一种针对采用固体氧化物燃料电池的分布式能源系统的组件级全局操作优化方法

《Renewable Energy》：A global component-level operation optimization method for distributed energy systems with solid oxide fuel cell

针对分布式能源系统（DES）与固态氧化物燃料电池（SOFC）集成系统的优化控制问题，提出全局组件级运行优化方法，通过解耦热电系统实现组件状态协同优化，考虑动态电网碳强度以降低碳排放。实验表明该方法使电力消耗减少9.4%，二氧化碳排放降低19.7%-29.9%，验证了其在商业建筑中的高效应用。

　　

郝秀霞|陈克奇|刚文杰|涂正凯

华中科技大学环境科学与工程学院，中国武汉珞喻路1037号，430074

摘要

集成固体氧化物燃料电池（DES&SOFC）的分布式能源系统可以是建筑中氢能利用的一种高效替代方案。储能系统有助于提高系统的可靠性和效率。适当的控制对于提升DES&SOFC的性能至关重要。本研究提出了一种全局组件级运行优化方法，通过分离热能系统和电能系统的集成来实现储能功能。该方法考虑了与电网的低碳互动，优化了主要组件的运行状态（如负荷、温度、风扇速度、功率变化/放电等）。在服务于办公楼的DES&SOFC系统中验证了该方法的有效性。结果表明，与传统方法相比，该方法能够有效提高DES&SOFC系统的能源效率，满足热需求所需的电能消耗减少了9.4%。此外，该方法增强了DES&SOFC系统的灵活性，使其能够以更低的排放响应电网需求。在两个典型日子里，总二氧化碳排放量分别减少了19.7%和29.9%。这项研究为促进SOFC和氢能在商业建筑和社区中的应用提供了非常实用和有效的技术支持。

引言

分布式能源系统可以整合本地可再生和清洁能源，如太阳能、风能和生物质能[1]，从而在本地满足用户的冷却、供暖和电力需求，同时大幅降低传输能量损失并提高能源安全性[2]。同时，氢作为一种重要的能源资源[3]，可以作为过剩能源的副产品或储能方式[4]。配备燃料电池的分布式能源系统可以成为基于氢能满足建筑需求的节能方案[5]。固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高效率和灵活性（适用于氢气、天然气和沼气等多种燃料）而成为一种重要的选择[6]。

SOFC通过电化学反应发电，使用氢气或天然气作为燃料，空气作为氧化剂[7]。SOFC的电效率可超过60%[8]。其工作温度范围为500至1000°C，排气温度可达650°C[9]，这些热量可以进一步用于能量回收，例如供暖和发电[10]。因此，SOFC可以与废热回收装置（如吸收式冷水机或热交换器）结合使用，为用户同时提供冷却、供暖和电力[11]，这就是DES&SOFC系统[12]。这种集成方法显著提高了整体能源效率，通常超过90%[13]。

许多研究分析了DES&SOFC系统的性能，涵盖了住宅建筑[14]、公共建筑[15]和工业园区[16]等多种应用场景，但不同应用场景下的负荷特性存在显著差异。Sleiti等人[17]研究表明，医院建筑中的DES&SOFC系统整体效率达到78.3%，可满足49-77%的电力需求，平准化电力成本为0.087美元/千瓦时，最佳容量下的回收期为10年。另一项研究[18]聚焦于一个面积为1645平方米的工业建筑，其中SOFC用于同时供应电力和热能，系统效率分别为氢气90.3%、天然气90.1%，电效率分别为63.0%和48.1%。Roy等人[19]发现，英国的氢燃料SOFC系统实现了峰值效率：能源效率（96%）、电效率（52.43%）、熵效率（58.38%）和热效率（43.89%）。SOFC系统还可以与太阳能甲醇重整系统结合，用于热能和电能供应[20]，其电效率和热效率分别为59.7%和81.6%。Ni等人[21]开发了三种SOFC-GT-CHP配置方案：单堆、多堆（适用于低负荷效率）以及最优VRB耦合运行（实现了最高的平均发电效率）。Ling等人[22]提出了一种基于SOFC/GT的DES系统，并与超临界/亚临界CO₂循环结合。通过4E（能源、熵、经济、环境）分析和NSGA-II优化，该系统在最佳条件下的能源效率达到69.88%，CO₂排放量为0.3074千克/千瓦时。

虽然上述研究主要集中在单一应用场景上，但一些研究人员也探讨了DES&SOFC系统在多种应用中的表现。Ni等人[23]分析了中国北方四种典型场景下SOFC-GT-CHP系统的实时性能，发现与流动电池的耦合是高效、可行且适应负荷变化的。以往的研究主要依赖于仿真，但最近的研究开始结合实验数据。Gandiglio等人[24]收集了全球各地安装在非住宅建筑中的六个SOFC-CHP系统的数据。这些商用规模的SOFC系统显示电效率在51%到61%之间，热效率在18%到28%之间，衰减率在每1000小时0.7%到3.2%之间。上述研究表明，DES&SOFC系统在不同应用场景下均表现出高效率，使其成为建筑领域的节能且有前景的解决方案。

