別墅用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

王 遜， 肖 威， 于玉良

(北京優(yōu)奈特能源工程技術(shù)有限公司，北京100023)

1 概述

近年來，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)得到快速發(fā)展[1-3]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)典型用戶，對(duì)住宅用燃料電池供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行了研究[4-7]。由于用戶在供暖期、供冷期、過渡期均有用能需求，且用能類型和用量差別比較大，影響燃料電池供能系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行成本。

本文提出別墅燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，在基準(zhǔn)方案1(用電全部來自市電，集中式空調(diào)系統(tǒng)供冷，燃?xì)夤┡療崴疇t供暖、供生活熱水)和基準(zhǔn)方案2(用電全部來自市電，集中式空調(diào)系統(tǒng)供冷、供暖，電熱水器供生活熱水)基礎(chǔ)上，增加燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄電池、蓄熱水箱，組成燃料電池供能方案1、2。對(duì)兩種燃料電池供能方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算分析。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

別墅建筑面積為600 m2，天然氣、市電供應(yīng)良好，無集中供冷、供熱。供暖期、供冷期、過渡期典型日逐時(shí)負(fù)荷分別見圖1～3[8]。在圖1中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。供暖期典型日為熱負(fù)荷最大日，供冷期典型日為冷負(fù)荷最大日。過渡期的逐時(shí)電負(fù)荷、逐時(shí)生活熱水負(fù)荷與供暖期相同。電負(fù)荷不含空調(diào)制冷、制熱用電。供暖期：當(dāng)年11月15日至次年3月15日，120 d。供冷期：6月16日至9月14日，90 d。其余為過渡期，155 d。

圖1 供暖期典型日逐時(shí)負(fù)荷

圖2 供冷期典型日逐時(shí)負(fù)荷

圖3 過渡期典型日逐時(shí)負(fù)荷

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將典型日逐時(shí)負(fù)荷(含熱水負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、電負(fù)荷)作為基礎(chǔ)，將供暖期、供冷期、過渡期的用戶日逐時(shí)負(fù)荷率劃為4檔，用戶日逐時(shí)負(fù)荷率及持續(xù)時(shí)間見表1。以供暖期用戶日逐時(shí)負(fù)荷率為75%為例，即將圖1中供暖期典型日的各項(xiàng)負(fù)荷均乘75%。電、天然氣執(zhí)行階梯氣價(jià)，分別見表2、3。

表1 用戶日逐時(shí)負(fù)荷率及持續(xù)時(shí)間

表2 階梯電價(jià)

表3 階梯氣價(jià)

3 燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)

燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)流程見圖4。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)采用固體氧化物燃料電池(SOFC)，天然氣經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)入重整器，與蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為重整氣后進(jìn)入電堆陽(yáng)極。空氣經(jīng)壓縮機(jī)、空氣預(yù)熱器后，進(jìn)入電堆陰極。電堆陽(yáng)極排氣、電堆陰極排氣進(jìn)入后燃室。后燃室排煙依次進(jìn)入重整器、空氣預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器后進(jìn)入換熱器將60 ℃回水加熱至80 ℃，用于供暖和制備生活熱水。電堆發(fā)電通過功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為220 V交流電。

圖4 燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)流程1.壓縮機(jī) 2.蒸汽發(fā)生器 3.重整器 4.空氣預(yù)熱器 5.電堆陽(yáng)極 6.電堆陰極 7.后燃室 8.功率轉(zhuǎn)換器 9.換熱器 10.水泵

采用燃料電池堆模型[9]，可模擬得到燃料電池在不同發(fā)電功率下的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)額定參數(shù)。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率ηele與燃料電池電負(fù)荷率β的關(guān)系式為[5]：

ηele=-4.162 34β5+10.797 15β4-

8.965 86β3+1.628 52β2+1.186β

雖然經(jīng)驗(yàn)化是老子闡述“道”的一種方法，是老子思想中現(xiàn)實(shí)主義傾向的體現(xiàn)，但在我看來，我們不能將這種體現(xiàn)完全等同于老子現(xiàn)實(shí)主義傾向的內(nèi)涵。 趙汀陽(yáng)先生曾言，老子是借“水”的特性闡釋一種極度理性的，極其強(qiáng)調(diào)“風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避”的原則，能夠應(yīng)變?nèi)f物的方法論。[4]18 故而，老子思想的現(xiàn)實(shí)主義傾向，主要是指老子思想主張內(nèi)所包含的危機(jī)意識(shí)。

式中ηele——燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率

β——燃料電池電負(fù)荷率

對(duì)于給定的發(fā)電功率，通過調(diào)節(jié)燃料電池電負(fù)荷率β適應(yīng)用戶電負(fù)荷變化，β的變化范圍為0.2～1.0。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的熱效率不變。

4 供能方案

① 基準(zhǔn)方案

基準(zhǔn)方案1，用電全部來自市電，單冷型集中式空調(diào)系統(tǒng)供冷，燃?xì)夤┡療崴疇t供暖、供生活熱水。

基準(zhǔn)方案2，用電全部來自市電，熱泵型集中式空調(diào)系統(tǒng)供冷、供暖，電熱水器供生活熱水。

② 燃料電池供能方案

燃料電池供能方案2，在基準(zhǔn)方案2基礎(chǔ)上，增加燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄電池、蓄熱水箱，優(yōu)先利用燃料電池發(fā)電、余熱及儲(chǔ)能。

