霍克锂电池建模和分析尼泊尔偏远地区采用光伏、微水电、电池和柴油技术的分布式能源系统

 

依据最新的统计数据，世界上约有10%的人口无法取得电力供给（乡村区域为17.5%，城市区域为2.7%）[1]。为了添加电力供给，不只需求制定新的电力方针，还需求进行重要的部门方针和制度改革[2, 3]。经过许多优化技能能够进步动力的掩盖范围，这些研讨在世界各地都在进行。Parshall等人利用网络规划东西对肯尼亚的电网扩展进行了研讨[4]。该研讨首要会集在传统电网扩展和分布式动力体系之间更好的电气化挑选上。研讨发现，一般来说，国家电网扩展是其他分布式动力选项中更好的挑选。Paudel等人对尼泊尔的Kabeli走廊的资源优化进行了案例研讨，重点研讨了发电和电力涣散变电站（这是一种答应从发电厂当即向电网传输发电的设施，以便进一步传输或分配到负荷中心）与配电体系的可能布局[5]。Sihem等人进行的研讨研讨了可用离网电力体系和它们的混合选项的优化和尺度调整[6]。在这项研讨中，Sihem等人查看了混合可再生动力体系的技经尺度，以最小化动力本钱。在全球范围内，相似的

混合和涣散式可再生动力体系通常以可再生动力为首要动力，辅之以电池和/或柴油发电机（DG）的备用电源。这种混合涣散式可再生动力体系的运用是为了坚持动力供给的稳定性。因为其牢靠性和本钱效益，这些体系对于保证偏远社区能够取得电力具有吸引力。已经进行了许多研讨来解决可再生动力资源恰当利用的技能经济优化问题[10]。虽然一些研讨会集在可再生动力来历及其优化的混合技能的运用上，但最合适的离网光伏（PV）体系集成储能单元和DG的最佳位置和规划所需的恰当动力技能却缺少。大多数现有研讨只重视混合体系的总本钱最小化。这些剖析忽略了特定动力技能与混合体系的最佳尺度和位置之间的关系，这能够明显改动装置和操作决策。因而，对于开展中国家的乡村区域，在接下来的10-15年内无法扩展电网的状况下，结合电池和/或DG的备用电源的特定动力技能是一个合适的挑选，以添加动力获取[11]。对离网技能的技述经济学剖析进行了相似的查询。

美国国际开展署（USAID）的研讨陈述为在赞比亚运用快速资源评价方法进行乡村电气化规划供给了一种方法[15, 16]。这种方法已经由Mahapatra和Dasappa施行并提出[17]。他们运用该模型来辨认乡村区域电网扩展与其他涣散式可再生动力体系之间的更好动力选项。剖析模型查看了从当时电网接入点的经济距离约束（EDL），并比较了各种可用动力体系的生命周期本钱（LCC）。EDL有助于将涣散式动力体系的经济距离与电网扩展进行比较，而LCC有助于在可用的技能中挑选一个本钱效益的电气化选项。Sinha和Kandpal量化并比较了离网动力技能的LCC与电网扩展的LCC[18–20]。

一般来说，在正常地舆条件下，电网扩展被以为具有本钱效益；但是，在偏远区域，因为地形地貌的困难，电网扩展的可行性较低。Nouni等人进行了研讨，比较了经过电网扩展接入动力的本钱和从可用离网技能中获取动力的本钱[21]。研讨标明，依据地舆可及性和难度，许多当地从离网技能中接入动力在经济上比电网扩展更具有本钱效益。在动力可及性和离网动力技能的牢靠性方面，尼泊尔政府（GoN）在其开展计划中优先考虑了离网动力技能。尼泊尔政府不只推动了动力可及性，而且重视其有效利用以改进乡村生计。代替动力促进中心（AEPC）一直在支撑乡村社区装置>1000个<100千瓦的小型/微小型水电站，累计装置量超越>20兆瓦，保证了>20万家庭的动力可及性[22]。尼泊尔电力局（NEA），作为国家电力独占企业，正在经过电网扩展开展大规划的乡村电气化活动。NEA在2017-18财政年度（FY）共发电2308.37吉瓦时。鉴于高动力需求，NEA的发电量无法满意这一时期的动力需求，而且

缺少统一的规划是导致动力体系低动力接入的症结所在。依据世界银行（WB）的最新陈述，尼泊尔总人口的9.3%彻底无法取得电力[27]。电网连接是最首要的动力接入方式，但因为尼泊尔超越60%的人口居住在人口稀少的多山区域，因而电网供电的牢靠性较低[28]。在这种状况下，经过孤立的可再生动力体系供给动力可能是最佳解决计划。但孤立的可再生动力体系存在诸多问题，如可再生动力资源的周期性、装置和运行本钱高、牢靠性差、负载因子低、保护和监测活动等[29]。为了解决这些问题，技能经济优化以及动力体系的恰当设计将是要害[30-32]。孤立混合动力体系可能是更好的挑选，它能够经过最小化与动力体系相关的问题来供给牢靠的动力体系[33]。

乡村电气化能够经过中心电网、孤立的分立式动力体系和混合技能来实现。鉴于这些可能性，本研讨重视所有三种牢靠的动力接入选项。对特定技能的偏好取决于当地可用的资源和经济可行性。本研讨将电网扩展选项与潜在的孤立和混合动力体系进行了比较。提出了不同离网装备的技能经济评价，并仔细查看了其可行性查看。经过与生命周期和动力本钱进行比较，评价了所提出体系的商业作用。这项要害检查预计将对更好的动力规划有所协助。

