本发明属于海水淡化建模方法技术领域，涉及一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法。
背景技术：
我国的淡水资源总量名列世界第四，但是作为一个人口大国，我国人均综合用水量排名落后，仅为431m3，另一方面，我国淡水资源分布极不均衡，沿海城市的偏远地区常年处于缺乏淡水的状态。为了解决淡水短缺问题，反渗透海水淡化技术得到深入研究。海水淡化技术需要消耗大量电能，一些大型海水淡化厂的单位产水能耗为2.5-4kwh/m3，这些电能大部分来自于化石燃料，燃烧会产生大量温室气体。同时偏远地区尤其是海岛地区远离电网，无法从电网中获得充足、低成本的电能，这使得海水淡化技术无法在缺乏淡水地区大规模应用。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，解决了现有技术中存在的海水淡化过程无法从电网获取可靠、低成本电能的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，包括以下步骤：
步骤1、根据每日用水量预测海水淡化过程所需的功率pl；
步骤2、计算光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat；
步骤3、根据海水淡化过程所需的功率pl、光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat，计算电池荷电状态值soc；
步骤4、计算可再生能源系统的供电损失概率lpsp；
步骤5、将lpsp≤lpspmax作为约束条件，计算可再生能源系统的总建设成本lcc。
本发明的特点还在于：
步骤1中海水淡化过程所需的功率pl为：
pl＝hdsdc(1)；
上式中，hd为每日需水量的体积，sdc为海水淡化过程生产单位体积水所需的功率。
步骤2中光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat的计算方式如下：
ppv＝ηpvrtapv(2)；
上式中，ηpv为光伏发电效率，rt为光照辐射强度，apv为光伏面板的表面积；
上式中，v为风速，vci、vr、vco分别为风力机的切入速度、额定速度、切出速度，pr为风力机额定功率：
上式中，awt为风力机最大扫过面积，cp为风力发电功率系数，ρa为空气密度，ηwt为风力涡轮机发电效率；
sbat＝nbatssbat(5)；
上式中，nbat为电池的数量，ssbat为每个电池的额定容量。
步骤3中电池荷电状态值soc的计算方式如下：
pg(t)＝ppv(t) pwt(t)(7)；
上式中，σ为每小时自放电率，pl(t)为t时刻海水淡化过程所需的功率，ppv(t)为t时刻光伏发电功率，pwt(t)为t时刻风力发电功率，ηinv为逆变器效率，δt为时间间隔，soc(0)＝80％socbat，ηbc、ηbf分别为电池组充电过程的效率、电池组放电过程的效率，i为充放电系数。
步骤4中供电损失概率lpsp为：
上式中，lps(t)为能源供应缺额量；
上式中，lindex为能源供应损失系数。
步骤5具体过程为：
将lpsp≤lpspmax作为约束条件，可再生能源系统的总建设成本lcc通过下式计算：
lcc＝lccpv lccwt lccbat(10)；
上式中，lccpv为光伏面板的总建设成本，lccwt为风力机的总建设成本，lccbat为电池组的总建设成本。
步骤5中光伏面板的总建设成本lccpv、风力机的总建设成本lccwt、电池组的总建设成本lccbat的计算方式如下：
lccpv＝apvcpvcrf cmnt-pvapv(11)；
上式中，cpv为光伏面板单位建设成本，cmnt-pv为光伏发电运行和维护成本，crf为资本回收系数；
上式中，j为利率，n为使用年限；
lccwt＝awtcpvcrf cmnt-wtawt(13)；
上式中,cwt为风力机单位建设成本，cmnt-wt为风力发电运行和维护成本；
上式中，cmnt-bat为电池组运行和维护成本，cbat为电池的单位建设成本，k表示更换电池的年份。
本发明的有益效果是：
本发明一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，根据居民每日用水量预测海水淡化过程所需的功率，通过对可再生能源的输出功率和建设成本进行建模，同时考虑系统的断电损失概率，求解模型的到可再生能源系统的模型，能降低可再生能源系统的建设成本；使用光伏、风力能源为海水淡化过程供电，可以提高可再生能源的利用率，减少化石燃料的使用，进而降低温室气体的排放量，实现海水淡化技术可持续发展；同时可以解决偏远地区无法从电网获取可靠、低成本电能的问题。
