型，控制系统用于根据供能控制模型控制热力系统、发电系统和氢能系统工作；所述热力系统包括热锅炉和电加热装置；
所述发电系统包括风力发电装置、光伏发电装置、微型水轮机、抽水蓄能装置和热电联产装置；发电系统用于产生电能为系统供电，还用于将剩余电能分别输送给电加热装置及氢能系统；电加热装置用于接收到电能后为建筑供应热能；
所述氢能系统包括水电解装置、甲烷化装置和存储氢能的储氢罐；氢能系统用于接受到电能后通过水电解装置进行水电解，并将产生的氢能分别输送给储氢罐和甲烷化装置；甲烷化装置用于吸收系统产生的CO2，还用于将吸收的CO2与接收到的氢能进行甲烷化反应，产生的甲烷一部分进入热锅炉为建筑供应热能，另一部分进入热电联产装置同时为系统供应热能及电能。
优选地，所述供能控制模型为以建筑释放的CO2最小为目标函数的混合整数线性规划模型；所述目标函数的表达式如下：
式中，Ep为释放的CO2总量，T1表示季节，T2表示时段，
为第ts个季节第th个时段的CO2释放量，
为第ts个季节的天数。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括热量平衡约束条件：
式中，
为第ts个季节第th个时段供能系统产生的热量，
为第ts个季节第th个时段消耗的热量，且：
式中，
为第ts个季节第th个时段热电联产输出的热量，
为第ts个季节第th个时段热锅炉输出的热量；
为第ts个季节第th个时段电加热装置输出的热量；
式中，
为第ts个季节第th个时段的建筑热负荷。
优选地，所述供能控制模型的约束条件包括电能平衡约束条件：
式中，
为第ts个季节第th个时段发电系统产生的电能，
为第ts个季节第th个时段消耗的电能，且：
式中，
为第ts个季节第th个时段风力发电产生的电能，
为第ts个季节第th个时段光伏发电产生的电能，
为第ts个季节第th个时段微型水轮机产生的电能，
为第ts个季节第th个时段抽水蓄能装置的放电功率，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置产生的电能；
式中，
为第ts个季节第th个时段水电解装置消耗的电功率，
为第ts个季节第th个时段的建筑电负荷,
为第ts个季节第th个时段电加热装置消耗的电功率；
为第ts个季节第th个时段热电联产装置消耗的电功率。
优选地，所述热电联产装置输出的电能及热量满足其运行可行域，所述运行可行域由四个边界点连接包围而成，四个边界点的坐标分别为a＝{Pa,Ta}，b＝{Pb,Tb}，c＝{Pc,Tc}，d＝{Pd,Td}；Pa、Pb、Pc、Pd分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的电能，Ta、Tb、Tc、Td分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的热量；
所述供能控制模型的约束条件还包括：热电联产装置运行时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置输出的电功率，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置产生的热量，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置的边界变量。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括：抽水蓄能装置的充电功率及放电功率满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的充电功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的放电功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的额定功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的功率边界变量；
储存在抽水蓄能装置中的水能满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段储存的水能，
为之后一个时段装置中储存的水能，
为装置的蓄能容量。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括：水电解装置将电能转化为氢能，并将产生的氢能分别输送给储氢罐和甲烷化装置时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段水电解产生的氢能，
为第ts个季节第th个时段的水电解功率，Cpth为电能转化为氢能的转换系数，ηwe为水电解效率，
为第ts个季节第th个时段储氢罐中储存的氢能，
为之后一个时段储存的氢能，
为第ts个季节第th个时段甲烷化过程中消耗的氢能，
为储氢罐的容量。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括：甲烷化过程中，氢能与吸收的CO2发生反应，产生的甲烷分别供应给热锅炉及热电联产装置时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段甲烷化过程产生的甲烷，Chy为甲烷化过程中氢能的转换系数，
