一种乡村微能源系统容量配置方法及系统

技术领域

本公开属于能源利用技术领域，尤其涉及一种乡村微能源系统容量配置方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

农村能源是指农村地区能源的供应和消费，不仅影响农业生产水平，而且也在无形中影响农民生产生活条件和居住环境。随着经济的快速发展，农村建设水平不断提升，农村能源作为支撑农业发展的重要力量，一直备受国家高度重视。在能源形势紧张、低碳经济盛行的背景下，根据农村地区具体条件、能源结构和生产特点，有针对性地发展能源产业不仅有助于缓解区域能源供给紧张的局面，同时，有利于农村环境建设和涉农综合效益的提升。

农村生活、生产、交通等各个方面存在所使用的能源种类多、设备种类多、使用的形式多等特点，在农业生产过程中可以利用和产生多种能源资源。目前，通过光伏扶贫政策解决乡村困难群众生活经济来源问题，大规模光伏接入已成为现实。然而，乡村地区较低的用电负荷和薄弱的网架结构使光伏并网消纳面临困难。同时，以分布式电采暖设备代替集中式燃煤采暖成为供暖行业重要的发展趋势，“以电代煤”的清洁供暖模式在乡村地区逐步推广，使得该地区负荷的电热耦合程度加深。在种植业、林业、畜牧业、渔业、副业等生产环节，能源资源利用率低、能源利用效率低下、农业生存自动化有较大提升空间。

发明人在研究中发现，现有的乡村能源建设过程中没有形成完整的体系，目前主要为单一的能源系统，例如，单纯的光伏发电系统、风力发电系统，没有充分利用乡村的能源，因此，如何保持电网安全运行的同时，提升能源资源利用率、能源利用效率、电气自动化程度，是亟需解决的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种乡村微能源系统容量配置方法，实现乡村微能源的有效利用。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种乡村微能源系统容量配置方法，包括：

能源需求预测：基于历年冷、热、电、气需求，预测乡村发展用能需求；

年负荷需求预测：基于历年农业生产、居民生活、乡村产业方面的冷、热、电年负荷，预测负荷需求；

确定能源使用品类和限值，基于能源使用品类和限值确定能源系统的构成，包括能源设备和用户设备；

计算各类供能设施容量：基于预测的能源需求及年负荷需求确定各类能源转化装置的容量配置，并确定能源供需流向。

进一步的技术方案，还包括：对配置的各类能源转化装置的容量进行评价，若不满足设定要求，则基于能源使用品类和限值重新确定能源系统的构成，直至满足预测的年负荷需求。

进一步的技术方案，能源需求预测时，受各资源总量和区域地理位置的约束，各类能源的使用总量小于该类能源使用总量的下限和上限。

进一步的技术方案，年负荷需求预测时，电负荷预测采用比例系数法，根据历史数据，按一定比例做出预测。

进一步的技术方案，确定能源系统的构成时，将风电场、光伏发电机组、沼气池、抽水蓄能电站集成为多能源联动系统；

风电场、光伏发电机组、沼气池用于满足终端用户的负荷需求，当风电、光伏发电机组可发电量高于系统负荷需求时，在满足系统安全运行前提下，盈余电量用于抽水蓄能电站水泵向上水库抽水蓄能；

当风电和光伏发电机组可发电量低于系统负荷需求时，抽水蓄能水轮机进行放水发电满足电负荷需求。

进一步的技术方案，确定各类能源转化装置的容量配置，包括：生物质能设施容量配置：

式中，C

水力资源设施容量配置：

R＝k×g×w×H

式中，R为水力资源能量；k为折算系数；w为年水量；g为地球引力常数，H为水位差。C

进一步的技术方案，确定各类能源转化装置的容量配置，还包括：

太阳能资源设施容量配置：

Q＝α×T×d

式中，Q为太阳年辐射总量，式中α表示年不同天气系数；T是日照时数；d是太阳能可利用天数；

C

风力资源设施容量配置：

式中，W为风能密度，ρ为空气密度，v为风速；C

第二方面，公开了一种乡村微能源系统容量配置系统，包括：

能源需求预测模块，被配置为：基于历年冷、热、电、气需求，预测乡村发展用能需求；

年负荷需求预测模块，被配置为：基于历年农业生产、居民生活、乡村产业方面的冷、热、电年负荷，预测负荷需求；

能源系统构成确定模块，被配置为：确定能源使用品类和限值，基于能源使用品类和限值确定能源系统的构成，包括能源设备和用户设备；

各类供能设施容量计算模块，被配置为：基于预测的能源需求及年负荷需求确定各类能源转化装置的容量配置，并确定能源供需流向。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案在能源利用方面，基于预测的能源需求及年负荷需求确定各类能源转化装置的容量配置，并确定能源供需流向，能够提升清洁能源利用率和能源整体利用效率。充分挖掘就地水能、风能、太阳能、生物质能和地热能等清洁能源，提升清洁能源在综合能源系统的占比。采用冷热电三联供的方式，充分利用发电过程中的余热，避免热能资源浪费；合理配置地热资源，采用高能效的产能、用能系统，全面提升综合能源系统能源利用效率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例乡村微能源系统结构图；

