邱健蓄电池与氢能储能系统在近零能耗建筑中的瞬态性能对比评估与优化

本研讨旨在讨论太阳能体系与修建的整合计划，以完成零能耗修建方针。本研讨以伊朗阿巴斯港市一典型修建为研讨对象。鉴于可再生动力具有间歇性特征，储能体系对保证动力供给至关重要。本事例研讨的主要方针是比较两种不同的储能办法：电池储能 %%氢气储存TRNSYS作为一种强大的瞬态模仿程序，被用于树立动力体系TRNSYS的动力体系模仿为消费者供给了多项明显优势，但缺少优化办法。本文主张选用神经网络-遗传算法优化作为解决该问题的计划。研讨结果标明，在装备battery和H的体系中存储体系可为修建物供给39%和37%的电力需求光伏电池板别离满意。研讨结果标明，在主体系中集成存储设备可进步体系动力安全性并下降对电网的依靠。随后，经过神经网络-遗传算法优化办法计算出2电解槽与燃料电池的最佳功率参数。该最优装备具有最低的电力供给缺少概率(LPSP)、二氧化碳排放及设备本钱。选用MATLAB软件执行优化过程。依据评价数据，该储氢体系产生的总二氧化碳2排放量、电力不足概率及总本钱别离为342（吨/年）、0.841和0.637（欧元·小时）。此外，参数化研讨2根据蓄电池体系的研讨标明，在最佳容量（7千瓦）条件下，电力不足概率（LPSP）、一氧化碳排放量（CO）及本钱别离为0.5412、249（吨/年）和0.2751（欧元·小时）。−1由此可见，蓄电池是本事例研讨中较为理想的储能解决计划。parametric study on the battery-based system showed that with the best capacity (7 kW), the values of LPSP, CO2, and cost are 0.5412, 249 (ton/year), and 0.2751 (EUR.hr−1), respectively. Consequently, the battery is an appropriate storage solution for this case study.