为第ts个季节第th个时段系统吸收的CO2，Cco为甲烷化过程中CO2的转换系数，
为第ts个季节第th个时段输入热锅炉的甲烷，
为第ts个季节第th个时段输入热电联产装置的甲烷。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括：热锅炉输出的热量满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段热锅炉输出热量，
为第ts个季节第th个时段输入热锅炉的甲烷，Cmte为热锅炉的转换系数，
为热锅炉的转换效率，
为热锅炉的容量。
优选地，所述供能控制模型的约束条件还包括：电加热产生的热量满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段电加热产生的热量，
为第ts个季节第th个时段电加热装置消耗的电功率，
为电加热效率，
为电加热装置的容量。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明利用了多种能源资源为建筑供能，包括风、水、光、氢能和甲烷，通过多种能源的互补，综合控制多种能源资源的产能平衡，可以解决风、光能源出力的随机性及间歇性，从而提高了系统运行时的稳定性；而系统释放的CO2则会被吸收并甲烷化，可以尽可能的减少CO2的排放，从而稳定的实现近零碳排放量。
2.本发明采用热电并行方式供能，充分协调建筑的多种负荷需求，具有较强的能源韧性，在N-1情况导致的某产能装置退出供能(即，供能系统中有一个产能装置在无故障或故障状态下退出运行的情况)，仍可以由剩余产能装置继续供能，避免切负荷。
3.本发明在使用的过程中，会对过程的产生剩余能量进行转换处理，如将剩余的电能用于水电解，将剩余的氢能存储在储氢罐中，等等，在实现了能量循环利用的同时，还实现了能源利用率的最大化，可以尽可能的减少能源浪费。
4.本系统的供能控制模型为混合整数规划模型，只需要采用混合整数规划工具包中的CPLEX工具包等工具进行求解，便能够高效快速的求解，使用方便。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
如图1所示，本实施例中公开了一种基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，包括控制系统、热力系统、发电系统和氢能系统。
所述控制系统内存储有供能控制模型，控制系统用于根据供能控制模型控制热力系统、发电系统和氢能系统工作。所述热力系统包括热锅炉和电加热装置。所述发电系统包括风力发电装置、光伏发电装置、微型水轮机、抽水蓄能装置和热电联产装置；发电系统用于产生电能为系统供电，还用于将剩余电能分别输送给电加热装置及氢能系统；电加热装置用于接收到电能后为建筑供应热能。
所述氢能系统包括水电解装置、甲烷化装置和存储氢能的储氢罐；氢能系统用于接受到电能后通过水电解装置进行水电解，并将产生的氢能分别输送给储氢罐和甲烷化装置；甲烷化装置用于吸收系统产生的CO2，还用于将吸收的CO2与接收到的氢能进行甲烷化反应，产生的甲烷一部分进入热锅炉为建筑供应热能，另一部分进入热电联产装置同时为系统供应热能及电能。
其中，所述供能控制模型为混合整数线性规划模型，供能控制模型的制作流程如下：
构建热电联产装置输出能量的约束条件。热电联产装置输出的电能及热量必须满足其运行可行域，运行可行域由四个边界点连接包围而成，坐标分别为a＝{Pa,Ta}，b＝{Pb,Tb}，c＝{Pc,Tc}，d＝{Pd,Td}，则热电联产装置满足的运行约束条件如下：
式中，T1表示季节，T2表示时段，
为热电联产装置在第ts个季节第th个时段(上标ts,th均为此含义，下文不再赘述)输出的电功率，
为热电联产装置产生的热量，
为热电联产装置的边界变量，Pa、Pb、Pc、Pd分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的电能，Ta、Tb、Tc、Td分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的热量。
构建抽水蓄能装置充放电功率的约束条件。抽水蓄能装置的充电功率及放电功率需满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置的充电功率，
为抽水蓄能装置的放电功率，
为抽水蓄能装置的额定功率，
为抽水蓄能装置的功率边界变量。
储存在抽水蓄能装置中的水能满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置中储存的水能，
为上一个时段后装置中储存的水能。
氢能系统中，水电解装置将电能转化为氢能，产生的氢能一部分储存在储氢罐中，一部分送入甲烷化装置，满足约束条件如下：
式中，
为水电解产生的氢能，
为水电解功率，Cpth为电能转化为氢能的转换系数，ηwe为水电解效率，
为储氢罐中储存的氢能，
为上一时段后储存的氢能，
为甲烷化过程中消耗的氢能，
为储氢罐的容量。
在甲烷化过程中，氢能与系统吸收的CO2发生反应产生甲烷，供应给热锅炉及热电联产装置，满足约束条件如下：