图2为本公开实施例规划流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

关于乡村生产生活废弃物利用，进行解释说明：

乡村在资源消费方面一般包括农业生产、居民生活、旅游民宿和乡村产业，其在消费过程中往往产生大量的可资源化的废弃物，分为4类。

生产废弃物：主要包括农作物、植物、畜牧业废弃物。农作物废弃物有稻谷废弃物(稻壳和油糠)、干稻草、麦麸皮、麦类秸秆、玉米秸秆等；林业种植砍伐产生的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等植物废弃物，木材加工产生的锯末、木屑、板皮和截头等，果壳、果核等林业副产品；畜牧业废弃物有奶牛、猪、鸭、鸡等动物养殖产生的畜禽粪便等。

生活垃圾：主要包括乡村居民、游客在日常生活中产生的不可直接回收物、人畜排泄物、和盥洗排水、洗衣排水、厨房排水等生活污水。

厨余垃圾：主要包括居民家庭和酒店民宿产生的泔水、果蔬废弃物等。

工业废水：酿酒、电炒茶、食品制造、粮食加工及屠宰等行业生产过程中排出的废水。

针对上述废弃物，可采用沼气发酵、生物质气化等途径进行资源化利用。沼气发酵主要针对农作物废弃物、畜牧业废弃物、生活垃圾和工业废水等，采用集中式沼气池，通过厌氧发酵技术对废弃物进行处理，产生沼气。

本实施例公开了一种乡村微能源系统容量配置方法，包括下述步骤：

(1)规划乡村微能源系统

本实施例结合资源禀赋、能源基础设施、经济社会发展、能源转型发展要求，规划乡村微能源系统，如图1所示。

乡村微能源系统的搭建通过乡村生产生活的废弃物进行沼气发酵、生物质气化，基于燃气供暖、多能互补、电蓄热、储电设施等适用技术，考虑农业生产、居民生活、乡村产业等应用场景，规划乡村能源供需新模式，在就地能源和用户之间构建高效率的能源转化和能源存储系统，使就地能源向冷、热、电、气4类用户主要能源使用形式转化，实现乡村综合能源系统中电、气、冷、热多能互补，源、网、荷、储互动优化，以及风、水、光、地热、生物质等乡村特色能源的最大化利用。

(2)乡村微能源系统规划流程

本发明实施例设计了乡村微能源系统规划流程，如图2所示。依次开展能源需求预测；计算年负荷需求；选取可利用能源；分析系统构成；计算各类功能设施容量；优化容量并预算年负荷；测算供能成本；开展综合用能评价；检测是否满足负荷需求，若不满足，则重新分析系统构成。

其中，能源需求预测模型：

能源需求预测是根据历年冷、热、电、气需求，测算乡村发展用能需求。综合分析经济、地域、人口、政策等多元驱动因素，预测能源需求。

能源需求预测受资源禀赋和区域地理位置的约束，各类能源的使用总量小于该类能源使用总量的下限和上限，下限和上限的具体数据根据目标年以及该区域的能源发展规划确定。

式中，

各场景对能源需求总量的约束，能源需求主要包括冷、热、电需求，其中电需求通常由配电、水电、光伏发电、风电等供应，冷/热需求通常由煤炭、燃气、地热、配电等供应。

式中，E

关于年负荷需求预测模型：

计算年负荷需求是充分考虑乡村用能分散、负荷密度分布不均，季节性强等特点，计算历年农业生产、居民生活、乡村产业等方面的冷、热、电年负荷，预测负荷需求。

电负荷预测采用比例系数法，根据历史数据和未来发展趋势，按一定比例做出预测。

计算公式：A

式中：A

选取可利用能源是充分考虑乡村能源种类多，本地能源利用率低，根据自然条件测算各类能源使用的经济性，确定能源使用品类和限值。

生物质能

利用植物资源(农业、林业)、动物资源(蓄禽粪便)、其他资源等通过能源加工转化技术制取沼气、生物质燃气等。目前我国可利用生物资源量可转换为能源的潜力约5亿吨标煤，随着造林面积的扩大和经济社会的发展，我国生物质资源转换为能源的潜力可达到10亿吨标煤，占我国能源消耗总量的25％以上。

水力资源

水能是指水体的动能、势能和压力能，是一种可再生的清洁能源。农村地区水力资源的利用方式通常是农村小水电和微水电。农村小水电一般是指分布在广大农村地区，江河上游中小支流上，由地方、集体或个人集资兴办的5万kw以下的中小型水电站和配套地方供电电网系统。微水电是指利用农户附近的落差在1-30m、流量在30-1000m

s＝p

式中，p

太阳能资源

太阳能作为一种可再生能源，具有免费、清洁、无污染、可循环使用的优势。整体上来看，我国的太阳能总辐射量西部高于东部，北部高于南部。西北五省、吉林、辽宁、河北、山西省份的年日照时数相对较长，太阳能资源开发利用价值较大，长江以南地区的绝大部分省市则由于阴雨天气较多、年日照时数较短，太阳能资源难以被长期有效地利用。

