光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(wǎng)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(xué),福建 福州 350116)

高能耗和高污染的問題導(dǎo)致我國能源緊缺和生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了惡化?；痣姍C(jī)組雖然為相關(guān)企業(yè)提供了相應(yīng)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(fā)電成為節(jié)能減排的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域,面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。對火電機(jī)組實施節(jié)能減排,有助于減少對環(huán)境的污染[3]。實現(xiàn)雙碳目標(biāo)不僅是在綜合考慮中國生態(tài)環(huán)境污染現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展不相匹配的局面而作出的重要戰(zhàn)略決定,而且是協(xié)調(diào)自然生態(tài)環(huán)境與中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵戰(zhàn)略舉措。企業(yè)作為市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與改善生態(tài)環(huán)境的微觀基礎(chǔ),是資源和能源的主要消耗者、環(huán)境問題的主要制造者以及推動生產(chǎn)方式綠色低碳轉(zhuǎn)型的主力軍。因此,保證企業(yè)高質(zhì)量綠色低碳轉(zhuǎn)型是“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)的關(guān)鍵要義所在。根據(jù)上述分析,對火電機(jī)組進(jìn)行節(jié)能減排,分析光伏等清潔能源接入電力系統(tǒng)后構(gòu)建的新型電力系統(tǒng)節(jié)能減排效果,可以有效控制相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益降低生產(chǎn)成本,從而達(dá)到綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的目的。

在國內(nèi)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(qū)域電力系統(tǒng),通過與現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)合,新型分布式能源管理平臺可以實現(xiàn)對節(jié)能減排的實時監(jiān)控,針對節(jié)能減排的要求對各個層次的功能進(jìn)行針對性設(shè)計,完善節(jié)能減排系統(tǒng)的各個功能。李軍軍等[5]根據(jù)國家五年計劃中的節(jié)能減排指標(biāo),建立了一個節(jié)能減排效益綜合指標(biāo)體系監(jiān)測系統(tǒng),并綜合評價“十一五”至“十三五”的節(jié)能減排指標(biāo),通過對綜合評價結(jié)果的動態(tài)對比,得出了五年計劃中,各省市節(jié)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(wěn)。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(shù),系統(tǒng)地識別了ISI中的物質(zhì)流和能量流。然后,建立了基于生命周期評估和保護(hù)供給曲線的綜合評估框架,對共生技術(shù)進(jìn)行量化和篩選[7]。在此基礎(chǔ)上,通過情景分析評估了將選定技術(shù)推廣到河南ISI所帶來的ECER潛力。結(jié)果表明:推廣可用的最佳技術(shù)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(jìn)ISI中的共生技術(shù)。

基于以上研究背景,為了更好地幫助相關(guān)企業(yè)落實雙碳目標(biāo)政策,本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象,將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到了光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價中,以期使光伏發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到更好的節(jié)能減排效果。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價方法設(shè)計

1.1 評估因素選取

歸納我國目前光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的影響因素,得出了影響光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的主要因素包括:光伏電源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排技術(shù)、節(jié)能減排創(chuàng)新機(jī)制以及政府管制四大要素[8],具體如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的影響因素

1.1.1 光伏電源結(jié)構(gòu)

電力產(chǎn)業(yè)的供電體系主要有火電、水電、風(fēng)電、核電、太陽能等新能源方式,而節(jié)能減排是指在滿足電力市場需要的前提下,根據(jù)發(fā)電的特點(diǎn)和長遠(yuǎn)的發(fā)展計劃,逐漸地提高光伏發(fā)電所占的比例,從而減少對常規(guī)礦物燃料的使用。從宏觀上講,改進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也是推進(jìn)節(jié)能減排的有效措施,因為小型火電機(jī)組的能量不僅利用率很低而且污染量很大[9],因此,關(guān)閉小型火電機(jī)組和淘汰落后產(chǎn)能,增加低能耗、低污染的光伏發(fā)電系統(tǒng)也有助于節(jié)能減排。建立一個高效的新型電力系統(tǒng),是實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排的一個重要前提。

1.1.2 節(jié)能減排技術(shù)

技術(shù)革新是光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)能源節(jié)約和減少能源消耗的前提和關(guān)鍵,也是保證電力企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最重要途徑。本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排目標(biāo)是減少發(fā)電企業(yè)碳排放,提高能源的綜合利用效率。

1.1.3 節(jié)能減排創(chuàng)新機(jī)制

在我國光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排過程中,不僅要具備相關(guān)的節(jié)能減排技術(shù),還應(yīng)通過建立激勵機(jī)制來促進(jìn)各發(fā)電公司資源的最優(yōu)分配。同時構(gòu)建節(jié)能減排創(chuàng)新機(jī)制,使得原本以政府為主的電力工業(yè)向節(jié)能減排市場發(fā)展,使節(jié)能減排創(chuàng)新機(jī)制成為能源節(jié)約和減少排放的內(nèi)部推動力。

