基于风光互补发电系统的零能耗建筑能量系统优化设计研究

装订线安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 基于风光互补发电系统的零能耗建筑能量系统优化设计研究指导老师 鲁月红 学 院 建筑工程学院 专业班级 建筑环境与能源应用工程 132 班 姓 名 张志伟 学 号 139044372 毕业设计（论文）的工作内容:1. ：冷负荷模拟，确定空调能耗2. ：建筑能耗模拟3. ：零能耗建筑的风光互补发电系统尺寸与运行性能4. ：并网状态下风光互补发电系统的优化研究5. ：离网状态下风光互补发电系统的优化研究6. ：图纸绘测7：10000 字符英文翻译指导教师签字： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线I摘 要本设计为青岛市一栋农村民用居民建筑,拟为之设计风光互补发电系统,为该建筑提供生活所需的电能。 本设计利用 DesignBuilder 对建筑进行建模与能耗模拟，得出该建筑的全年生活耗电量，并以此为依据设计一套能完全满足该建筑用电需求的风光互补发电系统。本设计依据有关规定考虑节能和舒适性要求，设计的风光互补发电系统采用风力发电和光伏发电两种发电方式综合使用，能够进行有效的发电互补，提供更加稳定的电力供应。设计内容包括:建筑物建模；建筑物能耗模拟；确定空调系统的能耗；确定每个季节下建筑物的小时与日耗能；不同风光匹配情况下的发电效率与经济性分析；风光互补发电系统的优化设计；离网状态下蓄电池大小的确定。关键字：民用建筑 能耗模拟 风光互补发电系统 优化设计 两种状态下风光互补发电系统的经济性比较 DesignBuilder安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线2ABSTRACTThe design for a rural residential buildings in Qingdao City, to be designed for wind and solar power generation system for the building to provide the necessary energy for life.This design uses DesignBuilder to model and simulate the building, and draws the annual life power consumption of the building. Based on this, we design a set of wind and solar power system which can fully meet the demand of construction electricity. Based on the relevant provisions of the design to consider energy-saving and comfort requirements, the design of wind and solar power generation system using wind power and photovoltaic power generation two kinds of power generation integrated use, to effectively generate electricity complementary, to provide a more stable power supply.The design includes: building modeling; building energy simulation; determining the energy consumption of the air conditioning system; determining the hour and day energy consumption of the buildings under each season; power generation efficiency and economic analysis in the case of different scenery matching; Optimal design of complementary power generation system; determination of battery size in off-grid state.Keywords: Civil construction；Energy consumption simulation；Wind and solar power generation system；Optimized design；Economic Comparison of Wind - solar Complementary Generation System in Two States；DesignBuilder安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线3目 录1 绪论 .61.1 我国风光互补发电系统的现状 .61.2 光互补发电系统国内外研究现状 .61.3 风光互补发电系统的组成与特征 .101.3.1 风光互补发电系统的组成 .101.3.2 风光互补发电系统的特征 .111.4 风光互补发电系统的发展趋势 .111.5 国家对于发展可再生能源的优惠政策 .121.6 本文所做的工作 .132建筑能耗模拟 .142.1 自然概况 .142.2DESIGNBUILDER软件介绍 .142.2.1 软件功能 .142.2.2 建模 .152.3 冷热负荷计算与能耗模拟 .162.3.1 供暖设计计算： .172.3.2 制冷设计计算 .172.3.3 建筑能耗计算 .182.4 建筑整体耗电量的详细计算 .192.4.1 用电器功率与日耗能 .192.4.2 青岛市的四季划分.192.4.3 每个季节的日耗电情况 .202.4.4 一年四季中该建筑的用电特征 .222.5 一年中建筑用电量变化情况 .22安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线43 风光互补发电系统尺寸和运行性能 .233.1 可再生能源系统的原理与特点 .233.2 可再生能源系统的设计 .233.2.1 当建筑用电消耗全部由太阳能发电供应 .243.2.2 建筑耗电全部由风能发电供应 .254.并网状态下风力和光伏发电的经济性分析 .284.1 不同设计方案下风光互补发电系统的成本对比 .284.2 并网建筑风光互补发电系统的优化设计 .295.