【论文精选】风光互补发电系统应用于日光温室大棚的研究
【论文精选】风光互补发电系统应用于日光温室大棚的研究
GAS-HEAT1978
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作 者： 宋晓帆，胡凯，刘伟
第一作者单位： 天津大学建筑设计规划研究总院有限公司
摘自《煤气与热力》2021年10月刊
1 概述
近年来，我国设施园艺发展迅猛，其中日光温室大棚已经占到全国设施园艺面积的 24% ，是一种北方地区应用十分广泛的设施农业形式 ［ 1-2 ］ 。利用风光互补发电系统发电驱动电锅炉供暖，可有效缓解燃煤锅炉的污染问题。
风光互补发电技术在 20 世纪 80 年代初由丹麦的两位学者提出 ［ 3 ］ 。 Karki 等人基于当地风速、太阳辐照度和用电负载曲线，对风光互补发电系统进行优化配置 ［ 4 ］ 。 Sopian 等人 ［ 5 ］ 提出以运行期成本最低为目标，对风光互补发电系统容量进行配置。在风光互补发电系统输出功率预测方面，段彬 ［ 6 ］ 提出了一种变时间尺度的短期功率预测技术，可以按不同分辨率自动调节预测周期。孔波利等人 ［ 7 ］ 建立了基于 BP 神经网络的功率预测模型，通过实例验证了预测模型的准确性。 Yang 等人 ［ 8-10 ］ 针对风光互补发电系统的供电可靠性，提出了一种迭代优化技术，根据供电可靠性和系统最小成本的要求，对光伏组件、风力发电机和蓄电池的数量进行了优化。
本文以天津市某日光温室大棚为研究对象，利用风光互补发电系统发电驱动电 锅炉 供暖。建立风光互补发电系统容量优化模型，根据优化目标和约束条件，采用 MATLAB 遗传算法确定 3 种负荷缺电率下的风力发电机、光伏电池板的最佳数量。计算各方案的动态投资回收期、污染物减排量，确定最佳方案。
2 工程概况
天津地区某日光温室大棚高 2.5 m ，长 75 m ，宽 8.5 m ，供暖期为当年 11 月 17 日至次年 2 月 23 日，共 99 d ，原采用电加热板供暖，但实际供暖效果不佳，不能保证供暖期室内温度不低于 10 ℃的要求。
3 风光互补发电系统容量优化模型
3.1 设备模型
风光互补发电系统见图 1 。光伏电池板、风力发电机通过变流器将电力汇集到直流母线，然后经过逆变器将直流电转换成 380 V 或 220 V 的交流电，再经过升压变压器馈入市电网。当光伏电池板、风力发电机发电能力不足时，可由市电网供电。日光温室大棚供暖用电基本集中在供暖期夜间，利用风光互补发电系统在白天的发电为电锅炉供电，向蓄热水箱蓄热，夜间通过散热器为日光温室大棚供暖。
图 1 风光互补发电系统
①风力发电机模型
风力发电机的设备参数见表 1 。
表 1 风力发电机设备参数
表 2 标准测试条件下备选光伏电池板的性能参数
3.2 风光互补发电系统容量优化模型
③优化结果
供暖室内设计温度取 10 ℃，通过导入天津地区典型年气象参数（全年的风速、太阳辐照度以及环境温度等），采用 EnergyPlus 能耗模拟软件模拟日光温室大棚逐时热负荷，计算电锅炉日用电量，将其作为风光互补发电系统容量的计算依据。由模拟结果可知，日光温室大棚最大逐时热负荷为 22.5 kW ，考虑散热损失，电锅炉的额定热功率选取 25 kW 。
采用 MATLAB 遗传算法，确定 3 种负荷缺电率下的风力发电机、光伏电池板数量。方案 1 ：负荷缺电率小于等于 1% 时，配置 158 块光伏电池板和 5 台 5 kW 风力发电机。方案 2 ：负荷缺电率小于等于 5% 时，配置 121 块光伏电池板和 5 台 3 kW 风力发电机。方案 3 ：负荷缺电率小于等于 10% 时，配置 85 块光伏电池板和 5 台 3 kW 风力发电机。
4 综合性能比较
4.1 计算结果
根据优化结果以及天津地区典型年的逐时室外风速、太阳辐照度、环境温度等气象参数，可计算得到 3 种方案的全年逐时发电功率。由计算结果可知， 3 种方案的全年逐时发电功率均比较平稳。这是由于天津地区的太阳辐照度非供暖期较强，供暖期较弱，而风速变化恰好相反，符合风光互补的特性。