然而，由于能源供应单元的高度耦合，DES&SOFC系统的应用仍然受到限制，这增加了冷却、供暖和发电协调的复杂性。需要复杂的控制策略来提高系统的能源效率或经济性能，因此提出了多种控制策略和算法。最常见的运行策略包括跟随热负荷（FTL）、跟随电负荷（FEL）以及以最大功率运行[25,26]。Zhu等人[27]发现FEL模式优于FEL模式，能够在有电力盈余的情况下完全覆盖负荷需求，而无需电网支持，这凸显了优化控制策略的必要性。例如，开发了一种动态热/电切换策略[28]，使系统能够根据燃料电池的衰减情况自主选择输出功率。该方法在中国的一个实际案例中得到了验证，可以有效减少燃料电池的衰减和能源消耗成本。Luo等人[29]提出了一种多供应-多需求控制策略，用于SOFC-GT-CCHP系统，通过滚动优化算法预测未来24小时的能源需求并相应调整运行模式。结合生物质气化的DES&SOFC系统可以通过调节阀门开度来改变其废热利用方式[30]。当DES&SOFC系统中使用储能时，控制策略变得更加复杂。储能可以与DES&SOFC系统集成，以高效满足用户负荷[31]。在典型的夏季、过渡季节和冬季，系统的总熵效率分别为69.93%、62.03%和52.28%。使用长短期记忆预测算法确定了削峰策略，使得优化后的储能系统总投资减少了26.21%。该研究还提出了一种基于MILP的优化框架[32]，用于解决基于SOFC的联合发电系统的最佳设计和运行问题，发现SOFC-CHP系统的环境影响对电网电力的碳强度非常敏感。Wang等人[33]开发了一种SOFC-CHP系统的优化方法，提高了热集成效率。在提出的方法下，理论上的能源效率可达94%，而实际应用中的紧凑设计实现了92%的效率。还提出了一种新型的SOFC-GT多联产系统，结合了气体和热能储存，以缓解负荷波动和供需不匹配问题[34]。该研究开发了动态模型和PID控制策略，以实现快速的供需平衡。目前关于系统运行策略的研究主要集中在系统的整体冷却、供暖和电力输出上，而没有考虑各个设备的运行状态，这可能导致操作策略的偏差，从而影响系统效率。

尽管DES&SOFC系统已得到广泛研究，但在当前控制策略方面仍存在关键研究空白：

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当前的DES&SOFC系统控制策略主要集中在子系统级别的输出（冷却/供暖/电力）上，而不是优化各个组件的运行状态和参数。鉴于组件级别的性能直接影响整体系统效率，因此组件级别的优化方法对于最小化能源消耗和二氧化碳排放至关重要。

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目前关于并网DES&SOFC系统的研究主要关注电力交换，但忽略了电网碳强度的时间变化。必须将电网的动态二氧化碳排放因子（CDEF）纳入运行策略中，以实现全球最优性能和最小化排放。

本研究提出了一种针对集成热能/电能储存的DES&SOFC系统的全局组件级运行优化方法。通过分离热能系统和电能系统之间的能量传输，并考虑电网的动态二氧化碳排放，确定了主要组件的最佳运行状态和参数。该方法在配备SOFC、光伏面板、吸收式冷水机、热泵、水箱和电池的办公楼中得到了验证。本文的其余结构如下：第2节描述了全局组件级运行优化方法；第3节介绍了办公楼的DES&SOFC系统及其模型；第4节分析了所提方法的性能，并与传统方法进行了比较；第5节总结了结论。

系统配置

系统配置

并网DES&SOFC系统的示意图如图1所示。SOFC、光伏面板和电网共同满足用户的电力需求。为了确保SOFC的健康和高效运行，它始终以满负荷运行，并使用氢气作为燃料。电池储能系统（BESS）通常用于储存SOFC和光伏产生的多余电力。电网可以补充不足的电力。SOFC排气中的废热通过吸收式冷水机或热交换器进行回收

DES&SOFC系统介绍

选择了中国一个炎热夏季和寒冷冬季地区的办公楼来研究DES的性能。该建筑的总面积约为13306平方米，共五层。每年的电力、供暖和制冷负荷如图3所示。可以看出，制冷负荷远高于供暖负荷。在过渡季节，制冷或供暖负荷非常低，甚至为零。最大制冷、供暖和基础电力负荷分别为3132千瓦、1289千瓦和577千瓦。

结果与分析

为了验证所提方法的有效性，选择了夏季和过渡季节的两个典型日子进行测试。由于无法获得当地的二氧化碳排放因子（CDEF）数据，因此使用了英国的公开数据[42]。图4显示了这两个典型日子的CDEF，表明夏季的CDEF略高于过渡季节。基准方法采用传统方法。

讨论

分离优化方法的成功实施标志着系统运行方法论的重大进步。重要的是，该框架的灵活性表明其应用范围不仅限于能源效率，还可以扩展到其他目标，例如系统寿命优化，这为未来的研究指明了方向。此外，尽管在高功率需求下结果存在较大偏差，但观察到的趋势仍然保持一致

结论

本文提出了一种针对带有SOFC的分布式能源系统的全局组件级运行优化方法。在优化每个主要组件的运行时，分离了热能和电能，并考虑了电网的动态二氧化碳排放。该方法在DES&SOFC系统中得到了应用，并与传统方法进行了比较，得出了以下结论。

所提出的方法实现了DES&SOFC的全局运行最优性

作者贡献声明

郝秀霞：撰写初稿、软件开发、数据调查、正式分析、数据整理。陈克奇：撰写初稿、软件开发。刚文杰：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法论设计、概念构思。涂正凯：验证工作。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFB4007503）和中国国家自然科学基金（编号：52576208）的支持。