式中，
为甲烷化过程产生的甲烷，Chy为甲烷化过程中氢能的转换系数，
为系统吸收的CO2，Cco为甲烷化过程中CO2的转换系数，
为输入热锅炉的甲烷，
为输入热电联产装置的甲烷。
热锅炉输出热量及满足的约束如下：
式中，
为热锅炉输出热量，
为输入热锅炉的甲烷，Cmte为热锅炉的转换系数，
为热锅炉的转换效率，
为热锅炉的容量。
电加热产生热量及满足的约束如下：
式中，
为电加热产生的热量，
为电加热装置消耗的电功率，
为电加热效率，
为电加热装置的容量。
近零碳建筑供能系统产生的电能和消耗的电能应满足能量平衡约束条件。
供能系统的发电装置包括风力发电装置、光伏发电装置、微型水轮机、抽水蓄能装置、热电联产装置，产生的电能如下：
式中，
为供能系统产生的电能，
为风力发电产生的电能，
为光伏发电产生的电能，
为微型水轮机产生的电能，
为抽水蓄能装置的放电功率，
为热电联产装置产生的电能。
消耗电能的负荷包括水电解装置、建筑电负荷、电加热装置及热电联产装置，消耗的电能如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段水电解装置消耗的电功率，
为第ts个季节第th个时段的建筑电负荷,
为第ts个季节第th个时段电加热装置消耗的电功率；
为第ts个季节第th个时段热电联产装置消耗的电功率。
则电能平衡约束条件如下：
近零碳建筑供能系统产生的热量和消耗的热量应满足能量平衡约束条件。供能系统的发热装置包括热电联产装置、电加热装置及热锅炉，产生的热量如下：
式中，
为供能系统产生的热量，
为热电联产输出的热量，
为热锅炉输出的热量；
为第ts个季节第th个时段电加热装置输出的热量。
消耗热量的负荷为建筑热负荷，如下：
式中，
为消耗的热量，
为建筑热负荷。
则热量平衡约束条件如下：
以建筑物释放的CO2最小为目标函数，以式(1)—(23)为约束条件，构建供能控制模型，目标函数表示如下：
式中，Ep为释放的CO2总量，
为每个季节的天数。采用CPLEX求解器进行求解，即可得到近零碳建筑供能系统控制方案。
与现有技术相比，本发明利用了多种能源资源为建筑供能，包括风、水、光、氢能和甲烷，通过多种能源的互补，综合控制多种能源资源的产能平衡，可以解决风、光能源出力的随机性及间歇性，从而提高了系统运行时的稳定性；而系统释放的CO2则会被吸收并甲烷化，可以尽可能的减少CO2的排放，从而稳定的实现近零碳排放量。本发明采用热电并行方式供能，充分协调建筑的多种负荷需求，具有较强的能源韧性，在N-1情况导致的某产能装置退出供能(即，供能系统中有一个产能装置在无故障或故障状态下退出运行的情况)，仍可以由剩余产能装置继续供能，避免切负荷。
除此，本发明在使用的过程中，会对过程的产生剩余能量进行转换处理，如将剩余的电能用于水电解，将剩余的氢能存储在储氢罐中，等等，在实现了能量循环利用的同时，还实现了能源利用率的最大化，可以尽可能的减少能源浪费。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：包括控制系统、热力系统、发电系统和氢能系统；所述控制系统内存储有供能控制模型，控制系统用于根据供能控制模型控制热力系统、发电系统和氢能系统工作；所述热力系统包括热锅炉和电加热装置；
所述发电系统包括风力发电装置、光伏发电装置、微型水轮机、抽水蓄能装置和热电联产装置；发电系统用于产生电能为系统供电，还用于将剩余电能分别输送给电加热装置及氢能系统；电加热装置用于接收到电能后为建筑供应热能；
所述氢能系统包括水电解装置、甲烷化装置和存储氢能的储氢罐；氢能系统用于接受到电能后通过水电解装置进行水电解，并将产生的氢能分别输送给储氢罐和甲烷化装置；甲烷化装置用于吸收系统产生的CO2，还用于将吸收的CO2与接收到的氢能进行甲烷化反应，产生的甲烷一部分进入热锅炉为建筑供应热能，另一部分进入热电联产装置同时为系统供应热能及电能。
2.如权利要求1所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型为以建筑释放的CO2最小为目标函数的混合整数线性规划模型；所述目标函数的表达式如下：
式中，Ep为释放的CO2总量，T1表示季节，T2表示时段，
为第ts个季节第th个时段的CO2释放量，
为第ts个季节的天数。
3.如权利要求2所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括热量平衡约束条件：
式中，
为第ts个季节第th个时段供能系统产生的热量，
为第ts个季节第th个时段消耗的热量，且：
式中，
为第ts个季节第th个时段热电联产输出的热量，
为第ts个季节第th个时段热锅炉输出的热量；
为第ts个季节第th个时段电加热装置输出的热量；
式中，
为第ts个季节第th个时段的建筑热负荷。
4.如权利要求3所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件包括电能平衡约束条件：
式中，
为第ts个季节第th个时段发电系统产生的电能，
为第ts个季节第th个时段消耗的电能，且：
式中，
为第ts个季节第th个时段风力发电产生的电能，
为第ts个季节第th个时段光伏发电产生的电能，
为第ts个季节第th个时段微型水轮机产生的电能，