由计算结果可确定 3 种方案的缺电日期、年发电量、年市电用电量、年上网电量。方案 1~3 的缺电日数量分别为 2 、 5 、 8 d 。 3 种方案的年发电量、年市电用电量、年上网电量见表 3 。年市电用电量除电锅炉用电量外，还包括系统中其他设备的用电量。
表 3 3 种方案的年发电量、年市电用电量、年上网电量
3 种方案的设备造价与年运行维护成本见表 4 。根据《 2018 年全国光伏发电上网电价表》，天津地区属于太阳能二类资源地区，发电上网电价按照 0.75 元 / （ kW · h ）计算。天津市农业用电价格取 0.5 元 / （ kW · h ）。由此可计算得到项目支出（年运行维护成本、年市电费）、收入（年上网电费），不考虑人员工资。
表 4 3 种方案的设备造价与年运行维护成本
4.2 经济性分析
表 5 3 种方案的污染物减排量
4.4 综合评价
由以上分析可知，综合考虑负荷缺电率、设备造价、动态投资回收期、污染物减排量，方案 2 的综合性能最好。
5 结论
综合考虑负荷缺电率、设备造价、动态投资回收期、污染物减排量，方案 2 的综合性能最好。
参考文献：
［ 1 ］张震，刘学瑜 . 我国设施农业发展现状与对策［ J ］ . 农业经济问题， 2015 （ 11 ）： 64-70.
［ 2 ］魏晓明，周长吉，操楠，等 . 中国日光温室结构及性能的演变［ J ］ . 江苏农业学报， 2012 （ 4 ）： 855-860.
［ 3 ］尹静，张庆范 . 浅析风光互补发电系统［ J ］ . 节能与新能源， 2008 （ 8 ）： 43-45 ， 75.
［ 4 ］朱芳，王培红 . 风能与太阳能光伏互补发电应用及其优化［ J ］ . 上海电力， 2009 （ 1 ）： 23-26.
［ 5 ］ SOPIAN K ， ZAHARIM A ， ALI Y. Optimal operational strategy for hybrid renewable energy system using genetic algorithm ［ J ］ . Wseas Transactions on Mathematics ， 2008 （ 7 ）： 130-140.
［ 6 ］段彬 . 风光互补发电控制系统中的短期功率预测研究（硕士学位论文）［ D ］ . 成都：电子科技大学， 2011 ： 24-50.
［ 7 ］孔波利，崔丽艳，丁钊，等 . 基于风光混合模型的短期功率预测方法研究［ J ］ . 电力系统保护与控制， 2015 （ 18 ）： 62-66.
［ 8 ］ YANG H X ， LU L ， BURNETT J. Weather data and probability analysis of hybridphotovoltaic-wind power generation systems in Hong Kong ［ J ］ . Renewable Energy ， 2003 ， 28 ： 1813-1824.
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［ 11 ］丁明，王波，赵波，等 . 独立风光柴储微网系统容量优化配置［ J ］ . 电网技术， 2013 （ 3 ）： 575-581.
［ 12 ］朱兰，严正，杨秀，等 . 风光储微网系统蓄电池容量优化配置方法研究［ J ］ . 电网技术， 2012 （ 12 ）： 26-30.
［ 13 ］汪世启 . 关于动态投资回收期评价准则的比较［ J ］ . 技术经济， 2005 （ 9 ）： 96-97.
（本文责任编辑：贺明健）
1、 分布式风光电联合供热系统运行策略优化计算
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