燃料電池供能方案的燃料電池發(fā)電并網(wǎng)不上網(wǎng)。供電設(shè)備先后順序?yàn)槿剂想姵責(zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄電池、市電。供熱設(shè)備先后順序?yàn)槿剂想姵責(zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄熱水箱、集中式空調(diào)系統(tǒng)或燃?xì)夤┡療崴疇t。供生活熱水設(shè)備先后順序?yàn)槿剂想姵責(zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄熱水箱、燃?xì)夤┡療崴疇t或電熱水器。供冷由集中式空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)。燃料電池供能方案1、2設(shè)備的額定參數(shù)見表4。燃料電池裝機(jī)容量分別采用10.0、12.5、15.0、17.5、18.5、20.0、25.0、35.0 kW。

表4 燃料電池供能方案1、2設(shè)備的額定參數(shù)

5 供能方案優(yōu)化

① 年運(yùn)行成本計(jì)算方法

年運(yùn)行成本Ca的計(jì)算式為：

式中Ca——年運(yùn)行成本，元/a

n——時(shí)期種類(見表1)，取3

m——用戶日逐時(shí)負(fù)荷率種類(見表1)，取4

Cd,i,j——第i種時(shí)期第j種用戶日逐時(shí)負(fù)荷率的最低日運(yùn)行成本，元/d

ti,j——第i種時(shí)期第j種用戶日逐時(shí)負(fù)荷率的持續(xù)時(shí)間(見表1)，d

② 優(yōu)化方法

以日運(yùn)行成本最低作為目標(biāo)，計(jì)算燃料電池供能方案1、2在不同燃料電池裝機(jī)容量下的年運(yùn)行成本，得到最佳燃料電池裝機(jī)容量。運(yùn)行成本包括天然氣、市電和設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用。天然氣消耗來自燃料電池、燃?xì)夤┡療崴疇t。市電消耗主要為集中空調(diào)系統(tǒng)。燃?xì)夤┡療崴疇t的排風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵耗電功率按單位熱功率5 W/kW考慮。燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)輸出電功率為扣除壓縮機(jī)、水泵電功率后的電功率。設(shè)備運(yùn)維費(fèi)為3×104元/a。

目標(biāo)函數(shù)：日運(yùn)行成本最低。

優(yōu)化變量：對(duì)于給定的燃料電池裝機(jī)容量，將燃料電池逐時(shí)電負(fù)荷率、蓄電池逐時(shí)放電量、蓄熱水箱逐時(shí)放熱量作為優(yōu)化變量。

約束條件：約束條件1為供給側(cè)、需求側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)的電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷、生活熱水負(fù)荷平衡。約束條件2為β的變化范圍為0.2～1.0。約束條件3為蓄電池、蓄熱水箱的日儲(chǔ)能量與日釋能量平衡。

優(yōu)化方法：采用EXCEL軟件的規(guī)劃求解器進(jìn)行優(yōu)化。

6 優(yōu)化結(jié)果與分析

不同燃料電池裝機(jī)容量下燃料電池供能方案1、2的年運(yùn)行成本見表5。由表5可知，當(dāng)燃料電池裝機(jī)容量取17.5 kW時(shí)，燃料電池供能方案1、2的年運(yùn)行成本均達(dá)到最低，且兩種方案的年運(yùn)行成本比較接近。

表5 不同燃料電池裝機(jī)容量下燃料電池供能方案1、2的年運(yùn)行成本

燃料電池單位裝機(jī)容量造價(jià)為1.2×104元/kW。單冷型集中空調(diào)系統(tǒng)單位制冷量造價(jià)取705 元/kW，熱泵型集中空調(diào)系統(tǒng)單位制冷量造價(jià)為1 433 元/kW。燃?xì)夤┡療崴疇t單位熱功率造價(jià)取400 元/kW。換熱器單位換熱量造價(jià)取600 元/kW。電熱水器單位熱功率造價(jià)取340 元/kW。蓄電池單位容量造價(jià)取1 000 元/(kV·A)。蓄熱水箱造價(jià)為250 元。由此可計(jì)算得到，燃料電池裝機(jī)容量取17.5 kW時(shí)燃料電池供能方案1、2的設(shè)備造價(jià)分別為29.33×104、36.14×104元。系統(tǒng)壽命取15 a，方案2節(jié)省的年運(yùn)行成本無法收回多余設(shè)備造價(jià)。因此，電池供能方案1的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

由計(jì)算結(jié)果可知，基準(zhǔn)方案1的年運(yùn)行成本為14.41×104元/a。燃料電池供能方案1的年運(yùn)行費(fèi)用比基準(zhǔn)方案1低2.86×104元/a，多出的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、蓄電池、蓄熱水箱的設(shè)備造價(jià)的靜態(tài)投資回收期為8.04 a。

7 結(jié)論

當(dāng)燃料電池裝機(jī)容量取17.5 kW時(shí)，燃料電池供能方案1、2的年運(yùn)行成本均達(dá)到最低，且兩種方案的年運(yùn)行成本比較接近。燃料電池供能方案1、2的設(shè)備造價(jià)分別為29.33×104、36.14×104元。燃料電池供能方案1的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。與基準(zhǔn)方案1相比，多出的設(shè)備造價(jià)的靜態(tài)投資回收期為8.04 a。