光伏發電系統節能減排效果模糊評價

陳佳明,裴志剛,方 珺,鐘天成,孫振華

(1.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司,浙江 紹興 312000; 2.福州大學,福建 福州 350116)

高能耗和高污染的問題導致我國能源緊缺和生態環境出現了惡化。火電機組雖然為相關企業提供了相應的能源支持,但是其也是污染物排放的主要來源,因此火力發電成為節能減排的重點關注領域,面臨著嚴峻的挑戰[1-2]。對火電機組實施節能減排,有助于減少對環境的污染[3]。實現雙碳目標不僅是在綜合考慮中國生態環境污染現狀與經濟高質量發展不相匹配的局面而作出的重要戰略決定,而且是協調自然生態環境與中國經濟發展方式轉變的關鍵戰略舉措。企業作為市場經濟運行與改善生態環境的微觀基礎,是資源和能源的主要消耗者、環境問題的主要制造者以及推動生產方式綠色低碳轉型的主力軍。因此,保證企業高質量綠色低碳轉型是“雙碳”目標的實現的關鍵要義所在。根據上述分析,對火電機組進行節能減排,分析光伏等清潔能源接入電力系統后構建的新型電力系統節能減排效果,可以有效控制相關企業的經濟效益降低生產成本,從而達到綠色環保和可持續發展的目的。

在國內的研究中,鄭中原等[4]提出了一種基于云平臺的新型分布式能源管理平臺,并將其用于區域電力系統,通過與現代信息技術的結合,新型分布式能源管理平臺可以實現對節能減排的實時監控,針對節能減排的要求對各個層次的功能進行針對性設計,完善節能減排系統的各個功能。李軍軍等[5]根據國家五年計劃中的節能減排指標,建立了一個節能減排效益綜合指標體系監測系統,并綜合評價“十一五”至“十三五”的節能減排指標,通過對綜合評價結果的動態對比,得出了五年計劃中,各省市節能減排的降耗效率不斷地提高,各省間的能耗水平也相對平穩。在國外的研究中,Xue R等[6]首先利用物流分析方法收集共生技術,系統地識別了ISI中的物質流和能量流。然后,建立了基于生命周期評估和保護供給曲線的綜合評估框架,對共生技術進行量化和篩選[7]。在此基礎上,通過情景分析評估了將選定技術推廣到河南ISI所帶來的ECER潛力。結果表明:推廣可用的最佳技術可以為河南省的ISI帶來巨大的ECER潛力。此外,還提出了有針對性的政策建議,以促進ISI中的共生技術。

基于以上研究背景,為了更好地幫助相關企業落實雙碳目標政策,本文以光伏發電系統為研究對象,將模糊數學理論應用到了光伏發電系統節能減排效果評價中,以期使光伏發電系統達到更好的節能減排效果。

1 光伏發電系統節能減排效果評價方法設計

1.1 評估因素選取

歸納我國目前光伏發電系統節能減排效果的影響因素,得出了影響光伏發電系統節能減排效果的主要因素包括:光伏電源結構、節能減排技術、節能減排創新機制以及政府管制四大要素[8],具體如圖1所示。

圖1 光伏發電系統節能減排效果的影響因素

1.1.1 光伏電源結構

電力產業的供電體系主要有火電、水電、風電、核電、太陽能等新能源方式,而節能減排是指在滿足電力市場需要的前提下,根據發電的特點和長遠的發展計劃,逐漸地提高光伏發電所占的比例,從而減少對常規礦物燃料的使用。從宏觀上講,改進光伏發電系統的結構也是推進節能減排的有效措施,因為小型火電機組的能量不僅利用率很低而且污染量很大[9],因此,關閉小型火電機組和淘汰落后產能,增加低能耗、低污染的光伏發電系統也有助于節能減排。建立一個高效的新型電力系統,是實現光伏發電系統節能減排的一個重要前提。

1.1.2 節能減排技術

技術革新是光伏發電系統實現能源節約和減少能源消耗的前提和關鍵,也是保證電力企業可持續發展的最重要途徑。本文提出的光伏發電系統節能減排目標是減少發電企業碳排放,提高能源的綜合利用效率。

1.1.3 節能減排創新機制

在我國光伏發電系統節能減排過程中,不僅要具備相關的節能減排技術,還應通過建立激勵機制來促進各發電公司資源的最優分配。同時構建節能減排創新機制,使得原本以政府為主的電力工業向節能減排市場發展,使節能減排創新機制成為能源節約和減少排放的內部推動力。

1.1.4 政府管制

而對于電力公司而言,光伏發電系統節能減排能否真正實施,其效果如何,受政府管制的影響較大。因而,政府管制是光伏發電系統節能減排的推動力和約束力。是一種以維持或獲得某種公眾福利為目標而實施的一種政府約束行為,被稱為政府管制[10]。政府對光伏發電系統節能減排效果有較大影響,不僅關系到節能減排指標的分解與落實,還關系到節能減排法律法規體系建設,直接影響到節能減排的最終結果。為此,本文從圖1所示的光伏電源結構、節能減排技術、節能減排創新機制以及政府管控等四個方面,分析了影響光伏發電系統節能減排效果的因素。