附图说明
图1是本发明一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法的实施例中电池瞬时状态值变化图；
图2是本发明一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法的实施例中总建设成本优化分析结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，包括以下步骤：
步骤1、根据每日用水量预测海水淡化过程所需的功率pl：
pl＝hdsdc(1)；
上式中，hd为每日需水量的体积(m3)，sdc为海水淡化过程生产单位体积水所需的功率(kw/m3)。
步骤2、计算光伏发电功率ppv(kw)、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat：
ppv＝ηpvrtapv(2)；
上式中，ηpv为光伏发电效率(％)，rt为光照辐射强度(kw/m2)，apv为光伏面板的表面积(m2)；
上式中，v为风速，vci、vr、vco分别为风力机的切入速度、额定速度、切出速度，pr为风力机额定功率：
上式中，awt为风力机最大扫过面积，cp为风力发电功率系数，ρa为空气密度，ηwt为风力涡轮机发电效率；
sbat＝nbatssbat(5)；
上式中，nbat为电池的数量，ssbat为每个电池的额定容量(kwh)。
步骤3、根据海水淡化过程所需的功率pl、光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat，计算电池荷电状态值soc(每小时计算一次)：
pg(t)＝ppv(t) pwt(t)(7)；
上式中，σ为每小时自放电率，pl(t)为t时刻海水淡化过程所需的功率，ppv(t)为t时刻光伏发电功率，pwt(t)为t时刻风力发电功率，ηinv为逆变器效率，δt为时间间隔(δt为1h)，soc(0)＝80％socbat，ηbc、ηbf分别为电池组充电过程的效率、电池组放电过程的效率，i为充放电系数，当电池放电时i为1，当电池充电时i为2。
步骤4、计算可再生能源系统的供电损失概率lpsp：
上式中，lps(t)为能源供应缺额量(kw)；
上式中，lindex为能源供应损失系数，当soc(t)≥socmin时lindex的值为0，当soc(t)＜socmin时lindex的值为1，socmin一般为总容量的20％。
步骤5、将lpsp≤lpspmax作为约束条件，lpspmax为2％，计算可再生能源系统的总建设成本lcc：
lcc＝lccpv lccwt lccbat(10)；
上式中，lccpv为光伏面板的总建设成本，lccwt为风力机的总建设成本，lccbat为电池组的总建设成本。
其中，总建设成本lccpv、风力机的总建设成本lccwt、电池组的总建设成本lccbat的计算方式如下：
lccpv＝apvcpvcrf cmnt-pvapv(11)；
上式中，cpv为光伏面板单位建设成本，cmnt-pv为光伏发电运行和维护成本，crf为资本回收系数；
上式中，j为利率，n为使用年限；
lccwt＝awtcpvcrf cmnt-wtawt(13)；
上式中,cwt为风力机单位建设成本，cmnt-wt为风力发电运行和维护成本；
上式中，cmnt-bat为电池组运行和维护成本，cbat为电池的单位建设成本，k表示更换电池的年份。
具体的，计算公式(1)-(5)，并以lpsp≤lpspmax作为约束条件，即可得到光伏面板的表面积apv、风力机扫过的面积awt、电池的数量nbat的最小值，进而能降低可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本。
通过以上方式，本发明一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，根据居民每日用水量预测海水淡化过程所需的功率，通过对可再生能源的输出功率和建设成本进行建模，同时考虑系统的断电损失概率，求解模型的到可再生能源系统的模型，能降低可再生能源系统的建设成本；使用光伏、风力能源为海水淡化过程供电，可以提高可再生能源的利用率，减少化石燃料的使用，进而降低温室气体的排放量，实现海水淡化技术可持续发展；同时可以解决偏远地区无法从电网获取可靠、低成本电能的问题。
实施例：
以我国某反渗透海水淡化厂为例，对其能源建设规模进行优化。表1中给出了该海水淡化厂的一些参数。
表1威海市某反渗透海水淡化厂的参数
