CN115705541A

CN115705541A - 一种风力发电机全生命周期评价系统

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Publication number: CN115705541A
Application number: CN202110916092.8A
Authority: CN
Inventors: 安晋静; 郑立荣; 陈国平; 邹卓; 孙耀杰
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2023-02-17

Abstract

本发明涉及风电行业技术领域，具体是一种风力发电机全生命周期评价系统，包括：单元过程管理模块，用于产品的分解和工艺流程的识别；流管理模块，根据产品的分解和工艺流程的识别，获取各类资源和能源消耗的数据；数据库管理模块，用于数据添加、数据存储和数据调用；清单数据处理模块，根据所述数据管理模块和所述流管理模块中的参数计算出能源消耗量和环境排放量，并对个指标进行表征。本系统不仅能完整准确地获取数据，而且可有效提高生命周期评价结果的准确程度。

Description

一种风力发电机全生命周期评价系统

技术领域

本发明涉及风电行业技术领域，尤其涉及一种风力发电机全生命周期评价系统。

背景技术

生命周期评价(LCA)自20世纪60年代提出以来，已经取得了显著的进展。LCA是评估与产品有关的环境因素及其潜在影响的技术，通过量化产品生命周期中的能源消耗和环境排放物来评价其在能源和环境方面的表现，并针对性的提出改善建议。即LCA旨在评价产品整个生命周期过程输入输出的影响，涉及原材料获取、生产制造、材料及产品运输、使用维护以及报废处理等阶段。作为一种评价与产品相关的环境因素及其潜在影响的技术，LCA已成为评价产品生命周期内能源消耗和环境影响的重要工具。

因此，为了最大限度地减少能源消耗和环境排放，有必要通过准确的风电机组LCA评价，基于能源消耗和污染物排放的量化，得到资源环境成本和节能减排潜力，从而实施绿色设计、优化能源管理。风电机组的LCA评价不仅有助于企业对关键耗能部件进行绿色设计或改进，而且有助于风电行业从终端化管理模式向全生命周期管理模式转变。

清单分析是对风电机组所有相关过程的基础数据进行收集和客观化的过程，主要包括分析风机的原材料消耗、生产制造耗能、材料及产品运输耗能、运行维护以及报废处理的相关数据等。清单分析获取的数据是否完整以及是否准确直接影响LCA评价结果的准确程度。

因此，急需一种新的改进来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的问题，提供了一种风力发电机全生命周期评价系统，基于单元过程管理模块完成风电机组的分解，从流管理模块可以获得各类资源和能源消耗的数量，清单数据处理模块可以根据数据库管理模块中的参数计算出能源消耗总量和环境排放量，并对各种指标进行表征。

上述目的是通过以下技术方案来实现：

一种风力发电机全生命周期评价系统，包括：单元过程管理模块，用于产品的分解和工艺流程的识别；流管理模块，根据产品的分解和工艺流程的识别，获取各类资源和能源消耗的数据；数据库管理模块，用于数据添加、数据存储和数据调用；清单数据处理模块，根据所述数据管理模块和所述流管理模块中的参数计算出能源消耗量和环境排放量，并对个指标进行表征。

进一步地，所述单元过程管理模块采用层次分析法确定研究对象的最优分解路径。

进一步地，所述流管理模块包括物质流管理和能量流管理，用户可以添加、修改、删除和查看各机组的物质流和能量流信息，为风电机组的清单数据处理提供支持。

进一步地，所述数据库管理模块包括LCA基础数据库、物质名录数据库、企业信息数据库和产品信息数据库；

所述LCA基础数据库，为现有成熟的数据库，通过该数据库可以获得生产制造阶段的单位电耗、原材料获取阶段单位质量材料、运输阶段的单位油耗以及报废阶段不同处理方式的资源消耗和环境影响数据；

所述物质名录数据库，采用国际生命周期基准数据系统的物质名称和单位，并根据风电机组的特点增加物质名录；

所述企业信息数据库，用于存储风电机组全生命周期所涉及的企业信息，通过企业登记备案获取；

所述产品信息数据库，用于存储风电机组全生命周期的基础数据、运行维护数据、环境影响和能耗数据。

进一步地，所述清单数据处理模块包括LCIA指标管理单元、在线建模单元和数据处理单元；

所述LCIA指标管理单元，存储有评价指标类型、不同类型指标之间的换算系数、相关行业或地区的环境影响评价标准数据，支持完整的LCIA特征化指标、归一化指标和加权综合指标的计算；