为第ts个季节第th个时段抽水蓄能装置的放电功率，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置产生的电能；
式中，
为第ts个季节第th个时段水电解装置消耗的电功率，
为第ts个季节第th个时段的建筑电负荷,
为第ts个季节第th个时段电加热装置消耗的电功率；
为第ts个季节第th个时段热电联产装置消耗的电功率。
5.如权利要求4所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述热电联产装置输出的电能及热量满足其运行可行域，所述运行可行域由四个边界点连接包围而成，四个边界点的坐标分别为a＝{Pa,Ta}，b＝{Pb,Tb}，c＝{Pc,Tc}，d＝{Pd,Td}；Pa、Pb、Pc、Pd分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的电能，Ta、Tb、Tc、Td分别为热电联产装置在运行可行域的四个边界点a、b、c、d处产生的热量；
所述供能控制模型的约束条件还包括：热电联产装置运行时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置输出的电功率，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置产生的热量，
为第ts个季节第th个时段热电联产装置的边界变量。
6.如权利要求5所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括：抽水蓄能装置的充电功率及放电功率满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的充电功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的放电功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的额定功率，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段的功率边界变量；
储存在抽水蓄能装置中的水能满足约束条件如下：
式中，
为抽水蓄能装置在第ts个季节第th个时段储存的水能，
为之后一个时段装置中储存的水能，
为装置的蓄能容量。
7.如权利要求6所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括：水电解装置将电能转化为氢能，并将产生的氢能分别输送给储氢罐和甲烷化装置时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段水电解产生的氢能，
为第ts个季节第th个时段的水电解功率，Cpth为电能转化为氢能的转换系数，ηwe为水电解效率，
为第ts个季节第th个时段储氢罐中储存的氢能，
为之后一个时段储存的氢能，
为第ts个季节第th个时段甲烷化过程中消耗的氢能，
为储氢罐的容量。
8.如权利要求7所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括：甲烷化过程中，氢能与吸收的CO2发生反应，产生的甲烷分别供应给热锅炉及热电联产装置时，满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段甲烷化过程产生的甲烷，Chy为甲烷化过程中氢能的转换系数，
为第ts个季节第th个时段系统吸收的CO2，Cco为甲烷化过程中CO2的转换系数，
为第ts个季节第th个时段输入热锅炉的甲烷，
为第ts个季节第th个时段输入热电联产装置的甲烷。
9.如权利要求8所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括：热锅炉输出的热量满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段热锅炉输出热量，
为第ts个季节第th个时段输入热锅炉的甲烷，Cmte为热锅炉的转换系数，
为热锅炉的转换效率，
为热锅炉的容量。
10.如权利要求9所述的基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统，其特征在于：所述供能控制模型的约束条件还包括：电加热产生的热量满足约束条件如下：
式中，
为第ts个季节第th个时段电加热产生的热量，
为第ts个季节第th个时段电加热装置消耗的电功率，
为电加热效率，
为电加热装置的容量。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210431572.XA CN114781872A (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210431572.XA CN114781872A (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 基于风-光-水-氢一体化的建筑供能系统 |
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