引言

当前世界正面对动力需求与本钱急剧上升、化石燃料供给干涸的局面，这使得动力安全与环境保护的需求比以往任何时候都更加重要。住所与商业修建的能耗继续攀升，导致电力与供热需求激增，并明显加剧了温室气体排放。依据世界动力署（IEA）[1]的数据，全球超越40%的直接与间接二氧化碳排放来自修建范畴。2修建排放量占全球总量的近40%，且超越三分之一的终端动力消耗与修建相关。因而，可继续动力供给范畴的立异对于供给可靠清洁动力、进步人类日子水平至关重要[2]。为完成这一方针，零能耗修建或动力中性结构的概念应运而生。维持室内热舒适度与下降能耗是修建动力调控的两大基本方针[3]。根据被动式规划与能效要求，Yong[4]提出了与中国零能耗修建（ZEBs）标准相当的超低能耗修建界说。Reda[5]研讨了北欧国家在集成太阳能技能与使用多样化修建规划理念时零能耗修建的体现，主张选用光伏体系与地源热泵作为完成零能耗修建理念的技能途径。
零能耗修建仅考量修建运行能耗，而净零能耗修建则进一步归入建材出产与施工阶段的动力消耗。因而，研讨者可尝试规划净零能耗修建，或将既有修建改造为绿色修建[6]。在此背景下，将太阳能等可再生动力整合至修建体系中成为最具可行性的途径之一。修建物须经过优化规划，确保可再生动力供电体系的年能耗需求处于较低水平[7]。
太阳能被视为一种更具本钱效益且环境友好的应对全球变暖的办法。这些资源亦可归入修建行业，以削减对电网供电的依靠[8]。随后，Calise等人[9]研讨了不同区域学校中太阳能体系的使用。该研讨结果积极，显示出明显的节能潜力。此外，过去几年太阳能电池板商场继续明显扩张，可满意修建设施的用电需求。为满意修建物的动力需求以及制冷与供热需求，Gholamian等人[10]规划了一套由光伏/光热(PVT)面板、微型燃气轮机(MGT)和吸收式制冷机组成的三联产体系。Behzadi与Arabkoohsar[11]提出并研讨了一种本地热电双向联供的双联产体系。在他们提出的体系中，太阳能光伏-光热(PVT)面板与储热罐被用于构建智能修建动力体系。该体系未装备蓄电池，因而产生的电能与热能较少。
李等人[12]提出了一种立异的多代代体系，以满意寓居修建的供热与供电需求。他们发现选用集成式太阳能体系可使动力效率进步38%。研讨结果还标明，有用整合是下降本钱和削减污染物的前景广阔的Strategy。从本钱与排放视点动身，杨等人[13]研讨了结合太阳能压缩空气储能与燃气轮机的修建冷热电联供体系（CCHP）。Tse等人[13]对光伏热（PVT）板及结合太阳能集热器的混合光伏体系进行了技能经济评价，以供给香港某办公楼的电力与日子热水需求。经过利用光伏板余热，他们证明了PVT板具有更短出资回收期和更高功能效率的优势。
Sharma等[15]提出了一种适用于挪威的、结合光伏板与蓄电池的并网修建计划。Pinamonti与Baggio[16]运用TRNSYS软件，比照剖析了太阳能修建动力体系的多种装备计划与传统并网空气-空气热泵的功能差异，发现光伏辅助热泵体系的能效高于传统空气-空气热泵。Zarei等[14]研讨了根据光伏光热一体化技能的新式多联供体系与光伏发电体系在住所修建中的热力学及经济特性。研讨观察到光伏光热体系的热电联产使效率进步11%。
近年来，随着电池与氢能在储能及运送范畴技能的快速开展，根据电池与氢能的可再生动力体系在修建供电中的有用性研讨日益受到重视。经过事例研讨与参数化计算，学界已对选用电池与氢能存储的可再生动力体系在修建供电中的技能可行性及财政合理性进行了论证[14]。为进步光伏在工业与修建范畴的利用率，储能体系的使用势在必行。在离网区域使用可再生动力时，铅酸蓄电池通常是最合理的解决计划。自20世纪90年代以来，已有研讨致力于体系规划优化，以确认最佳电池容量和最低本钱。1998年，El-Hefnawi[15]开发了Fortran程序来优化光伏和蓄电池的容量。Modi等人[16]将165升家用电动冰箱改造为太阳能供电体系，该研讨选用了两组12V-135Ah蓄电池组和140W太阳能发电设备。他们主张选用更大面积的光伏板和额外备用电池组以构建更具可继续性的体系。若缺少初始财政鼓励，该计划在经济上不可行。
为满意希腊某实验室的电力动力需求，Karaoulanis等人[17]研讨了光伏-柴油-电池混合体系的使用计划。在可再生动力占比41.7%的条件下，该混合体系被证实是最有用的独立供电解决计划。
Silva等人[18]针对巴西托坎廷斯州亚马逊偏远定居点，别离剖析了（光伏+电池）与（光伏+燃料电池+电池）两种规划计划，对混合可再生动力体系的使用进行了研讨。研讨标明，电池储能在经济性上优于氢储能。Wang等人[19]研讨了一种装备储热设备的光伏冷却体系，经过一次动力节省率指标，别离比照了电池储能、冰蓄冷及其他相变材料储冷体系的功能。TRNSYS模仿结果显示，电池储能比相变材料储冷具有更高的节能效益。Liu等人[20]提出了一种独特的修建光伏热电一体化动力体系，该体系装备热泵和热电发电机。作者指出，选用蓄电池等储能技能可经过削减太阳辐射波动来进步体系功能。
张等人[21]研讨了利用光伏板为瑞典住所修建供电的计划，并在不同光伏容量下对蓄电池储能与氢储能办法进行了比照研讨。经过剖析净现值和自给率指标，他们发现蓄电池储能体系的综合功能优于氢储能体系。在意大利，贝尔蒙特等人[22]对根据蓄电池和燃料电池的可再生动力存储计划进行了比照评价。研讨标明，由于电解槽的能耗需求，氢储能体系需求装备最大规划的光伏阵列。这导致该体系本钱上升，使其造价高于其他储能计划。
文献综述可识别出三个关键问题。首先，存在一个中心疑问：为何在现有很多研讨基础上，光伏板体系的实际使用规划仍未达到预期水平。其次，需求探求阿巴斯港市在利用太阳能满意修建电力需求方面的潜力程度。第三，需明确何种电能存储办法（蓄电池储电或氢能存储）更适用于阿巴斯港区域。
第一个问题的解决计划或许因动力方针、立法等多种因素而变得复杂。但是，阻碍这些体系使用的最重要原因无疑是其高昂本钱。因而，本研讨主张从经济性和功能视点对装备电池储能与氢能储能的太阳能电池板体系进行比照剖析。针对第二个问题，动态模仿是研讨不同时节气候条件下体系体现的最佳办法。
本研讨的中心贡献可归纳为以下要点：

• (a)
  在SketchUp软件中绘制与美国动力部(DOE)相关的中层公寓修建原型，并在OpenStudio和EnergyPlus软件中进行建模。
• (b)
  呈现2022年伊朗阿巴斯港区域全年太阳辐射与温度变化情况。
• (c)
  经过考虑最恶劣工况下的暗影遮挡（冬至日12月21日日出后1小时即上午8时），确认光伏组件的最优设备数量。
• (d)
  在TRNSYS软件中提出并模仿根据太阳能发电的体系计划，以满意修建的电力需求。
• (e)
  在所选定城市的气候条件下评价主张体系的功能。
• (f)
  对两种电能存储办法（包括电池存储与氢能存储）的调研及其比较剖析。
• (g)
  经过神经网络-遗传算法技能，所开发的体系得以完善，以寻找CO排放与LPSP之间的最优平衡。