在像尼泊尔这样的开展中国家，电力化有两种挑选。能够理解的是，国家电网的扩展是首选，但因为昂扬的前期本钱[34]，它可能不是一个可行的选项。在这种状况下，涣散式动力体系可能是最合适的代替计划，甚至适用于长时间选项。对于离网电力化和电网扩展的挑选，应该从技能和经济方面进行比较。在开展中国家，微水电（MHP）、太阳能光伏、DG和备份（电池和DG）是用于获取动力的首要和可行的离网技能[35]。在尼泊尔，这些技能也得到了广泛运用。在尼泊尔，已经装置了约3000个MHP项目，贡献了约35兆瓦的电力。此外，还有超越60万个配备电池备份体系的家庭级太阳能光伏体系和1500个机构太阳能光伏电站[36]。此外，作为电力获取的备用供给体系，电池和DG也被广泛运用。在尼泊尔的乡村区域，光伏、电池和DG技能被用作电力获取的来历，而在尼泊尔的城市和市郊，它们被视为备用供给。因而，依据这些技能的当时运用状况、可用性和可行性，这些动力体系及其混合选项（如下所述）将作为研讨目的进行考虑：

• (i) MHP

• (ii) MHP + 备用DG

• (iii) 光伏+电池备份

• (iv) 光伏+DG备用

• (v) DG

经过EDL对这些选项进行比较，以确认更好的代替计划。此外，这些混合动力体系与电网扩展的LCC进行了比较。这种比较对长时间和短期动力体系规划者都有协助。因而，本研讨的重点是经过剖析建模、核算LCC和EDL来优化涣散式动力体系，并将其与电网扩展进行比较。

1 方法论

1.1 地址挑选与数据搜集

进行这种研讨的最理想地址应该具有电网接入、微水电体系的潜力、太阳能以及任何没有电力接入的当地。尼泊尔加德满都河谷的戈尔卡区域被以为是最适合研讨的区域，因为该区域拥有所有所需特征。该区域有两个地舆区域：南部海拔从228米到2500米的山区/丘陵以及从2500米到8163米的高喜马拉雅山脉。该区域的常住人口密度从南到北急剧下降。图1显现了研讨地址的电气化状况：现有的NEA电网线路以及现有的微水电站，运用地舆信息体系东西绘制。

Fig. 1:

标明了戈尔卡区域动力体系可用性

在选址之后，经过各种次级来历进行了数据搜集，如AEPC、乡村生计可再生动力、中央统计局（CBS）、村开展委员会（VDC）、区域开展委员会和世界银行；研讨区域内共有15,775户家庭、24个教育机构、24个办公室或卫生站和24个工业，平均电力负荷增长率为5%[28]。未来五年的电力负荷需求已经核算为17个VDC，即1000千瓦。

依据图1所示的地图，研讨地址挑选在具有丰厚太阳能的恰当地舆位置。在这项研讨中，咱们选用了Metheonorm软件，该软件运用经历方法来核算坐落任何地址的水平外表和任意方向外表的太阳辐射。该方法利用数据库和插值算法在一个预定的计划中进行核算。气象站的月平均数据存储在Metheonorm数据库中，而小时数据则在需求时生成。城市的月平均值和其他位置是经过插值取得的，小时值是基于这些值生成的（www.meteotest.ch）。其他选用此类Metheonorm数据的相似出版物进一步验证了这些数据的运用[37, 38]。

图2展现了由Meteonorm v8.0.3.15190供给的Gorkha区域的气象数据（日照时数和全球辐射），而不确认性参数则内嵌在软件中，因而在咱们的研讨中没有考虑这些参数，以防止重复核算。

Fig. 2:

戈尔卡区域的日照时间和全球辐射量

1.2 动力来历

研讨区域坐落尼泊尔北部乡村区域；因而，该区域的首要动力消耗用于烹饪和照明。考虑到首要动力的利用状况，本研讨重视了用于烹饪和照明的动力来历，如图3和图4所示。

Fig. 3:

运用各种动力做饭的家庭[28]

Fig. 4:

运用各种动力照明的家庭[28]

图3显现，大多数家庭（近84%）运用木柴作为烹饪的动力来历，液化石油气和沼气也是大多数家庭用于烹饪的其他首要动力来历。图4显现，大多数家庭（76%）运用电力进行照明。照明用电的来历有时是太阳能光伏和微型水电。

图3展现了可用的动力资源评价；它显现了研讨区域中生物质的丰厚供给。但是，因为缺少突出的基于生物质的电力生成技能，以及研讨地址道路通达性的困难等，从生物质中发电具有挑战性。在全球范围内，也有几项研讨以为，生物质是一种复杂的电力提取技能，而且被以为是电力生成的低效方式[39-41]。因而，本研讨不考虑从生物质资源中发电。

此外，为了具有商业可行性，风能密度必须为300瓦/平方米，而Gorkha的风能密度为96瓦/平方米（尼泊尔太阳能和风能资源评价，SWERA），如图5所示。因而，风能技能也不考虑在研讨范围内。

Fig. 5:

尼泊尔的风能潜力[42]