从图1可以看出，电池荷电状态值每个时刻都在变化，在白天时，光伏发电与风力发电共同为海水淡化过程供电，多余的电能储存在电池组中，电池瞬时状态值上升，当夜晚或者阴天时，光伏发电不再出力，风力发电无法满足海水淡化过程的能源需求，电池组开始放电，电池荷电状态值下降。从整体看，电池荷电状态值大部分时间都在放电最低值之上，满足最大失电损失概率要求，建设的可再生能源系统能够保证反渗透海水淡化过程的能源供应。
从图2中可以看出，初始时刻对各设备的建设规模进行简单配置，得到可再生能源系统的总建设成本为293万元，经过不断调整光伏面板面积、风机涡轮机最大扫过面积和电池组数量，使得总建设成本不断减少，最终稳定于267万元。表2列出了优化分析得到的最佳建设方案，此建设方案在满足海水淡化过程所需功率的同时，使得总建设成本最少。
表2可再生能源设备安装规模
1.一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据每日用水量预测海水淡化过程所需的功率pl；
步骤2、计算光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat；
步骤3、根据所述海水淡化过程所需的功率pl、光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat，计算电池荷电状态值soc；
步骤4、计算可再生能源系统的供电损失概率lpsp；
步骤5、将lpsp≤lpspmax作为约束条件，计算可再生能源系统的总建设成本lcc。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤1中所述海水淡化过程所需的功率pl为：
pl＝hdsdc(1)；
上式中，hd为每日需水量的体积，sdc为海水淡化过程生产单位体积水所需的功率。
3.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤2中所述光伏发电功率ppv、风力发电功率pwt及电池组的总容量sbat的计算方式如下：
ppv＝ηpvrtapv(2)；
上式中，ηpv为光伏发电效率，rt为光照辐射强度，apv为光伏面板的表面积；
上式中，v为风速，vci、vr、vco分别为风力机的切入速度、额定速度、切出速度，pr为风力机额定功率：
上式中，awt为风力机最大扫过面积，cp为风力发电功率系数，ρa为空气密度，ηwt为风力涡轮机发电效率；
sbat＝nbatssbat(5)；
上式中，nbat为电池的数量，ssbat为每个电池的额定容量。
4.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤3中电池荷电状态值soc的计算方式如下：
pg(t)＝ppv(t) pwt(t)(7)；
上式中，σ为每小时自放电率，pl(t)为t时刻海水淡化过程所需的功率，ppv(t)为t时刻光伏发电功率，pwt(t)为t时刻风力发电功率，ηinv为逆变器效率，δt为时间间隔，soc(0)＝80％socbat，ηbc、ηbf分别为电池组充电过程的效率、电池组放电过程的效率，i为充放电系数。
5.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤4中所述供电损失概率lpsp为：
上式中，lps(t)为能源供应缺额量；
上式中，lindex为能源供应损失系数。
6.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤5具体过程为：
将lpsp≤lpspmax作为约束条件，可再生能源系统的总建设成本lcc通过下式计算：
lcc＝lccpv lccwt lccbat(10)；
上式中，lccpv为光伏面板的总建设成本，lccwt为风力机的总建设成本，lccbat为电池组的总建设成本。
7.根据权利要求6所述的一种可再生能源驱动反渗透海水淡化技术的成本建模方法，其特征在于，步骤5中所述光伏面板的总建设成本lccpv、风力机的总建设成本lccwt、电池组的总建设成本lccbat的计算方式如下：
lccpv＝apvcpvcrf cmnt-pvapv(11)；
上式中，cpv为光伏面板单位建设成本，cmnt-pv为光伏发电运行和维护成本，crf为资本回收系数；
上式中，j为利率，n为使用年限；
lccwt＝awtcpvcrf cmnt-wtawt(13)；
上式中,cwt为风力机单位建设成本，cmnt-wt为风力发电运行和维护成本；
上式中，cmnt-bat为电池组运行和维护成本，cbat为电池的单位建设成本，k表示更换电池的年份。
技术总结