[发明专利]一种计及氢能汽车的氢能综合能源系统容量优化配置方法

权利要求书

1.一种计及氢能汽车的氢能综合能源系统容量优化配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建以光伏、光热高效产能为主体，以氢能为主要能量转换和存储媒介，且考虑家用氢能汽车作为氢负荷的供能系统架构；

步骤2：分析系统中各设备的能量耦合关系和运行特性，建立设备模型；

步骤3：了解住宅终端用能形式和家用车辆的出行需求，结合概率模型和数据统计制定氢能汽车日出行计划；

步骤4：建立以等年值投资费用最低为目标函数，以设备最大容量、供能可靠性、储能设备充放状态唯一等为约束条件的容量优化配置模型；

步骤5：利用CPLEX求解系统最佳容量配置方案，并以年总投资节约率、可再生能源消纳率作为评价指标考察优化效益。

2.根据权利要求1所述的一种计及氢能汽车的氢能综合能源系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

供能系统架构由可再生能源供能单元、电氢耦合单元和储能单元组成，考虑满足家庭住宅电、热、氢负荷需求，其中可再生能源供能单元由光伏设备和光热设备组成，将光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力，光热设备主要采用太阳能光热板集热器为建筑用户提供生活热水等所需热能；电氢耦合单元由电解槽和燃料电池组成，在光伏资源充足的条件下，电解槽利用多余电能电解水制氢，将燃料电池作为原动机，使其吸收氢气为建筑供电，同时将燃料电池工作时产生的余热进行回收，补充建筑的热负荷需求；储能单元由蓄电池、蓄热罐和储氢罐组成，在系统中起到能量储存和调节作用。

3.根据权利要求1所述的一种计及氢能汽车的氢能综合能源系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

对于光伏设备，光伏发电方阵的出力受限于当地太阳辐射量和可安装面积，其输出功率即发电功率，如式(1)、(2)所示：

P_PV(t)＝P_PV,e(t) (1)

P_PV,e(t)＝G(t)·A_PV·λ_PV (2)

式中：P_PV(t)为光伏方阵输出功率，kW；P_PV,e(t)为光伏方阵发电功率，kW；G(t)为太阳辐射，kW/m²；A_PV为光伏发电方阵面积，m²；λ_PV为光伏方阵发电效率，％；

对于光热设备，太阳能光热板集热器出力特性与光伏方阵相仿，其输出功率即发热功率，如式(3)、(4)所示：

P_sp(t)＝P_sp,h(t) (3)

P_sp,h(t)＝G(t)·A_sp·λ_sp (4)

式中：P_sp(t)为光热板输出功率，kW；P_sp,h(t)为光热板发热功率，kW；A_sp为光热板面积，m²；λ_sp为光热板发热效率，％；

对于电解槽，电解槽出力根据电能供需关系确定，当光伏有多余电力供应时启动，将富余的电能转换为氢气。其输出功率即产氢功率，如式(5)所示：

P_et(t)＝P_et,h2(t)＝η_etP_et,e(t) (5)

式中：P_et(t)为电解槽输出功率，kW；P_et,h2(t)为电解槽产氢功率，kW；η_et为转换效率，％；P_et,e(t)为电解槽消耗的电功率，kW；

对于燃料电池，燃料电池的输出功率为发电功率和发热功率的总和，其氢气燃料来源于储氢罐中满足氢负荷后的余氢，其发电量受制于装机容量，余热回收量与发电量成线性关系，如式(6)-(8)所示：

P_fc(t)＝P_fc,e(t)+P_fc,h(t) (6)

P_fc,e(t)＝η_fc,eP_fc,h2(t) (7)

式中：P_fc(t)为燃料电池输出功率，kW；P_fc,e(t)为燃料电池发电功率，kW；P_fc,h(t)为燃料电池发热功率，kW；η_fc,e为燃料电池的发电效率，％；P_fc,h2(t)为燃料电池耗氢功率，kW；η_fc,h为燃料电池的余热回收效率，％；

对于蓄电池，蓄电池、蓄热罐、储氢罐三种储能设备的出力原理相仿，任意时段的储能量等于前一时刻储能量与本时间段充放能差值之和，其中蓄电池的设备模型如式(9)所示：

式中：P_es(t+1)为蓄电池在t+1时段的蓄电量，kW；P_es(t)为蓄电池在t时段的蓄电量，kW；ε_es为蓄电池的自放电率，％；P_es,in(t)为蓄电池在t时段的充电功率，kW；η_es,in为蓄电池的充电效率，％；P_es,out(t)为蓄电池在t时段的放电功率，kW；η_es,out为蓄电池的放电效率，％；

对于蓄热罐，蓄热罐模型如式(10)所示：

式中：P_ts(t+1)为蓄热罐在t+1时段的蓄热量，kW；P_ts(t)为蓄热罐在t时段的蓄热量，kW；ε_ts为蓄热罐的热耗散率，％；P_ts,in(t)为蓄热罐在t时段的充热功率，kW；η_ts,in为蓄热罐的充热效率，％；P_ts,out(t)为蓄热罐在t时段的放热功率，kW；η_ts,out为蓄热罐的放热效率，％；

对于储氢罐，储氢罐模型如式(11)所示：

式中：P_hs(t+1)为储氢罐在t+1时段的储氢量，kW；P_hs(t)为储氢罐在t时段的储氢量，kW；ε_hs为储氢罐的氢耗散率，％；P_hs,in(t)为储氢罐在t时段的充氢功率，kW；η_hs,in为储氢罐的充氢效率，％；P_hs,out(t)为储氢罐在t时段的放氢功率，kW；η_hs,out为储氢罐的放氢效率，％。