风力资源

我国风力资源比较丰富，北部地区、东南沿海、内陆局部和沿海地区是风能富集的地方。东南沿海及附近岛屿地区不仅风速高，风能密度也大，风能资源比较丰富内陆地区从东北、内蒙古到甘肃的河西走廊及新疆一带，风能资源也很好；此外华北和青藏高原地区也有可以利用的风能。

地热资源

地热能是一种清洁的可再生能源，中低温的地热资源一般直接用于供热、温室、旅游和医疗等高温地热资源一般用于发电。我国的地热资源以中低温地热资源为主，东南沿海、西藏、云南地区是地热资源的主要分布区。

分析系统构成

分析系统构成确定是根据能源供需测算情况，确定能源系统包括能源设备和用户设备。

能源设备：农业废弃物沼气池、污水净化沼气池、秸秆发酵沼气池、微型水电站、太阳光伏、风力发电机、地热发电机等。

用户设备：太阳能热水器、太阳温室大棚、太阳能路灯、太阳灶、生物质炉灶等、农副产品烘干机等。

计算各类供能设施容量

计算各类供能设施容量是对各类分布式电源、储能设施、地热等进行梳理分类，根据资源测算量和设备选取情况，结合能源需求预测结果，并充分考虑站址、廊道情况，确定各类能源转化装置的容量配置，并确定能源供需流向。

生物质能设施容量配置

式中，C

水力资源设施容量配置

水力资源利用受地理因素影响较大，与水量和水位落差等有关。

R＝k×g×w×H

式中，R为水力资源能量；k为折算系数；w为年水量；H为水位差。 C

太阳能资源设施容量配置

太阳能资源利用受天气与日照时数影响，一天之内，日照时数大于等于6小时便可提供太阳能利用，小于6小时则没有利用价值。

Q＝α×T×d

式中，Q为太阳年辐射总量，式中α表示年不同天气系数，晴天，α为 100％；阴天，α为15％；其他天气，α为0；T是日照时数；d是太阳能可利用天数，一年中，T≥6的天数。

C

风力资源设施容量配置

风力资源的利用受风能密度的影响较大，与空气密度和风速大小有关。

式中，W为风能密度，ρ为空气密度，500m以下可作为常数，取为 1.2225kg/m

容量优化及年负荷预测模型

优化容量并预算年负荷是分析风能、太阳能、水能、燃气、地热等多种能源的供需特性，充分利用多种类型能源之间的时空多尺度互补特性，借助多能互补优化能源系统结构和容量。

由于地热资源受地理局限性较大，本实施例将风电场、光伏发电机组、沼气池、抽水蓄能电站集成为多能源联动系统。风电场、光伏发电机组、沼气池用于满足终端用户的负荷需求，当风电、光伏发电机组可发电量高于系统负荷需求时，在满足系统安全运行前提下，盈余电量用于抽水蓄能电站水泵向上水库抽水蓄能。当风电和光伏发电机组可发电量低于系统负荷需求时，抽水蓄能水轮机进行放水发电满足电负荷需求。

测算供能成本

测算供能成本是考虑投资成本、购能成本、燃料成本和运维成本等，测算微能源系统的供能成本。

综合用能评价

综合用能评价是根据系统运行方式，计算系统运行能效和社会经济效益，根据系统评价情况，选择经济性好，运行能效高的能源，修正系统构成，确保系统配置的科学合理。能源经济性评价包含能源价格、用能成本、能源效率等几个方面。如沼气价格可由投入沼气池的资金、使用年限和每年的产气量计算得出，如下式：

式中，p

用能设施不同，价格存在较大差异，煤气灶、液化灶、沼气灶、电器等用能设施价格居中；太阳能热水器、小型的水电站、风电站等能源设施则具有一定的技术含量，价格相对较高；太阳灶、太阳光伏等用能设施虽然属于新能源设施，但价格相对低廉，使用较为广泛。

用户获取的有效能效益跟用能设施有着直接的关系。在能源利用的过程中，用户获取能量的同时，一部分能量也会散失到外部环境中，散失掉的这部分能量就是有效能损失。现实的用能过程中，因为能源种类、用能设施、能源利用方式的不同，导致用户使用能源获取的有效能差异很大。

基于同样的发明构思，本实施例的目的是提供一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子方法中的步骤，包括：

基于同样的发明构思，本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述实施例子方法中的步骤。

基于同样的发明构思，本实施例的目的是提供一种乡村微能源系统容量配置系统，包括：

能源需求预测模块，被配置为：基于历年冷、热、电、气需求，预测乡村发展用能需求；

年负荷需求预测模块，被配置为：基于历年农业生产、居民生活、乡村产业方面的冷、热、电年负荷，预测负荷需求；

能源系统构成确定模块，被配置为：确定能源使用品类和限值，基于能源使用品类和限值确定能源系统的构成，包括能源设备和用户设备；

各类供能设施容量计算模块，被配置为：基于预测的能源需求及年负荷需求确定各类能源转化装置的容量配置，并确定能源供需流向。

以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例对应，具体实施方式可参见实施例的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。