新型集成光伏、儲能系統(tǒng)和電熱泵系統(tǒng)研究

沈陽工程學(xué)院 李奇峰 高 陽

使用光伏（PV）系統(tǒng)作為減少建筑能源需求對化石燃料的依賴的解決方案引起了人們的注意。此外，在光伏系統(tǒng)中加入儲能系統(tǒng)（ESS），可以通過在電力峰值負載期間增加對光伏發(fā)電的依賴來優(yōu)化電力成本。然而，當(dāng)前的ESS容量有限，難以充分利用PV產(chǎn)生的能量。研究了為PV、ESS和電熱泵（EHP）提出的一種新型集成節(jié)能系統(tǒng)，可最大限度地利用PV能源，優(yōu)化ESS使用并降低EHP能源消耗成本。其所提議的集成系統(tǒng)的組件與基于深度學(xué)習(xí)（DL）的算法相關(guān)聯(lián)，該算法可預(yù)測EHP的光伏發(fā)電和能源需求。提出的系統(tǒng)根據(jù)峰值負載時間、預(yù)測的EHP電力需求和光伏發(fā)電來安排ESS的充電/放電時間。提議的系統(tǒng)確保了一種有效的方法來最大化光伏發(fā)電，從而減少建筑能源需求對化石燃料的依賴。

1 儲能系統(tǒng)及電熱泵

建筑部門消耗了全球總能源的40%，大量能源用于冷卻、加熱和通風(fēng)目的，為建筑提供足夠的舒適度和空氣質(zhì)量水平。雖然為建筑居住者提供有利的室內(nèi)環(huán)境至關(guān)重要，但避免調(diào)節(jié)過度或不必要的建筑能源消耗也很重要，特別是考慮到所述能源的來源，因為它可能直接或間接地對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。例如，作為主要能源的化石燃料燃燒會導(dǎo)致溫室氣體 排放增加，最終導(dǎo)致全球變暖。因此，為了減少能源消耗，建筑居住者可以考慮使用節(jié)能的供暖、制冷和通風(fēng)系統(tǒng)，并采用可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與儲能機制相結(jié)合，將產(chǎn)生的能量儲存起來以備后用。

為了在考慮能耗的同時，有效地滿足加熱和冷卻需求，電熱泵（EHP）之所以受到歡迎，主要是因為其性能系數(shù)（COP）通常至少為2，即它產(chǎn)生的熱量或冷量多于消耗的能量，因此會減少電能消耗。此外，EHP系統(tǒng)具有可擴展性，可以使用不同類型的低質(zhì)量熱源和散熱器，與傳統(tǒng)的天然氣鍋爐相比，EHP系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換性能。例如，此前有研究人員比較了空氣對空氣EHP系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)，并報告說與油加熱器相比，EHP系統(tǒng)具有更高的COP和更分散的溫度，并且波動更小。此前有報告指出，與傳統(tǒng)空氣相比，地源熱泵（GSHP）的使用可以在供暖期減少30%至70%的電能消耗，在冷卻期減少20%至50%的電能消耗?？照{(diào)系統(tǒng)在CO2排放方面，研究人員在德國的區(qū)域范圍內(nèi)進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，與COP為4.0的EHP系統(tǒng)相關(guān)的CO2排放量比與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相關(guān)的CO2排放量少25%。此外，歐洲熱泵協(xié)會預(yù)計，到2030大規(guī)模利用熱泵可使部分國家的CO2排放量減少34%至46%。