所述在线建模单元，将面向问题的中间类型方法和面向结果的损害类型方法两者结合，建立风力发电机的LCA模型；

所述数据处理单元，包括环境影响潜值的计算、标准化和权重评价。

进一步地，所述在线建模单元中，将面向问题的中间类型方法和面向结果的损害类型方法两者结合的方法包括mpact 2002+、ReCiPe 2008、ILCD/PEF/0EF和Impact World+。

进一步地，在所述数据处理单元中，环境影响潜值是指产品在整个生命周期内的环境排放或资源消耗的总和，公式如下：

EP(j)＝∑EP(j)_i＝∑[Q(j)_i×EF(j)_i]

其中，EP(j)为第j类环境影响潜值，j＝【GWP，AP，EP，ODP，WS……】，EP(j)_i为物质i对第j类环境影响潜值的贡献，Q(j)_i为物质i的排放量，EF(j)_i是物质i对第j类环境影响潜值的当量因子。

进一步地，在所述数据处理单元中，所述标准化的公式如下：

其中，NEP(j)是标准化后的潜在环境影响和资源消耗，ER(j)是环境影响潜值的基准，随所在地区及评价时间变化。

进一步地，在所述数据处理单元中，所述权重评价的公式如下：

WP(j)＝WF(j)×NEP(j)

其中WP(j)为加权后的潜在环境影响，WF(j)为潜在环境影响j的权重系数。

进一步地，在所述数据处理单元中，当产品由多个组分组成，则产品的环境影响潜势是所有组分的环境影响潜势之和，公式如下：

其中，EP(j)为风力发电机的第j类环境影响潜值，EP_x(j)表示构件x的第j类环境影响潜值；

和

分别表示构件x在流通阶段的第j类环境影响潜值。

有益效果

本发明所提供的一种风力发电机全生命周期评价系统，基于单元过程管理模块完成风电机组的分解，从流管理模块可以获得各类资源和能源消耗的数量，清单数据处理模块可以根据数据库管理模块中的参数计算出能源消耗总量和环境排放量，并对各种指标进行表征。本系统不仅能完整准确地获取数据，而且可有效提高LCA评价结果的准确程度。

附图说明

图1为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的模块示意图；

图2为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的工作流程图；

图3为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的风机分解示意图；

图4为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的风机LCA评价的主要影响因素表；

图5为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的风力发电机组生命周期评价模型图；

图6为本发明所述一种风力发电机全生命周期评价系统的资源环境指标的主要影响因子和功能单位表。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和2所示，一种风力发电机全生命周期评价系统，包括四个模块，如下：

单元过程管理模块，用于产品的分解和工艺流程的识别；

流管理模块，根据产品的分解和工艺流程的识别，获取各类资源和能源消耗的数据；

数据库管理模块，用于数据添加、数据存储和数据调用；

清单数据处理模块，根据所述数据管理模块和所述流管理模块中的参数计算出能源消耗量和环境排放量，并对个指标进行表征。

工作方式为：基于单元过程管理模块完成风电机组的分解，从流管理模块可以获得各类资源和能源消耗的数量，清单数据处理模块可以根据数据库管理模块中的参数计算出能源消耗总量和环境排放量，并对各种指标进行表征。

实施例1

本系统中，所述单元过程管理模块是生命周期评价中最基本的单元。在该模块中，完成了研究对象的分解和工艺流程的识别。同时，为了定量地确定输入输出相应的数据，用户需要在本模块中输入研究对象的单元过程属性数据，并在此基础上实现研究对象所有单元过程的管理。

对风力发电机而言，其结构复杂、零部件的种类和材料数量庞大。如何分解以及对其零部件材料和重量进行归类处理是一个关键性问题，这对评价结果的准确性起着至关重要的作用。本研究采用层次分析法确定研究对象的最优分解路径采用层次分析法确定研究对象的最优分解路径。

以某风力发电机为例，其分解层次如图3所示。

生命周期评价着眼于整个生命周期，深入到每个过程中分析输入和输出数据。因此，还需要确定工艺流程每个阶段的关键影响因素。在此基础上，对各基本单元的数据进行输入输出，并对各阶段的数据进行分类汇总。各阶段风电机组生命周期评价的主要影响因素如图4所示。

实施例2

本系统中，所述流管理模块包括物质流管理和能量流管理，物质流/能量流信息数据是为了记录在风力发电机组生命周期评价过程中，不同单元过程之间的物质/能量交互情况，是联系不同单元过程的纽带。在该模块中，用户可以添加、修改、删除和查看各机组的物质流和能量流信息，为风电机组的清单数据处理提供支持。

