设计与预测控制结合近海漂浮光伏技术的混合潮汐能源储存系统，以支持沿海建筑并减轻海洋影响

《Journal of Energy Storage》：Design and predictive controls of hybrid tidal energy storage systems with nearshore floating photovoltaics for supporting coastal buildings with ocean impact mitigations

零排放建筑（ZEBs）中混合潮汐与太阳能储能系统的设计与控制策略研究，通过TRNSYS仿真分析不同组合对能源匹配率（最高提升9.0%）、电费成本（最低节省5.2%）及海洋脉搏缓解效应的影响。研究证实引入20%潮汐能可使20年周期内缓解海洋脉搏达3217.7万kWh，结合电动汽车V2B功能及预测控制可进一步提升系统灵活性。

　　

窦振宇|曹孙亮

可再生能源研究小组（RERG），建筑环境与能源工程系，香港理工大学建造与环境学院，香港特别行政区九龙

摘要

为实现碳排放目标，零能耗建筑（ZEBs）的储能系统设计与控制措施受到了越来越多的关注。然而，作为ZEBs的可再生能源来源，潮汐能储能系统尚未得到充分研究，这可能会浪费其在沿海地区同时提供能源生成和储存能力方面的优势；同时，可再生能源系统在缓解海洋冲击方面的作用也尚未得到广泛探讨。本研究旨在开发适用于沿海ZEBs的混合潮汐能储能系统设计与预测控制方法，并研究潮汐-太阳能系统在缓解海洋冲击方面的效果。分析基于多种控制方案和可再生能源组合的模拟结果。结果表明，在即时控制下，将潮汐能引入系统中（与100%太阳能结合使用），能源匹配度和账单成本可提高1.0%至3.5%。此外，电动汽车（EVs）的车对建筑（V2B）功能在小型建筑电池情况下，可使能源匹配度和账单成本平均提高8.9%和9.0%。引入20%的潮汐能后，20年内可提供总计3213.7万千瓦时的海洋冲击缓解效果。通过激活潮汐能系统（TES）的灵活性控制并采用预测控制，系统在能源匹配度、账单成本以及海洋冲击缓解效果方面的性能可进一步提升，分别提高5.2%、9.8%、0.5%和0.7%。

术语表

命名法

A_FPV
光伏（FPV）系统提供的海洋冲击缓解效果
A_RE
混合可再生能源系统提供的整体海洋冲击缓解效果
A_TES
潮汐能系统提供的海洋冲击缓解效果
Bill_NPV
20年周期内的账单成本净现值
C_demand
根据批量电价计算的电力账单中的需求成本
C_energy
根据批量电价计算的电力账单中的能源成本
C_fuel
电力账单中的燃料成本

引言与背景

近年来，由于气候变化问题的严重性，减少碳排放已成为全球广泛关注的话题。许多国家和地区已经宣布了各自的短期至长期碳排放目标。欧盟在2023年宣布了一项政策提案，计划到2030年将温室气体排放量比1990年的水平减少55%[1]。中国计划到2030年达到碳排放峰值，然后……

天气、能源需求（建筑和电动汽车）及模拟环境

本项目在TRNSYS环境中对两栋假设建筑进行了建模。这两栋建筑分别位于香港特别行政区香港岛和九龙半岛的沿海地区。该地区属于亚热带气候，夏季炎热潮湿，冬季温和干燥。项目使用的气象数据来源于Meteonorm数据库。

系统基本信息

混合能源系统如图2所示。系统中包含两栋零能耗沿海建筑，分别为酒店和办公楼。两栋建筑内部均安装了建筑电池作为基础储能设施。在可再生能源支持方面，这两栋建筑均依赖太阳能和潮汐能。每栋建筑的可再生能源系统分为两个层级进行设计，以实现……

分析标准

本研究中的案例从技术和经济两个方面进行了评估。在技术层面，重点考察了能源匹配度和海洋冲击缓解效果。为了评估匹配性能，本研究采用了曹等人[56][57]提出的三个指标：现场电能占比（OEFe和OEMe）以及加权匹配指数（WMI）。

模拟结果分析与讨论

本文研究了六组案例及一个参考案例，全面探讨了不同能源组合、不同规模建筑电池、V2B功能激活、潮汐储能系统灵活性控制激活以及预测控制激活等因素对整个混合沿海零能耗系统性能的影响。参考案例中的系统未配备任何可再生能源系统。

敏感性分析

为探讨关键参数变化对系统性能及所开发控制措施的影响，本文进行了敏感性分析。基于上述分析，选择了在能源方面表现最佳的案例G6C55进行敏感性分析，该案例采用20%的潮汐能渗透率、每平方米0.9千瓦时的建筑电池，并在15天的预测窗口下采用预测控制。

研究结果的普遍适用性与可转移性

本研究中的混合可再生能源系统设计及相应控制策略基于香港的气候条件。本节讨论了这些设计和方法在不同气候条件下的适用性和可转移性。首先，适用于与香港气候条件相似的沿海地区……

结论

利用海洋可再生能源设计ZEBs储能系统的控制方法日益受到研究关注，同时海洋冲击对沿海建筑的负面影响也成为了一个重要问题。本文研究了采用混合潮汐能储能系统和浮动光伏技术支持的沿海零能耗系统。通过多种情景下的模拟分析，探讨了……

CRediT作者贡献声明

窦振宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论研究，数据收集。 曹孙亮：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目监督，方法论研究，数据收集，概念构思。

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的研究结果。

致谢

本研究部分得到了香港研究资助委员会（HK RGC）研究项目（项目编号：15211822）的支持；同时得到了香港理工大学的“P0052423”项目以及智能能源研究所（RISE）的“P0050992”项目的资助。