电池、氢能、抽水蓄能与热储能技术在混合可再生能源系统集成中的综合比较

本研讨对以下储能技术进行了全面、定量化的技术经济与环境效益对比分析：电池储能系统抽水蓄能水电储能存储技术热能存储针对光伏/风力混合系统集成的燃料电池储能技术。政策是使混合系统的净现值本钱(NPC)最小化，一同保持特定的电力供应短少概率。为完结这一政策，本研讨选用布谷鸟搜索算法同步优化太阳能电池板数量、风力涡轮机、蓄电池组，以及电加热器容量、储热设备、动力区块、液压泵/涡轮机组、高位水箱、电解槽、燃料电池和储氢罐。为翻开研讨，咱们设置了十二种不同的场景来表征概括动力系统在技术、经济和环境层面进行了优化与比较。研讨场景包括光伏电池板, 风力涡轮机, 电池储能系统、抽水蓄能热能存储热电储能（TES）和燃料电池储能技术。这些景象针对三种实践电力读档需求进行点评，分别代表喀麦隆库塞里区域常见的高负荷活动（HA）、中负荷活动（MA）和低负荷活动（SA）的功率需求。成果标明，光伏/风电/TES系统是满足SA、MA和HA电力读档需求最具本钱效益的配备方案。光伏/风电/TES混合系统取得的组件最优数量/容量及动力本钱（COE）如下：关于SA场景，最优系统集成17块太阳能电池板、1台风力涡轮机、0.67 kW逆变器、19 kW储热设备、3.74 kW电加热器和1.90 kW动力区块，净现本钱（NPC）为11,989.90美元，COE为0.2218美元/千瓦时。关于MA场景，理想配备包括25块太阳能电池板、1台风力涡轮机、1.13 kW逆变器、31 kW储热设备、5.29 kW电加热器和3.23 kW动力区块，NPC为17,390.08美元，COE为0.2277美元/千瓦时。关于HA系统，最优配备包括42块太阳能电池板、1台风力涡轮机、2.10千瓦逆变器、48千瓦储热设备、7.98千瓦电加热器和5.36千瓦动力区块，其净现本钱为27,444.29美元，平准化动力本钱为0.2100美元/千瓦时。此外，敏感性分析和电网扩展盈亏平衡间隔分析标明，无论负荷曲线、资源禀赋和动力价格怎么改动，储热系统始终是最经济的选择。存储本钱.

引言

全球化石燃料的干涸及其对地球的有害影响，激发了全球范围内减少化石燃料耗费和探求替代动力的努力。为应对全球变暖与化石燃料干涸问题，当时以火力发电为主导的动力结构必须被环保型动力所替代[1]。太阳能与风力发电机作为最老练且遍及的可再生动力技术，是完结动力转化最具环保性的办法之一。可是，由于其间歇性特征，这些技术在确保持续电力供应方面可靠性较低[2]。风能运用设备（如风力涡轮机）一般需求大规模装置[3]，并广泛运用于偏远区域及海上场所[4]。可是，关于装置面积有限的建筑而言，太阳能作为供电电源是更优选择，且更易与现有结构整合。无性向在传统电网未覆盖区域供应可持续电力是多性动力混合系统的优势之一。为完结产能与动力办理的最优化，混合系统一般需将多性向动力及储能设备整合至单一系统[5]。混合可再生动力系统是一种极具吸引力的拓扑结构，可运用于多种用处，尤其是在独立发电系统范畴，包括电力供应[5,6]、农业灌溉[[7], [8], [9]]、水泵抽水[10]以及电信通讯[11,12]。此类系统的最大优势在于其操作方便性及对单一动力的独立性，然后可以完结昼夜高效工作。由于包括多种动力与储能设备，该系统相较于单一动力系统具有更高的复杂性。将储能系统整合至光伏/风电互补混合系统中，可有用前进环境友好型动力的渗透率与可靠性[13]。由于储能具有可控特性，该系统应对间歇性可再生动力的呼应才干亦得到增强[14]。关于并网型混合系统，集成储能模块具有调度电网频率的才干，一同可通过功率流调控满足建筑用电需求，然后前进动力自主性[3]。因此，为完结高效的家庭电力配送，研讨在光伏/风电混合系统中整合不同储能技术至关重要。储能技术为前进环保型发电厂的调度才干供应了有用处理方案。通过高效存储可再生动力发生的过剩电力，该技术可作为处理绿色可持续动力电站输出不坚定性的跨链桥。该才干在减少不坚定、确保可再生动力供电更安稳可靠方面具有关键效果。当发生绿色可持续动力的发电厂忽然关闭时，储能系统还可作为备用电源供应持续优质电力[4]。此外，储能技术能有用防止可再生动力设备的容量过剩问题，然后前进环保动力的利用率。清洁动力与储能技术的大规模部署受限于其昂扬的初始投资本钱[13]。因此，在规划与规划阶段承认各组件的最优容量至关重要，其政策是在混合电力系统中以最小本钱完结最高可靠性。
许多研讨对融合多种储能技术的混合可再生动力系统进行了技术经济点评与容量前进分析，关键重视参数化研讨和运用案例。Ma等学者[15]以动力本钱最小化和供电短少概率最低化为政策函数，探讨了独立风景/抽水蓄能系统的最优配备方案。研讨成果标明，风景互补协作模式比独自选用风电或光伏更具经济优势。Jahannoosh等人[16]通过优化规划，构建了最适合伊朗住商中心动力需求的光伏/风电/燃料电池储能(FCS)系统。该规划问题针对多种混合系统配备翻开，包括光伏/FCS、风电/FCS以及光伏/风电/FCS系统，并设定了不同等级的最大容许读档间断概率。与其他配备方案比较，研讨成果杰出标明：光伏/风电/FCS混合系统具有更优的经济性，其全生命周期本钱更低；由于读档间断概率下降（即住商中心供电可靠性前进），该系统可持续性也更强。Guo等人[17]选用随机优化技术，为建筑供电系统规划了集成电池储能(BES)的最佳离网型风景互补系统。在太阳能/电池储能系统优化研讨中，选用了多种太阳能电池板类型（单晶硅、多晶硅与薄膜电池），并将其成果与风力发电/电池储能系统进行对比。概括考虑经济性、技术性和环境要素，研讨成果标明多晶硅光伏太阳能/电池储能系统比替代方案更适合建议选址。通过多政策粒子群优化算法，Guo等人[18]研讨了光伏/风电/储热混合系统的电网依赖性多政策容量优化问题。该研讨以动力本钱与输电通道利用率为优化政策。成果标明，引入储热设备可显着前进光伏/风电混合系统的经济性与可靠性。Bhayo等[1]点评了光伏/电池储能系统及光伏/电池储能/抽水蓄能系统的功率办理功用，并供应了多种电力供应短少概率政策。