【《风光互补发电制氢储能系统全寿命周期经济性分析》5000字（论文）】

风光互补发电制氢储能系统全寿命周期经济性分析目录TOC\o"1-3"\h\u16734风光互补发电制氢储能系统全寿命周期经济性分析 1298901.1风光互补发电制氢储能系统运营模式 1155321.2风光互补发电制氢储能系统全寿命周期总成本计算模型 338031.2.1系统初始设备投资成本计算模型 3271271.2.2系统设备运行维护成本数学模型 4136581.2.3系统全寿命周期运营总成本数学模型 520451.3全寿命周期总经济效益数学计算模型 5207001.4系统净利润效益计算模型 6221101.4.1系统各设备的约束条件 6323001.4.2系统全寿命周期净利润计算模型 850431.4.3基于算法的系统净利润模型求解 8190641.5算例分析 9一个系统的经济性对其推广应用和今后的发展具有非常重要的意义，所以本章对风光互补发电制氢储能系统以全寿命周期为研究期限分析其经济性，以给工程实际带来参考价值[67]。1.1风光互补发电制氢储能系统运营模式风光互补发电制氢储能系统的根本出发点是利用电解水制氢技术提升风光资源的消纳水平以提高系统的经济性，产生的氢能一部分可以与燃料电池结合实现再发电供负载利用，一部分可以供给煤化工生产企业，用于甲醇等化工原料生产，获取碳减排潜在收益和销售化工原料的额外收益。因此风光互补发电制氢储能系统在实际应用中具有多种组合运营方式，不同的运营方式决定了电能和氢能的不同去向的分配比例，评价一个项目的经济性也有许多经济评估指标,大致可分为如下几种[68]。图5-1工程项目经济评价指标分类Fig.5-1Classificationofeconomicevaluationindexesforengineeringprojects针对风光互补发电制氢储能系统本文通过静态投资回收期和全寿命周期净利润这两种评价指标来对系统的全寿命周期经济性进行分析。对此将系统的运营模式设定为：（1）风光互补发电部分输出总能量的f倍用于电解水制氢，剩余电量并入电网；（2）电解水生产的氢气全部用于氢氧燃料电池电池发电，为简化不考虑实际工程中售氢收益，氧气售卖医疗化工等产业；（3）本文省略对电能和氢能分配设备的分析。图5-2风光互补发电制氢储能系统运营模式Fig.5-2OperationModeofhydrogenproductionandenergystoragesystemwithwind-solarhybridpowergeneration1.2风光互补发电制氢储能系统全寿命周期总成本计算模型基于上一节中对系统运营模式的设定，此系统全寿命周期总成本主要包括系统初始设备的一次性投资总成本、设备的运行维护成本和设备更换成本[69]。1.2.1系统初始设备投资成本计算模型按照既定的运营模式，初始设备一次性投资总成本C0主要包括太阳能光伏板CS、风力发电机CW、电解水制氢设备CE、氢氧压力储存设备C0=CS各个设备的初始总投资与其设备规模的关系式如下：CS=msCW=mwCE=meCSt=moCF=mF式中，mPsmwPwmePemo——氧气压力储存设备体积Po——氧气压力储存设备单位体积成本，万元/mh——氢气压力储存设备体积Ph——氧气压力储存设备单位体积成本，万元/mFPF成本部分还包括利息成本、税收成本、政府补贴（可看作负成本）等[70]，由于此次分析以系统本身的经济性为重点，外界影响暂且不考虑，所以忽略了这几部分费用。1.2.2系统设备运行维护成本数学模型在风光互补发电制氢储能系统整个项目全寿命周期的运行维护费用主要包括各个设备日常维护费用和设备更换费用。Cr=C式中，CSr、CCSr=(1+a)msCWr=(1+b)mCEr=(1+c)meCStr=(1+d)(mCFr=(1+e)式中，a、b、c、d、e分别为光伏发电设备、风力发电子设备，电解水制氢设备、氢气和氧气压力储存设备、燃料电池发电设备全寿命周期的运行维护成本与其相对应的设备初始投资的比值；i为贴现率，一般取值是5%；n为风光互补发电系统制氢储能系统的全生命周期，年[72]。1.2.3系统全寿命周期运营总成本数学模型风光互补发电制氢储能系统基于上述设定的运营模式下，结合上两节的初始设备一次性投资总成本计算和设备实验运行过程中的运行维护及设备更换成本可得本系统全寿命周期运行总成本的数学模型：CTot=t式中，C1.3全寿命周期总经济效益数学计算模型基于第1节中所设定的系统运营模式，该系统的经济效益来源包括风光互补发电场并网售电收益、并网电量碳排放指标交易收益、售氧收益、氢氧燃料电池发电并网收益。则风光互补发电制氢储能系统的总经济收益ETOtETOt=S式中，SWSW,SSPC=tSO=tSF=t式中,mCwsttwsη——单位电量碳排放分配因子，t/(MWh);PCOVOteCwVHμ1.4系统净利润效益计算模型基于系统已设定的运行模式，风光互补发电系统在提升资源消纳水平和实现环保高效的过程中首先需要满足系统各部分设备的技术要求。所以，在构建风光互补发电制氢储能系统的净利润效益时，要先给定系统各个部件的约束条件[73]。