1.1.4 政府管制

而對于電力公司而言,光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(biāo)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果有較大影響,不僅關(guān)系到節(jié)能減排指標(biāo)的分解與落實,還關(guān)系到節(jié)能減排法律法規(guī)體系建設(shè),直接影響到節(jié)能減排的最終結(jié)果。為此,本文從圖1所示的光伏電源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排技術(shù)、節(jié)能減排創(chuàng)新機(jī)制以及政府管控等四個方面,分析了影響光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的因素。

1.2 確定光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的約束條件與方法設(shè)計

1.2.1 科學(xué)性與可行性

科學(xué)性和可行性結(jié)合的原則是光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排的效果,又要兼顧科學(xué)性和可行性[11]。另外,在指標(biāo)體系中所包含的各項指標(biāo)也要遵循折中的原則,在確保充分涵蓋節(jié)能減排的前提下,選擇最能體現(xiàn)本文研究體系的評估指標(biāo),盡量降低主觀判斷帶來的影響。在達(dá)到監(jiān)測與評估目標(biāo)的情況下,建立光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)從多方面考慮結(jié)合現(xiàn)行的指標(biāo),使評價結(jié)果更加真實、準(zhǔn)確。

1.2.2 可持續(xù)性與動態(tài)性

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所處的社會背景不同,節(jié)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(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效果時,不僅要考慮光伏發(fā)電領(lǐng)域存在的問題,還要考慮到光伏電源和節(jié)能減排效果評價在未來發(fā)展中的趨勢。

可持續(xù)性與動態(tài)性相結(jié)合的原則是指光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排的基本原則,它既要為電網(wǎng)的節(jié)能、減排提供實際的效益,又要與當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、資源條件相適應(yīng),從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。光伏發(fā)電系統(tǒng)[12]離不開自然環(huán)境,而其發(fā)展的前提是要有充足的資源,在光伏發(fā)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(jù)不同的環(huán)境情況,對其進(jìn)行合理的開發(fā)。

1.2.3 目的性與相關(guān)性

本文所涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評估指標(biāo)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(huán)境、統(tǒng)計等多個角度進(jìn)行的,因而在反映光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果上更為充分[13]。該評估體系所構(gòu)建的四大標(biāo)準(zhǔn)層次的16項量化指標(biāo)均與光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排工作密切相關(guān),使該評估體系得到評估結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)。

1.2.4 可控性

光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價體系一種新型的基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的管理技術(shù),它在推動節(jié)能、減少排放方面發(fā)揮了重要的作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價體系的構(gòu)建原則是要按照一定的控制原理[14],在不同的時間和地區(qū)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能減排工作,并及時做出相應(yīng)的調(diào)整,因此,可以及時、全面地反映出光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效果,還能更全面地反映出光伏發(fā)電系統(tǒng)對節(jié)能減排的促進(jìn)作用,為以后光伏發(fā)電系統(tǒng)的合理發(fā)展提供更多的技術(shù)支持。

基于光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的影響因素,利用科學(xué)性與可行性結(jié)合的原則、可持續(xù)性與動態(tài)性相結(jié)合的原則、目的性與相關(guān)性結(jié)合的原則以及可控性原則,確定了光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價體系構(gòu)建原則。

1.3 設(shè)計節(jié)能減排效果評價方法

為了設(shè)計合理有效的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價方法,本文利用模糊數(shù)學(xué)理論,對光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排指標(biāo)評估方法展開研究。通過對國內(nèi)外有關(guān)建立光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排評價指標(biāo)體系的研究成果進(jìn)行綜述和分析的基礎(chǔ)上[15-16],參照電力企業(yè)節(jié)能減排效果評價體系為構(gòu)建依據(jù),歸納出設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論將所有的指標(biāo)統(tǒng)一到光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效果上。對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能減排效果評估,主要是為國家制定相關(guān)的節(jié)能減排政策和決策提供依據(jù),因此,評估對象主要是光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此,用R0表示光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排數(shù)據(jù),如式(1)所示:

(1)

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

2)聚類處理節(jié)能減排效果評估的影響因素

從光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電節(jié)能減排效果的因素進(jìn)行聚類處理[17],通過分析影響節(jié)能減排效果的四大影響要素,結(jié)合實際分析,通過實地考察和調(diào)研作為研究基礎(chǔ),對光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排過程中存在的問題進(jìn)行詳細(xì)地研究,把各個影響因素以評估指標(biāo)的方式展示出來。

根據(jù)上述分析,結(jié)合圖1的影響因素構(gòu)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(biāo)進(jìn)行甄別