关于PV/BES和PV/BES/HES系统，他们发现供电概率下降2%分别导致动力本钱下降约31.3%和28.8%。当考虑PV/BES/HES系统在供电间断概率值为0.02、0.04、0.06、0.08及0.10的情况下，其电力系统生产率相较于PV/BES系统分别前进了约11.8%、2.8%、0.0%、1.3%、1.3%和1.3%。Chowdhury等[19]选用优化混合整数线性规划范式，对孟加拉国罗兴亚难民营某医疗机构的PV/BES系统工作效率进行建模。其研讨标明，最优系统配备由643 kW太阳能电池板和102 kW储能单元组成。该研讨还得出该系统在全生命周期可节约27,212美元，并能承受24小时断电的定论。Roy等[20]为印度孤立的独立孙德尔本斯区域优化了一套组合系统，该系统由太阳能电池板、风力与生物质发电机以及配备燃料电池存储单元的反渗透海水淡化设备构成。研讨发现，该最优处理方案能以0.1967美元/千瓦时的电力本钱和0.86美元/立方米的淡水本钱，一同满足该区域的电力与清洁用水需求。3通过生物质发酵设备，每年可发生244,845吨沼气并发电。这些沼气来源于农业、市政、动物及污水废弃物。与天然气发电厂和柴油发电厂比较，该方案分别能显着减少CO2排放。减排幅度分别到达约86%和57%。Aceituno Dardon与Farzaneh[35]研讨了一种配备蓄电池存储的光伏-风力涡轮机-生物发电机混合系统的经济可行性与技术功用，该系统能满足危地马拉上韦拉帕斯区域典型家庭的动力需求。该研讨分析了三种景象：I)满足家庭根底用电需求，II)应对烹饪与热水供应增长的电力需求，III)考虑可再生动力市场效果下的2050年未来电能需求。根据景象II，由2.46千瓦光伏系统、2.20千瓦生物质发电机和16千瓦时电池容量组成的混合动力方案，其平准化动力本钱（COE）为0.605美元/千瓦时。Guo与Niu[36]提出了一种两阶段嵌套优化办法，用于优化耦合电池、氢能与储热的光伏/风电混合系统。案例研讨标明，当混合系统用于满足86.27兆瓦时的年负荷需求时，通过所提出的两阶段嵌套优化办法取得的最优容量配备为：76千瓦光伏、162.87千瓦时电池，此刻电力短少概率（LPSP）=0.0984且COE=0。3228美元/千瓦时（针对光伏/风机/电池储能混合系统）。6 m3/year of biogas and electricity could be generated. Agricultural, municipal, animal, and sewage waste were the sources of biogas from biomass fermentation facilities, which could produce 244,845 tons of it annually. Compared to natural gas-fired power plants and diesel-fired power plants, respectively, the suggested solution delivers significant CO2 emission reductions of about 86 % and 57 %. Aceituno Dardon and Farzaneh [35] investigated the economic viability and technical performance of a hybrid photovoltaic-wind turbine-bio generator with battery storage, which met the energy requirements of a typical household in Alta Verapaz, Guatemala. The study analyzed three scenarios: I) basic electricity demands for the family, II) rising power needs for cooking and water heating, and III) future demand for electrical energy in 2050, taking into account the role of the renewable energy market. Based on Scenario II, a hybrid solution comprising a 2.46 kW PV system, a 2.20 kW bio-generator, and a 16 kWh battery capacity yielded a COE of 0.605 $/kWh. Guo and Niu [36] proposed a two-stage nested optimization approach to optimize a hybrid PV/Wind system coupled with battery, hydrogen and thermal energy storage. The case study showed that when the hybrid systems were used to supply the annual load demand of 86.27 MWh, the optimal capacity configurations obtained by the proposed two-stage nested optimization approach were: 76 kW PV, 162.87 kWh battery with LPSP = 0.0984 and COE = 0.3228 $/kWh for the PV/WT/BES hybrid system.