1.4.1系统各设备的约束条件（1）风力发电机组和光伏发电机组稳定运行约束条件：Pkmin≤PPtmin≤P式中，Pkmin、PP为保证系统各部分子系统的安全稳定运行，风光互补发电场的发电容量用于电解水的比例需满足：0.5≤f≤1(1.22)（2）电解水制氢设备稳定运行约束条件：VH2min式中，VHVH2=0<ηe<1式中,ηUn（3）氢氧压力储存设备容量约束条件mo≤Vmh≤V式中,Vo.1.4.2系统全寿命周期净利润计算模型当风光互补发电制氢储能系统中的各个设备都满足自身的约束条件时，风光互补发电储氢系统的净利润等于系统整个生命周期的总经济效益与系统整个生命周期的总成本之差。总收入还包括整个生命周期内每个设备的残值的转换。所以生命周期净利润FsFs=ETOt-式中,Lt是风光互补发电制氢储能系统中各个部分的设备在第t年的残值，万元，残值折算采用直线折旧法，按固定资产的5%计算[74]；1.4.3基于算法的系统净利润模型求解基于上述风光互补发电制氢储能系统的全寿命周期的净利润数学模型的建立过程，利用算法，输入各设备参数和风光发电规划容量，得到静态投资回收期和全寿命周期内的净利润。具体的经济效益评估计算流程如下图。图5-3风光互补发电制氢储能系统总收益计算流程Fig.5-3Flowsheetforeconomicbenefitevaluationofwind-solarHybridPowerGenerationHydrogenEnergyStorageSystem针对上述计算系统全寿命周期经济效益评估过程考虑了以下几点：（１）忽略风光发电场电能输出的可能存在的不稳定性和波动性，没有进行功率的预测，根据地区的资源情况确定风光发电场的装机容量，称之为规划容量;每种设备的年度运行和维护成本主要受a-e参数变化的影响[75]。（2）该算法的经济效益评估的前提是确定电厂的计划容量，并在整个生命周期内获得大于零的净利润。（3）这种经济效益评估方法着重于系统整体经济效益的评估。没有单独讨论系统中每个单元的使用寿命[21]，因此没有考虑更换燃料电池的次数。本文将系统的使用寿命设定为15年。1.5算例分析考虑到目前社会实际情况，小型风光互补发电系统不管是对于风光资源较少的大城市的独立用户还是风光资源较丰富的偏远地区的独立用户来说，都不具备配备制氢储能系统的能力。而大型风光互补发电场多数建于风光资源丰富的偏远地区，出于技术研究需求和可以并网消纳等原因，具备制氢储能和后续储氢运氢等一系列环节的能力，所以基于此我们选取一个大型的风光互补发电系统为研究对象，运用上文提出的系统全寿命周期经济效益评估方法来对甘肃省某风光互补发电场进行经济性分析。参数设定：以年风光联合发电规划容量50MW为例，风力发电容量和光伏发电容量的比例是1:1，电厂平均年运行时间为2000h，风光互补发电氢能存储系统的整个生命周期为15年。根据国家发改委[2019]882号文件，风力发电的单价为0.43元/（kW·h），光伏发电的并网电价为0.45元/（kW·h），将并网电价统一定为0.43元/（kW·h）；氧气出售价格为0.09万元/m3,电解水制氢气效率取值99%；a、b、d取值1%；c、e取值2%;f取值为0.5[76]。各部分设备的参数见表5-1。表5-1设备单位容量单价Table5-1Unitpriceperunitcapacityofequipment设备厂家单价风力发电机组国电联合动力技术有限公司200万元/MW光伏发电机组华锐科技股份有限公司350万元/MW电解水制氢设备中国船舶重工集团公司100万元/MW氢气储存设备青岛储气罐制造有限公司3万元/m-3氧气储存设备申江储气罐制造有限公司0.9万元/m-3氢氧燃料电池康明斯动力燃气有限公司0.4万元/kw利用上述搭建的风光互补发电制氢储能系统全寿命周期经济效益评估模型输入上表系统参数进行仿真计算，可以得到从第一年到第十五年系统净利润收益Fs图5-4风光互补发电制氢储能系统全寿命周期净利润收益Fig.5-4Full-lifecyclenetprofitofwind-solarhybridpowergenerationandhydrogenstoragesystem从图中可以看出，在系统全寿命周期第15年的净利润收益最大值是41136万元。在第8年开始盈利，说明系统的投资回收期是8年，回收期较短，总体来看，此系统的经济效益较好，具有一定的投资价值和发展前景。单位电量成本计算：系统的单位电量成本=总成本在上述假设成立的基础上，得出以下结论：（1）在相同规划功率下，光伏系统全寿命周期的运营总成本和风力发电的总成本相差不大，但是由第四章可知，风力发电对当地风力资源的要求较高，一般地区的发电效率较低。所以对于本系统，投资风电场和光伏发电场的费用相当，实际工程中可根据当地风力资源和太阳能资源的具体情况进行合适的匹配；（2）通过计算得到制氢储能部分的电量成本为每千瓦时0.75元，仍然高于电网燃煤发电基准价，将近是普通煤电价格的两倍。区别在于利用电解水制氢进行储能，后续不仅可以用于燃料电池发电，也可以用于氢的工业化利用，由此可获得部分额外收益。但是因为负