实施例3

本系统中，数据库管理模块是支持完成风电机组全生命周期评价的重要模块，主要是实现数据添加、数据存储以及数据调用功能。对于用户来说，可以方便、及时、准确地从数据库中获取所需的数据。

所述数据库管理模块包括LCA基础数据库、物质名录数据库、企业信息数据库和产品信息数据库；具体如下：

(1)所述LCA基础数据库：现有的成熟数据库，包括瑞士Ecoinvent、欧洲生命周期文献数据库、中国生命周期基础数据库、德国GaBi数据库、美国NREL-USLCI数据库等。从这些数据库中可以获得生产制造阶段的单位电耗、原材料获取阶段单位质量材料、运输阶段的单位油耗以及报废阶段不同处理方式的资源消耗和环境影响数据等。用户可根据需求进行选择；

(2)物质名录数据库，主要采用国际生命周期基准数据系统的物质名称和单位，并根据风电机组的特点增加物质名录；

(3)企业信息数据库：主要存储风电机组全生命周期所涉及的企业信息，包括企业名称、组织机构代码、企业标识、标识规则、企业地址、法人信息、责任人信息、企业网址等基础资料。该数据库信息主要通过企业登记备案获取；

(4)产品信息数据库：主要存储风电机组全生命周期的基础数据、运行维护数据、环境影响和能耗数据。基础数据包含了各种风电机组的结构信息，明确了风机与零部件之间、零部件相互之间的结构关系。在该数据库中，基础数据主要通过与企业信息系统对接获取，运行维护数据和环境影响、能耗数据通过物联网技术实时监测获取。基于该数据库，生命周期评价的可用性和实时性可以得到显著提高。

实施例4

本系统中，所述清单数据处理模块是本平台的核心模块。该模块基于物质流、能量流、单元过程、数据库等模块的数据支撑，通过在线建模和相应的算法，对各阶段资源与环境的输入与输出之间的数据进行量化和分析，包括生命周期影响评价(LCIA)指标管理、在线建模单元和数据处理单元；具体如下：

(1)所述LCIA指标管理单元：主要存储了评价指标类型、不同类型指标之间的换算系数、相关行业或地区的环境影响评价标准数据等。支持完整的LCIA特征化指标、归一化指标和加权综合指标的计算，是数据归一化和环境影响因子单位统一的重要支撑模块。

(2)所述在线建模单元：本实施例基于IMPACT2002+方法，将所有类型的生命周期清单结果通过14个中点类别连接到4个损伤类别，提出了一种结合中点和损伤的可行方法，并建立了风力发电机的LCA模型。与其他方法相比，该模型降低了评价过程的复杂性和不确定性，为下一步的优化提供方向。

如图5所示，在中间因子层选择了全球变暖潜值、固体废弃物、富营养化潜值、酸化潜值、化学需氧量、可吸入无机物、工业用水量、一次能源消耗及臭氧消耗潜能这9个指标进行分析，并将中间类型与损害类型相结合，用环境损害指标“气候变化、生态系统质量、资源消耗和人类健康”量化结果表示对环境的影响。

由于以往的数据采集都是针对每个单元过程进行的，为了保证评价结果的准确性和完整性，必须在数据处理前确定一个数据的计量参照——功能单位。在本平台中，原材料获取阶段的功能单位是各种原材料的重量，单位是千克；制造阶段的功能单位是制造消耗的电能，单位是千瓦时；运输阶段的功能单位是运输距离以及运输方式消耗的能源，单位是千米和升；报废处理阶段的功能单位主要是回收材料的重量，单位是千克。

各资源环境指标的主要影响因子及其功能单位如图6所示。

(3)所述数据处理单元：根据ISO14040标准的框架，LCA评价的数据处理过程包括：环境影响潜值的计算、标准化和权重评价。

其中，环境影响潜值是指产品在整个生命周期内的环境排放或资源消耗的总和，公式如下：

EP(j)＝∑EP(j)_i＝∑[Q(j)_i×EF(j)_i]

为了比较和分析不同类型的环境影响，有必要进行标准化，所述标准化的公式如下：

为了更合理地分析和评价不同的环境影响类型，有必要进行权重评价，所述权重评价的公式如下：

WP(j)＝WF(j)×NEP(j)

对于由多个组分组成的产品，则产品的环境影响潜势是所有组分的环境影响潜势之和，公式如下：

和

分别表示构件x在流通阶段的第j类环境影响潜值。

以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，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。