為了解決我們上面討論的能源問題，將可再生能源（RES）用于發(fā)電也引起了人們的關(guān)注，可以將其作為降低電能成本和化石燃料消耗的另一種選擇。然而，可再生能源的間歇性特征限制了它們在建筑物和城市中的滲透水平。為此，儲能系統(tǒng)（ESS）已被用作可能的解決方案之一。ESS具有穩(wěn)壓、負載均衡、消除諧波和改善功率因數(shù)的能力。ESS廣泛應(yīng)用于擁有光伏（PV）面板的建筑中。然而，ESS在光伏系統(tǒng)中通常是獨立應(yīng)用，也就是說ESS用于存儲光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能。因此，將光伏系統(tǒng)與ESS系統(tǒng)集成到電網(wǎng)已被證明可以提高光伏系統(tǒng)的效用，增強建筑能源平衡，從而為消費者帶來經(jīng)濟效益。圖1顯示了EES沿著電力價值鏈的優(yōu)勢。

2 智能節(jié)能系統(tǒng)

本文研究了一種基于深度學(xué)習(xí)的智能節(jié)能系統(tǒng)，用于管理由光伏組件、ESS和EHP組成的集成能源系統(tǒng)。通過研究了解到該系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過最大限度地利用光伏能源和ESS來降低EHP的加熱和冷卻能源消耗成本，以提高電網(wǎng)產(chǎn)生的能源的可靠性。該系統(tǒng)由兩個模塊組成：預(yù)測模塊和調(diào)度模塊。預(yù)測模塊使用實時天氣信息，由兩個基于DNN的EHP能源消耗和光伏發(fā)電預(yù)測模型組成。來自預(yù)測模塊的結(jié)果被轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度模塊，該模塊根據(jù)EHP要求、光伏發(fā)電能量、ESS充電狀態(tài)和電網(wǎng)電力成本來管理ESS的充電/放電。結(jié)果表明，所建立的EHP和PV預(yù)測模型可靠準(zhǔn)確，R2均在0.95以上。每日結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在夏季、冬季和春季分別節(jié)省了10%、1%和93%的電能消耗，從而在夏季節(jié)省了44%，冬季節(jié)省了5%，春季節(jié)省了93%能源成本。本文提議的系統(tǒng)，每年可以分別節(jié)省高達2%和12%的能源消耗和能源成本。

通過該研究取得的結(jié)果，對用于將RES集成到建筑系統(tǒng)中的方法具有廣泛的影響。典型的建筑系統(tǒng)通常由一個可再生能源組成，該可再生能源為建筑物提供能源以用于各種用途（例如：供暖/制冷和照明等）。但是，這種可再生能源產(chǎn)生的能源僅在一天或季節(jié)的某些時間可用，例如可以利用太陽能或風(fēng)能，這使得很難完全依賴RES進行能源供應(yīng)。作為一種解決方案，ESS系統(tǒng)通常被整合到建筑系統(tǒng)中以存儲額外的RES產(chǎn)生的能量，以便在RES產(chǎn)生的能量不可用的情況下使用（例如：在夜間或陰天）。此外，在韓國這樣的國家，電網(wǎng)發(fā)電價格因一天中的時間而異（即白天高），將ESS納入建筑系統(tǒng)提供了額外的優(yōu)勢。例如，廉價的電網(wǎng)發(fā)電可用于為ESS充電，隨后可在電網(wǎng)發(fā)電成本高的高峰負荷時段使用。然而，挑戰(zhàn)在于如何有效地連接（a）RES、（b）電網(wǎng)、（c）ESS和（d）建筑系統(tǒng)組件（例如HVAC系統(tǒng)），以優(yōu)化建筑能源消耗。四個系統(tǒng)之間有效連接的理想結(jié)果是主要依靠可再生能源發(fā)電為ESS充電并滿足建筑能源需求。

