一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，涉及氢能源应用技术领域。目前，评估方法采用人工进行，智能程度低，且受主观影响大，不能充分反应物理结构，评估不全面，影响评估的准确性。本发明专利技术包括步骤：获取数据信息；基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；本技术方案可以快速、有效地评估专用海上风电场的制氢可行性；相比于传统评估方法，评估更为准确、全面，且能自动进行，提高效率，降低出错率，减少人工成本，同时减少主观因素对评估的客观性影响。评估的客观性影响。评估的客观性影响。

A feasibility evaluation method for offshore wind power hydrogen production system

【技术实现步骤摘要】
一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法


[0001]本专利技术涉及氢能源应用
，尤其涉及一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国大力发展风力发电、太阳能发电等可再生能源发电，提高可再生能源发电在电力结构中的比例。海上风电是可再生能源发电的重要发展方向，潜力巨大。但是，风能具有显著的间歇性和波动性，其消纳存在明显的地域和时段集中分布的特征，海上风电的大规模并网面临诸多挑战；其次，海底电缆的施工难度大，建设成本高，均阻碍了海上风能进一步规模化的开发和利用。氢能被认为是确保能源安全和脱碳的理想能源载体，目前，获取纯净绿色氢气的方式就是电解水。将海上风电和电解水制氢相结合可以解决有效风电消纳问题，制得的氢气则可以通过管道或船舶运输到岸上，促进能源和运输部门的脱碳改造。
[0003]然而海上风电场、电解设备、储氢装置的购置成本高昂，设备容量太大难以收回成本，若是太小则可能无法充分利用海上风能，产生足够的经济效益，目前，评估方法采用人工进行，智能程度低，且受主观影响大，不能充分反应物理结构，评估不全面，影响评估的准确性。
[0004]因此在投资建设前判断一个投资方案是否可行具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，以评估海上风电制氢系统规划方案的可行性，为海上风电制氢系统的规划方案提供决策依据，推动海上风电的发展目的。为此，本专利技术采取以下技术方案。
[0006]一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，所述的海上风电制氢系统包括：海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施、氢运输船，海上风电场的产生电通过海底电缆输送到海上制氢平台；海上制氢平台电解水制取的氢气通过输氢管道输送到地下储氢设施中；地下储氢设施中存储的氢气通过输氢管道输送给氢运输船；氢运输船将氢气运输到岸上；其特征在于：其特征在于：所述的可行性评估方法包括以下步骤：
[0007]1)获取数据信息
[0008]数据信息包括设备参数、气象参数和经济参数，其中设备参数包括海上风电场、海上制氢平台和地下储氢设施的购置费用、年运维费用、运行寿命、运行参数；气象参数包括拟选址海域的历史风速数据；经济参数包括折现率；
[0009]2)基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；
[0010]目标函数为：
[0011][0012]式中，W表示一个月中周的数量；表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；表示出售氢气的价格；
[0013]运行约束包括：海上风力发电约束，电解水制氢约束，氢储能约束；
[0014]3)在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；
[0015]中长期模拟框架采用序贯蒙特卡洛法；在评估时，通过风速的时序相关性体现系统运行时序性特性，通过随机抽样生成年时序运行场景以进行后序处理。
[0016]作为优选技术手段：在步骤2)中，海上风力发电约束：
[0017]风力发电的理论功率是通过以速度v扫过区域A获得的；由于Beta极限，引入修正系数c
p
；那么风力涡轮机的最大理论功率为：
[0018][0019]式中，ρ表示空气的密度，A是叶片扫过的面积，v是风速，c
p
是Beta极限；风力涡轮机实际功率输出和风速之间的关系为：
[0020][0021][0022]式中，表示风力涡轮机的集合；表示年份的集合；表示一年内季节的集合；表示一个季节中月份的集合；表示一周内天的集合；表示一天内小时的集合；P
r
和v
r
分别表示风力涡轮机的额定输出功率和额定风速，P
i,y,s,m,d,h
表示风力涡轮机i第y年的第s个季节的第m个月的第d天的第h个小时的功率输出；
[0023]假设每台涡轮机使用相同的风力功率曲线；不考虑风切变、空气密度变化、尾流效应和其他涡轮机引起的湍流的影响；整个风电场的功率输出表示为：
[0024][0025]式中，表示整个风电场的功率输出，N表示风电场中风力涡轮机的数量。
[0026]作为优选技术手段：在步骤2)中，电解水制氢约束：
[0027]由于风电场是离网的，专门用于制氢，其所需电能全部来自风电场；电解槽可产生氢气的速率如下所示：
[0028][0029]式中，E
elec
表示电解产生1单位氢气消耗的电能；E
pcl
表示净化水、压缩氢气及其他损失所消耗的电能；
[0030]电解槽的规模，即额定容量P
elz,max
，其额定容量约束如下：
[0031][0032]实际上，为了确保高效运行，当输入功率过低时，应关闭电解槽；风电场发电量的下限P
farm,low
设置为电解槽额定容量的5％，如式(7)所示：
[0033]P
farm,low
＝0.05P
elz,max
ꢀꢀꢀ
(7)
[0034]在选定的氢电解槽的规模下，如果风电场的发电量足够大，电解槽则以其额定容量运行，即：
[0035][0036]综合后，电解槽的实际制氢速率如式(9)所示：