值得注意的是，在以前几年中，混合动力系统已成为许多研讨的主题，包括规划与规划、办理与操控以及优化。在并网和离网两种场景下，不同研讨者已针对选用各类储能技术的混合动力系统配备翻开了多样化研讨。本文根据既定政策对离网混合系统的规划与容量规划进行了查验与点评。从现在已发表的关于本课题的研讨中可以取得以下首要定论：(i)根据清洁动力的混合系统可通过多种配备方案满足本地需求，需根据研讨区域的气象条件、负荷需求、清洁动力技术的快速发展以及经济生态要素，选择恰当的混合可再生动力技术组合。(ii) 与传统动力比较，混合环保动力系统在全球大都区域被视为高效且具本钱效益的电力处理方案。(iii) 现有研讨首要选用电池、氢能、抽水蓄能和储热技术等差异化储能设备，对混合动力系统在城市与农村区域电气化运用中的经济性和技术可行性进行了点评。(iv) 据作者所知，现在尚无研讨对电池储能、氢能储能、抽水蓄能和热能储能技术在混合动力系统集成中进行全面的定量比较。因此，本研讨的根底政策是对这些储能技术进行详尽的技术-经济与环境对比分析，以探求各类储能系统对其具有显着影响的关键要素。
根据上述评论，本作业拟处理的研讨空白可概括如下：(1) 对各种储能技术进行全面的定量技术经济分析；(2) 需翻开研讨以承认当混合动力系统发生的电力替代燃油发电厂、天然气发电厂和燃煤发电厂时，可防止的最大二氧化碳排放量；(3) 应在相同电力供应短少概率条件下，对多种读档曲线、资源可用性及储能本钱对动力本钱的敏感性进行分析；(4) 应对所优选混合动力系统的电网延伸盈亏平衡间隔进行调查。
根据上述研讨空白，本研讨的立异点在于对混合动力系统进行最优容量配备，以满足喀麦隆库塞里区域三种实在且实践的电力负荷曲线，并对十二种不同配备的混合动力系统翻开详细功用分析，以比较选用电池储能、氢能储能、抽水蓄能和热能储能技术的系统方案。本研讨共规划、优化并比较了十二种不同配备的混合动力系统，详细包括：光伏/风电/电池储能系统（PV/Wind/BES）、光伏/电池储能系统（PV/BES）、风电/电池储能系统（Wind/BES）、光伏/风电/氢能储能系统（PV/Wind/HES）、光伏/氢能储能系统（PV/HES）、风电/氢能储能系统（Wind/HES）、光伏/风电/热能储能系统（PV/Wind/TES）、光伏/热能储能系统（PV/TES）、风电/热能储能系统（Wind/TES）、光伏/风电/燃料电池系统（PV/Wind/FCS）、光伏/燃料电池系统（PV/FCS）以及风电/燃料电池系统（Wind/FCS）。对比分析根据多项关键政策翻开，包括剩下能量占比、动力本钱、净现值本钱以及潜在的重要二氧化碳2分析关键在于点评混合动力系统替代燃油发电厂、天然气发电厂和燃煤发电厂时的减排潜力。该研讨的中心政策是在光伏/风电混合系统中，选用不同储能技术的前提下，优先确保电力供应的可靠性与持续性。此外，研讨还通过改动系统各组件本钱、微观经济变量及资源可用性参数（如太阳辐射强度与风速不坚定），在相同电力供应短少概率条件下翻开动力本钱的敏感性分析。