該研究的另一個重要因素與用于預(yù)測建筑能源需求和可再生能源發(fā)電的模型輸入有關(guān)。以前的研究采用多個變量來預(yù)測建筑能源需求和可再生能源發(fā)電。例如，它考慮了系統(tǒng)運行變量、室外和室內(nèi)環(huán)境變量以及與時間相關(guān)的變量來預(yù)測蒸汽噴射熱泵的能量性能。此前有人使用九個輸入量并預(yù)測了空氣源熱泵的能耗。一些研究人員利用溫度、電流相位平均值、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、全球水平輻射和擴散水平輻射來預(yù)測光伏發(fā)電量。許多解釋變量的使用雖然必不可少，但可能會限制所開發(fā)模型的泛化能力或?qū)е履Ｐ蛯嶋H部署中的挑戰(zhàn)，尤其是在所用變量不易獲得的情況下。因此，所研究的系統(tǒng)在保持模型精度的同時，使用了很少的關(guān)鍵且容易獲得的變量，所提出的系統(tǒng)可以輕松部署，并適用于與此案例研究類似的建筑物。

3 系統(tǒng)的局限性及目前研究結(jié)論

此算法是為一種類型的可再生能源（即光伏系統(tǒng)）開發(fā)的，EHP預(yù)測模型是根據(jù)韓國一個地區(qū)的天氣條件進行評估的，這在一定程度上限制了其部署范圍。因此，為了使此算法適應(yīng)其他公用事業(yè)、RES和氣候，未來的研究工作可以采用遷移學(xué)習(xí)方法。此外，該領(lǐng)域的未來研究也可能會考慮使用基于深度強化學(xué)習(xí)的方法并使其適應(yīng)個人家庭。另一個限制是光伏系統(tǒng)的故障會導(dǎo)致算法無限期地切換到電網(wǎng)，未來的研究工作還應(yīng)考慮添加通知機制，以便在發(fā)生故障時提醒用戶。未來的研究工作可以考慮使用從光伏系統(tǒng)收集的真實數(shù)據(jù)開發(fā)此類算法。

本文研究了一種集成的PV-ESS-EHP系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了調(diào)度算法，該系統(tǒng)利用DL技術(shù)并預(yù)測EHP電力消耗和光伏發(fā)電量，以最大限度地利用可再生能源并最大限度地降低電力成本。系統(tǒng)根據(jù)次日天氣情況，預(yù)測次日EHP用電量和光伏發(fā)電量，并在電價低時決定是否對ESS進行充電。在運行過程中，系統(tǒng)還根據(jù)特定時間的光伏發(fā)電量和ESS容量進行ESS、PV和電網(wǎng)的切換，為EHP供電。性能結(jié)果表明，所采用的DL預(yù)測模型具有準(zhǔn)確可靠的預(yù)測能力，R2大于0.95。此外，能源消耗和成本評估表明，擬議的集成PV-ESS-EHP系統(tǒng)將能源成本降低了12%。但是，這種減少主要受EHP、PV和ESS規(guī)模的影響。提議的系統(tǒng)也是季節(jié)性響應(yīng)的，也就是說季節(jié)的變化不影響其性能。因此，整體提議的集成系統(tǒng)減少了對主電網(wǎng)電力的依賴，提高了光伏的效用，增加了ESS的可用性，隨后帶來了經(jīng)濟優(yōu)勢和對RES使用的廣泛認識。

結(jié)語：傳統(tǒng)的社會供能系統(tǒng)條塊分割，相對各自獨立運行，不利于從全社會角度實現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置和總體最優(yōu)的目標(biāo)。社會能源的一體化供應(yīng)和綜合能源系統(tǒng)是能源領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。目前，我國電力系統(tǒng)中可再生能源的消納問題已經(jīng)十分突出，電力系統(tǒng)調(diào)峰和分布式供能等問題也日益嚴(yán)重。通過引入大容量儲熱，實現(xiàn)電、熱兩個能源體系的協(xié)同優(yōu)化，在電、熱聯(lián)合能源系統(tǒng)框架下，提高能源系統(tǒng)大時空范圍優(yōu)化配置能力，可有效解決可再生能源消納和調(diào)峰等問題。深入開展包含大容量儲熱的電——熱聯(lián)合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，符合能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，是對綜合能源系統(tǒng)的前瞻性研究和有益探索。