[0037][0038][0039]作为优选技术手段：在步骤2)中，氢储能约束：
[0040]海上风能存在季节波动特性，氢能的供应与需求在时空上是不平衡的，故海上风电制氢系统的储氢系统应具备季节性储能的特性；
[0041][0042][0043][0044][0045]式中，S表示一年中季节的数量；M表示一个季度中月的数量；W表示一个月中周的数量；D表示一周内天的数量；H表示一天内小时的数量；表示某天储氢系统的储氢量；表示某天输入到储氢系统中的氢气的量；表示某天从储氢系统中输出的
氢气的量；式(11)
‑
(13)描述了一年中储氢系统中储氢量的变化；
[0046][0047]式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；
[0048][0049][0050][0051]式中，m
HS,max
表示储氢系统的容量；n
in,max
/n
out,max
表示储氢系统输入/输出氢气的质量流的上限；式(15)为储氢系统的容量约束；式(16)和(17)为储氢系统输入/输出氢气的上下限约束。
[0052]5.根据权利要求4所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤3)中，在经济性进行评估时，包括步骤：
[0053]301)：输入数据，设定迭代收敛条件与氢能技术应用的运行寿命周期Y；初始化y＝1，进行年间运行模拟计算；
[0054]302)：针对第y年构建电氢互补系统的长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，所述的海上风电制氢系统包括：海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施、氢运输船，海上风电场的产生电通过海底电缆输送到海上制氢平台；海上制氢平台电解水制取的氢气通过输氢管道输送到地下储氢设施中；地下储氢设施中存储的氢气通过输氢管道输送给氢运输船；氢运输船将氢气运输到岸上；其特征在于：其特征在于：所述的可行性评估方法包括以下步骤：1)获取数据信息数据信息包括设备参数、气象参数和经济参数，其中设备参数包括海上风电场、海上制氢平台和地下储氢设施的购置费用、年运维费用、运行寿命、运行参数；气象参数包括拟选址海域的历史风速数据；经济参数包括折现率；2)基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；目标函数为：式中，W表示一个月中周的数量；表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；表示出售氢气的价格；运行约束包括：海上风力发电约束，电解水制氢约束，氢储能约束；3)在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；中长期模拟框架采用序贯蒙特卡洛法；在评估时，通过风速的时序相关性体现系统运行时序性特性，通过随机抽样生成年时序运行场景以进行后序处理。2.根据权利要求1所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，海上风力发电约束：风力发电的理论功率是通过以速度v扫过区域A获得的；由于Beta极限，引入修正系数c
p
；那么风力涡轮机的最大理论功率为：式中，ρ表示空气的密度，A是叶片扫过的面积，v是风速，c
p
是Beta极限；风力涡轮机实际功率输出和风速之间的关系为：式中，表示风力涡轮机的集合；表示年份的集合；表示一年内季节的集合；表示一个季节中月份的集合；表示一周内天的集合；表示一天内小时的集合；P
r
和v
r
分别表示风力涡轮机的额定输出功率和额定风速，P
i,y,s,m,d,h
表示风力涡轮机i第y年的第s个季
节的第m个月的第d天的第h小时的功率输出；假设每台涡轮机使用相同的风力功率曲线；不考虑风切变、空气密度变化、尾流效应和其他涡轮机引起的湍流的影响；整个风电场的功率输出表示为：式中，表示整个风电场的功率输出，N表示风电场中风力涡轮机的数量。3.根据权利要求2所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，电解水制氢约束由于风电场是离网的，专门用于制氢，其所需电能全部来自风电场；电解槽可产生氢气的速率如下所示：式中，E
elec
表示电解产生1单位氢气消耗的电能；E
pcl
表示净化水、压缩氢气及其他损失所消耗的电能；电解槽的规模，即额定容量P
elz,max
，其额定容量约束如下：实际上，为了确保高效运行，当输入功率过低时，应关闭电解槽；风电场发电量的下限P
farm,low
设置为电解槽额定容量的5％，如式(7)所示：P
farm,low
＝0.05P
elz,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)在选定的氢电解槽的规模下，如果风电场的发电量足够大，电解槽则以其额定容量运行，即：综合后，电解槽的实际制氢速率如式(9)所示：4.根据权利要求3所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，氢储能约束海上风能存在季节波动特性，氢能的供应与需求在时空上是不平衡的，故海上风电制氢系统的储氢系统应具备季节性储能的特性；
式中，S表示一年中季节的数量；M表示一个季度中月的数量；W表示一个月中周的数量；D表示一周内天的数量；H表示一天内小时的数量；表示某天储氢系统的储氢量；表示某天输入到储氢系统中的氢气的量；表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；式(11)
‑
(13)描述了一年中储氢系统中储氢量的变化；式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；式中，m
HS,max
表示储氢系统的容量；n
in,max
/n
out,max
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文进，马冬来，张俊，曹晓宇，陈菁伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：