光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價指標(biāo)的準(zhǔn)確與否,直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排的效果。由于我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效果評估指標(biāo)體系所包含的各種因素都是相互聯(lián)系的,而模糊數(shù)學(xué)方法可以將定性信息轉(zhuǎn)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(jù)模糊數(shù)學(xué)理論[18-19]選擇適當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排評價體系,從而得出一套科學(xué)、合理的評估指標(biāo),以期提高信息的利用率。

結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法,甄別光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排評價對象中的評價指標(biāo),如式(3)所示:

D={d1,d2,…,dn}

(3)

式中:D為評價集。

模糊數(shù)學(xué)甄別評價指標(biāo)的基本思想是選取與評價對象相關(guān)的主要因素,利用隸屬度函數(shù)和隸屬度識別原理進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排和污染物減排系統(tǒng)進(jìn)行分析,得出了節(jié)能減排評價指標(biāo)的分析結(jié)果,選擇16項指標(biāo)構(gòu)建了我國光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排的綜合評價指標(biāo)體系。

4)構(gòu)建評價數(shù)學(xué)模型

基于因素集U即可求解出對應(yīng)的權(quán)重向量W=wi={w1,w2,…,wm},根據(jù)評價集D即可求解不同評價結(jié)果的隸屬度。以此為依據(jù),構(gòu)建評價數(shù)學(xué)模型,并設(shè)定式(4)的約束條件:

(4)

式中:m為權(quán)重的數(shù)量。

結(jié)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(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,同時構(gòu)建模糊關(guān)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(chǔ)上,結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論[20],對光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果進(jìn)行了初步的評估,最終完成光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價方法設(shè)計,如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價體系

綜上所述,利用模糊數(shù)學(xué)理論識別節(jié)能減排效果評估對象,通過聚類處理節(jié)能減排效果評估的影響因素,構(gòu)建了光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價方法,實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的評價。

2 實例分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)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(qū)域光伏發(fā)電企業(yè)的節(jié)能減排效果,本文選取了某省2019—2021年光伏企業(yè)節(jié)能減排效果評價的指標(biāo)數(shù)據(jù)作為案例數(shù)據(jù),該光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

對圖2所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果進(jìn)行評價,將該省2019—2021年光伏企業(yè)能耗數(shù)據(jù)劃分為45組數(shù)據(jù),其中10組數(shù)據(jù)作為測試樣本,35數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,并以此確定了其評價過程中的指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果,如表2所示。

表2 某省2019—2021年光伏企業(yè)節(jié)能減排效果評價的指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2 訓(xùn)練評價體系

基于某省2019—2021年光伏企業(yè)節(jié)能減排效果評價的指標(biāo)數(shù)據(jù),通過訓(xùn)練評價體系,獲取文中評價方法的訓(xùn)練精度,結(jié)果如圖3所示。

圖3 評價體系訓(xùn)練結(jié)果

根據(jù)圖3的訓(xùn)練結(jié)果可知,在35組訓(xùn)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價。

2.3 結(jié)果分析

分析該省開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的適宜性,以確定該地區(qū)的碳減排潛力。適宜性遙感圖像如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)適宜性

分析圖4可知,該地區(qū)光伏開發(fā)適宜性呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的空間分布趨勢。西北側(cè)因其地貌類型為山地丘陵等,年日照時數(shù)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(qū)主要分布該區(qū)域。

將選擇的10組樣本數(shù)據(jù)帶入到基于模糊數(shù)學(xué)理論的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價體系中,輸入各個指標(biāo)的數(shù)值,獲取評價模型輸出結(jié)果,如表3所示。

表3 評價結(jié)果

從表3的結(jié)果可以看出,采用基于模糊數(shù)學(xué)理論的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(shù)據(jù)的相對誤差存在比較小的波動范圍,因此可以認(rèn)為基于模糊數(shù)學(xué)理論的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價方法,在某省2019—2021年光伏企業(yè)節(jié)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(fā)電行業(yè)節(jié)能減排效果的評價和考核。

光伏發(fā)電系統(tǒng)分項能耗與溫度之間的 Pearson 相關(guān)性系數(shù)矩陣如圖5所示。

圖5 相關(guān)性系數(shù)矩陣

圖5中,指標(biāo)1～7分別對應(yīng)溫度、光伏設(shè)備平均利用小時數(shù)、廠用電率、太陽能綜合利用率、工業(yè)廢水利用率、單位發(fā)電量取水量、脫硫石膏綜合利用率7項。由圖5可知,光伏設(shè)備平均利用小時數(shù)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(guān)性,與預(yù)設(shè)實驗環(huán)境一致,說明評估方法有效。

3 結(jié) 語

本文從光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果影響因素分析、確定評價原則、構(gòu)建評價方法三個方面完成了應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論的光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果評價研究。實例分析結(jié)果顯示,該方法在評價光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)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(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果的其他因素,即社會效益和技術(shù)指標(biāo)等,從而增強(qiáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效果。