1.2 確定光伏發電系統節能減排效果的約束條件與方法設計

1.2.1 科學性與可行性

科學性和可行性結合的原則是光伏發電系統節能減排效果評價體系的核心原則,該評價體系既要充分反映光伏發電系統節能減排的效果,又要兼顧科學性和可行性[11]。另外,在指標體系中所包含的各項指標也要遵循折中的原則,在確保充分涵蓋節能減排的前提下,選擇最能體現本文研究體系的評估指標,盡量降低主觀判斷帶來的影響。在達到監測與評估目標的情況下,建立光伏發電系統節能減排效果評價標準,根據從多方面考慮結合現行的指標,使評價結果更加真實、準確。

1.2.2 可持續性與動態性

由于光伏發電系統所處的社會背景不同,節能減排效果的評價方法和原則也存在一定差異。因此,評價光伏發電系統的節能減排效果時,不僅要考慮光伏發電領域存在的問題,還要考慮到光伏電源和節能減排效果評價在未來發展中的趨勢。

可持續性與動態性相結合的原則是指光伏發電系統節能減排的基本原則,它既要為電網的節能、減排提供實際的效益,又要與當地的自然條件、資源條件相適應,從而實現可持續發展。光伏發電系統[12]離不開自然環境,而其發展的前提是要有充足的資源,在光伏發電過程中不僅要提高資源利用率,又要降低污染物的排放量,根據不同的環境情況,對其進行合理的開發。

1.2.3 目的性與相關性

本文所涉及光伏發電系統節能減排效果評估指標是從多角度綜合而成的評價體系,其基本原理都是以電力、環境、統計等多個角度進行的,因而在反映光伏發電系統節能減排效果上更為充分[13]。該評估體系所構建的四大標準層次的16項量化指標均與光伏發電系統節能減排工作密切相關,使該評估體系得到評估結果更嚴謹和科學。

1.2.4 可控性

光伏發電系統節能減排效果評價體系一種新型的基于光伏發電系統的管理技術,它在推動節能、減少排放方面發揮了重要的作用。光伏發電系統節能減排效果評價體系的構建原則是要按照一定的控制原理[14],在不同的時間和地區對光伏發電系統進行節能減排工作,并及時做出相應的調整,因此,可以及時、全面地反映出光伏發電系統的節能減排效果,還能更全面地反映出光伏發電系統對節能減排的促進作用,為以后光伏發電系統的合理發展提供更多的技術支持。

基于光伏發電系統節能減排效果的影響因素,利用科學性與可行性結合的原則、可持續性與動態性相結合的原則、目的性與相關性結合的原則以及可控性原則,確定了光伏發電系統節能減排效果評價體系構建原則。

1.3 設計節能減排效果評價方法

為了設計合理有效的光伏發電系統節能減排效果評價方法,本文利用模糊數學理論,對光伏發電系統節能減排指標評估方法展開研究。通過對國內外有關建立光伏發電系統節能減排評價指標體系的研究成果進行綜述和分析的基礎上[15-16],參照電力企業節能減排效果評價體系為構建依據,歸納出設計光伏發電系統節能減排效果評價方法基本流程如下:

1)識別評估對象

該效果評價體系是應用模糊數學理論將所有的指標統一到光伏發電系統的節能減排效果上。對光伏發電系統進行節能減排效果評估,主要是為國家制定相關的節能減排政策和決策提供依據,因此,評估對象主要是光伏發電系統。因此,用R0表示光伏發電系統的節能減排數據,如式(1)所示:

(1)

式中:a0為待評價的光伏發電系統;C={c1,c2,…,cn}為特征;V={v1,v2,…,vn}為量值。

2)聚類處理節能減排效果評估的影響因素

從光伏發電系統降低污染物排放和降低能耗等方面入手,對上文提到的影響光伏發電節能減排效果的因素進行聚類處理[17],通過分析影響節能減排效果的四大影響要素,結合實際分析,通過實地考察和調研作為研究基礎,對光伏發電系統節能減排過程中存在的問題進行詳細地研究,把各個影響因素以評估指標的方式展示出來。

根據上述分析,結合圖1的影響因素構成因素集,如式(2)所示:

U={u1,u2,…,um}

(2)

式中:U為因素集。

3)對評價指標進行甄別

光伏發電系統節能減排效果評價指標的準確與否,直接影響光伏發電系統節能減排的效果。由于我國光伏發電系統的節能減排效果評估指標體系所包含的各種因素都是相互聯系的,而模糊數學方法可以將定性信息轉化為定量信息的同時,獲得評價對象的總體評價水平和每個水平的具體情況,因此在實施過程中,依據模糊數學理論[18-19]選擇適當光伏發電系統節能減排評價體系,從而得出一套科學、合理的評估指標,以期提高信息的利用率。

結合模糊數學方法,甄別光伏發電系統節能減排評價對象中的評價指標,如式(3)所示:

D={d1,d2,…,dn}

(3)

式中:D為評價集。

模糊數學甄別評價指標的基本思想是選取與評價對象相關的主要因素,利用隸屬度函數和隸屬度識別原理進行合理的綜合評價。它包括一級綜合評價模型和多層次綜合評價模型。通過對我國光伏發電系統節能減排和污染物減排系統進行分析,得出了節能減排評價指標的分析結果,選擇16項指標構建了我國光伏發電系統節能減排的綜合評價指標體系。

4)構建評價數學模型

基于因素集U即可求解出對應的權重向量W=wi={w1,w2,…,wm},根據評價集D即可求解不同評價結果的隸屬度。以此為依據,構建評價數學模型,并設定式(4)的約束條件:

(4)

式中:m為權重的數量。

結合上述分析組建模糊矩陣,如式(5)所示:

(5)

5)模糊綜合評價

通過步驟4建立評價模型后,對各個子集之間的關聯性進行分析,同時構建模糊關系矩陣,如式(6)所示:

Z=ST×zn

(6)

式中:zn為模糊綜合評價子集。在此基礎上,結合模糊數學理論[20],對光伏發電系統節能減排效果進行了初步的評估,最終完成光伏發電系統節能減排效果評價方法設計,如表1所示。

表1 光伏發電系統節能減排效果評價體系

綜上所述,利用模糊數學理論識別節能減排效果評估對象,通過聚類處理節能減排效果評估的影響因素,構建了光伏發電系統節能減排效果評價方法,實現了光伏發電系統節能減排效果的評價。

2 實例分析

2.1 數據收集

考慮到光伏發電系統能耗數據的可獲取性,本文將研究范圍定位到省范圍,為了明確評價出各個區域光伏發電企業的節能減排效果,本文選取了某省2019—2021年光伏企業節能減排效果評價的指標數據作為案例數據,該光伏發電系統如圖2所示。

圖2 光伏發電系統

對圖2所示的光伏發電系統節能減排效果進行評價,將該省2019—2021年光伏企業能耗數據劃分為45組數據,其中10組數據作為測試樣本,35數據為訓練樣本,并以此確定了其評價過程中的指標數據結果,如表2所示。

表2 某省2019—2021年光伏企業節能減排效果評價的指標數據

2.2 訓練評價體系

基于某省2019—2021年光伏企業節能減排效果評價的指標數據,通過訓練評價體系,獲取文中評價方法的訓練精度,結果如圖3所示。

圖3 評價體系訓練結果

根據圖3的訓練結果可知,在35組訓練樣本中,最大的相對誤差為1.472%,最小相對誤差只有0.008%,說明本文的評價體系可以用于光伏發電系統節能減排效果評價。

2.3 結果分析

分析該省開發光伏發電系統的適宜性,以確定該地區的碳減排潛力。適宜性遙感圖像如圖4所示。

圖4 光伏發電系統開發適宜性

分析圖4可知,該地區光伏開發適宜性呈現出由西北向東南遞減的空間分布趨勢。西北側因其地貌類型為山地丘陵等,年日照時數高于2 500 h,年總太陽輻射高于5 800 MJ·m-2·a-1,因此非常適宜區主要分布該區域。

將選擇的10組樣本數據帶入到基于模糊數學理論的光伏發電系統節能減排效果評價體系中,輸入各個指標的數值,獲取評價模型輸出結果,如表3所示。

表3 評價結果

從表3的結果可以看出,采用基于模糊數學理論的光伏發電系統節能減排效果評價方法時,得到的測試輸出值與期望輸出值非常接近,相對誤差值也比較小,最大的相對誤差為-1.80%,最小的相對誤差為-0.24%,并且每一組數據的相對誤差存在比較小的波動范圍,因此可以認為基于模糊數學理論的光伏發電系統節能減排效果評價方法,在某省2019—2021年光伏企業節能減排效果評價中具有較高的評價精度和性能,適用于各省的光伏發電行業節能減排效果的評價和考核。

光伏發電系統分項能耗與溫度之間的 Pearson 相關性系數矩陣如圖5所示。

圖5 相關性系數矩陣

圖5中,指標1～7分別對應溫度、光伏設備平均利用小時數、廠用電率、太陽能綜合利用率、工業廢水利用率、單位發電量取水量、脫硫石膏綜合利用率7項。由圖5可知,光伏設備平均利用小時數受溫度影響最大;廠用電率、太陽能綜合利用率和溫度之間也存在較高的相關性,與預設實驗環境一致,說明評估方法有效。

3 結 語

本文從光伏發電系統節能減排效果影響因素分析、確定評價原則、構建評價方法三個方面完成了應用模糊數學理論的光伏發電系統節能減排效果評價研究。實例分析結果顯示,該方法在評價光伏發電系統節能減排效果時具有更高的精度。在今后的研究中,希望可以考慮到影響光伏發電系統節能減排效果的其他因素,即社會效益和技術指標等,從而增強光伏發電系統的節能減排效果。