离网状态下风力和光伏发电的经济性分析 .325.1 根据并网设计发电量计算蓄电池的大小 .335.1.1 建筑的全年日产能与日耗能差 .335.1.2 建筑的全年累计发电量与用电量差值 .345.1.3 不改动发电系统的情况下使用蓄电池的经济性分析 .345.2 扩大风光互补发电系统的规模 .355.2.1 确定离网状态下系统的最小月发电量 .355.2.2 设计风光互补发电系统 .355.2.3 应急蓄电池容量的确定 .375.3 发电系统总成本与用电价格 .385.3.1 发电系统的初始成本 .385.4 蓄电池价格对于风光互补发电系统发电成本的影响 .395.4.1 两种状态下不同风光互补发电系统的成本比较 .395.5 发展风光互补发电系统的社会效益 .406 结论 .426.1 基本结论 .426.2 研究展望 .42安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线5参考文献 .44致 谢 .46安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线61绪论安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线71.1 我国风光互补发电系统的现状中国现有 9 亿人口生活在农村，其中 5%左右目前还未能用上电。也就是说中国目前还有 4000 万人口没有享受到公用电网提供的便捷电力。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。这些地区往往地形崎岖，又远离人口密集区，建造公用电网成本往往非常高，这种情况下如果要建设公用电网，供电的电力价格远远高于城市的公用电网，而这些偏远地区往往经济欠发达，没有足够的经济能力来消费。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。进一步提高这些偏远地区人民的生活水平。我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。这种情况下，建造于研究像风光互补发电系统类似的可再生能源发电系统，降低可再生能源发电系统的成本，降低用电价格，提高用电质量和稳定性，对于提高贫困地区人民的生活水平，降低环境污染，提高清洁能源发电比例具有非常重要的意义。1.2 光互补发电系统国内外研究现状 1981 年，丹麦的 NE Busch 和 K llenbach 提出了太阳能和风能混合利用的技术问题，最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件进行简单的组合。随后，国外的专家学者对风光互补系统进行了研究和应用。此后，Rajesh Karki(Saskatchewan 大学，加拿大)等人研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性计算，指出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线8发电成本、提高系统可靠性的重要途径。Roy Billinton(Saskatchewan 大学，加拿大)等人研究了独立小型风光发电系统的扩容问题，指出互补发电系统扩容的可能性。BDShakya(Melbourne 大学，澳大利亚)等人设计了一种采用压缩氢气储能的风光互补发电系统，并对该系统的技术可行性和经济性做了分析。Rodolfo Dufo Lopez （Zzaagoza 大学，西班牙）等人用 C+语言开发了一套用于光风，光柴等互补发电系统的基于遗传算法的优化软件，并对位于 Zaragoza 的光柴互补发电系统进行了设计与优化，还与另外一个互补优化软件 HOMER（可再生能源互补发电优化建模）进行了比较，结果显示该系统能够根据负载和光照条件确定所用的光伏列阵，蓄电池和柴油机的数量与类型，找到系统最佳配置，以最小的成本获得最大的电能输出，证实了光风，光柴等互补发电系统比任何一种单独单独发电系统都更具优势。Borowy BS 针对风光互补系统提出了优化系统配置的方法，但是该方法在优化系统配置的过程中，并没有把系统的串联连接和并联连接区别开来，此外系统所采用的数学模型也有待进一步改进。BAi 在 Borowy BS 的工作基础上，通过对系统性能小时数据的计算，给出了优化系统配置的一套方法，即在一些列给定的 LPSP(loss of power supply probility)下，得出光伏列阵容量与蓄电池容量的协调曲线，通过画出该曲线的切线（其斜率代表光伏列阵与蓄电池费用的关系），从而唯一的确定系统的最优配置。KThyagarajian 研究了包括风光柴复合发电系统的可再生能源复合发电系统的计算机数学模型，用以计算机系统的性能。MAElhadidy以沙特阿拉伯 Dhahran 气象站 1989 年和 1991 年的小时平均风俗为依据，针对系统10Kw 风力发电机（2 套）+蓄电池+柴油机，分析了蓄电池的最优配置问题。WKellogg 以系统成本为目标函数，以最小负载损失率为约束，采用简单迭代算法研究了风光柴蓄系统最优配置问题。ANCelik 根据 8 年间所测得的气象小时数据，分析计算了复合风光发电系统和独立光伏发电系统或独立风力发电系统，从系统运行性能和经济性能两方面对上述系统进行了比较。ADBagul 采用三事件概率密度逼近的算法，以 20 年的风速，太阳辐射，环境温度为依据，针对特定的负载，计算出风光符合发电系统中蓄电池和光伏列阵的大小。WKellogg 在前期工安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线9作的基础上，进一步对独立光伏发电系统，独立风力发电系统，风光复合发电系统的技术性能和经济性能进行了分析比较 CDennis Barley 研究了边远风光复合发电系统调度策略的优化设计问题MACastro 研制了主要用于包括风光复合发电系统在内的可再生能源发电系统的仿真软件。RChedid 提出了风光蓄电复合系统的设计及控制软件。RChedid 提出了在考虑政治、社会条件，技术、经济等多种因素条件下，利用分层序列法和新的三维协调曲面最小距离风险评价函数法，为风光复合发电并网系统的设计者提供决策支持。SDiafa 等人提出了风光互补系统的优化方法，分两步：第一步建立精确地数学模型（包括光伏模型，风力机模型，蓄电池模型）；第二步根据失电率（LPSP）和电能成本（LCE）优化系统的容量大小，认为满足系统的稳定性（LPSP=0）且 LEC 最低的系统为最优系统。将此方法用于安装在 Corsica 岛的风光互补系统，得出三条结论：在保