对缓解问题的日益重视气候变化以及削减全球的迫切需求温室燃料费排放已激发起探索的浓厚兴趣代替动力一个特别重视的范畴是微电网混合动力可再生动力体系本研讨旨在评价施行微电网混合可再生动力体系的可行性，该体系整合了绿氢出产与存储技能，一起结合电池储能计划，为加拿大不同区域的住所修建供电。研讨共提出12种离网和12种并网装备计划，其间包含6种根据柴油的体系与6种100%混合可再生动力体系，后两类体系均装备两种储能选项——绿氢储能体系与电池储能体系。光伏面板, 风力涡轮机燃料电池、电解槽储氢装置罐体、电池储能体系柴油发电机、变流器与控制器。
在HOMER Pro渠道中开发的模仿模型用于剖析和优化所提出体系的可行性。该渠道包含多种内置组件与设备，可完成对不同电力体系的模仿功用。一起，经过评价运转本钱、净现值本钱、二氧化碳排放量以及整体经济可行性，该渠道还能促进体系装备的优化。
成果显现一切体系均具可行性。在渥太华，离网型柴油发电机-风力涡轮机-蓄电池组构成为最具本钱效益的计划，可完成81.5%的可再生动力占等到0.35加元/千瓦时的动力本钱。根据氢能的等效体系动力本钱与可再生动力占比分别为0.50加元/千瓦时和70.1%。将剖析规模扩展至温哥华、卡尔加里和哈利法克斯后，凸显了当地气候对体系功能此外，并网体系展现出明显的经济优势，能下降净现本钱和动力本钱，尤其在余电返售电网时体现杰出。渥太华区域最优的并网柴油发电机-风力涡轮机-蓄电池装备计划完成了80.3%的可再生动力占比，度电本钱降至0.09加元/千瓦时，碳排放量明显下降。根据氢能的体系虽到达同等可再生动力占比与度电本钱，但净现本钱高出6.7%。这些体系还体现出明显的二氧化碳当可再生动力占比提升至80%时，该体系每年可削减16,935千克碳排放量。即便在高可再生动力占比条件下，并网体系在经济性和动力本钱方面仍优于离网装备。全年龄而言，所提出的氢基体系本钱高于电池储能体系，但估计其本钱将逐渐下降——得益于零碳排放特性与高能量密度优势，绿色氢能的吸引力将明显提升。能量密度政策支持（如补助）关于住所光伏体系的广泛选用至关重要，特别是对因高本钱面对经济与实用性应战的离网体系而言。
的影响。这些发现着重了量体裁衣处理计划的重要性，以及在微电网混合可再生动力体系规划与施行过程中统筹经济方针和环境方针的必要性。
气候变化被公认为当今时代最紧迫的环境应战之一，亟需采取紧迫Action。现在正在施行的行动旨在推进社会向更清洁、可再生动力转型，以削减有害温室Gas（GHGs）的排放。2019年，加拿大的温室Gas排放总量到达7.3亿吨二氧化碳当量，较1990年水平上升了21.4%（Government of Canada, 2022a）。为此，加拿大出台了《2030减排计划》，制定了分职业的具体策略，方针是到2030年将排放量较2005年水平下降40%，并终究完成2050年净零排放（Government of Canada, 2022b）。近年来，动力需求的急剧增加导致对现成化石燃料的依靠程度加深。日益严峻的环境问题正推进动力职业削减化石燃料依靠，转向可再生动力体系。显然，选用低碳、高性价比的动力技能关于推进动力转型至关重要。仅修建范畴就占全球动力消耗量的约三分之一，温室气体排放量的近20%。在发展中国家，人口增加与基础设施快速扩展包标明，到2050年修建能耗或许激增50%。同样，新建修建估计将进一步推高动力需求。据预测，到2050年，修建范畴的排放量（包含修建物总修建面积）将翻倍至超过4150亿平方米（Statistics Canada, 2021; Natural Resources Canada, 2020; Statistics Canada; International Energy Agency, 2013）。因此，使用可再生动力体系（RESs）的微电网（MGs）遭到了明显重视，一起废热/低品位热回收作业也得到了大力加强。很多立异体系已被提出，用于从低温热源一起产生热能和电能，现在已在多个范畴得到使用。
在此布景下，本研讨旨在评价离网与并网微电网混合可再生动力体系（HRESs）整合氢能与电池储能技能，为加拿大不同区域住所修建供能的可行性。所提出的结构综合考虑可再生动力发电、制氢及储能体系的多种装备计划，以确认习惯本地气候条件的最优体系规划计划。
微电网（MG）体系以接近其所服务负荷的分布式动力发电为特征，是未来智能电网建设中不行或缺的组成部分。这类智能网络由分布式发电装置、柔性电/热负荷及储能设备构成，既能与主电网并网运转，也可切换至孤岛形式。对各组件的有用控制是完成微电网最优运转的要害。分布式发电单元既包含柴油发电机（DGs）、燃气发动机和微型燃气轮机等不行再生动力装置，也包含生物质能、燃料电池（FCs）、光伏（PV）和风力发电机（WTs）等可再生动力体系。将分布式发电设备就近布置在用户侧可大幅削减对长距离输电体系的依靠。微电网中的要害负荷在任何工况下都需保障供电，而非要害负荷则可根据供需动态进行调节。近年来，将可再生动力（RERs）与储能体系（ESSs）整合至微电网（MGs）的议题日益遭到重视。ESSs的继续集成带来了可靠性、本钱、体积、安全性及高效充放电等多重应战。虽然如此，MGs仍具有明显优势：经过使用RERs下降污染、为辅助网络供给支撑、经过满意本地需求削减输电本钱，并明显下降配电损耗。此外，微电网（MGs）经过有用办理内部读档（Load）与发电源，确保了发电能力。相反，在微电网内部，需求侧读档（Load）、网络及电源已发生明显演变，展现出史无前例的习惯能力。这种局限性源于可再生动力（RERs）与读档（Load）的间歇性特征（Ustun等，2011a；Zubo等，2017；Shayeghi等，2019；Shaq等，2022；Abbasi与Baleanu，2023）。可再生动力体系(RERs)常面对间歇性发电导致的动力短缺或过剩问题。为处理这一应战，储能体系(ESSs)已成为维持电力平衡的要害组件。虽然电池是惯例处理计划，但其存在自放电和存储容量受限等缺陷，尤其在长时间储能场景中更为杰出。因此，微电网(MG)开发商正在探索"电-氢-电"(P2H2P)等代替计划。该技能经过电解将过剩电能转化为气态氢进行存储，随后经由燃料电池(FC)再转化为电能，比较传统备用体系具有潜在优势。随着可再生动力(RESs)的普及，氢储能作为一种远景广阔的代替计划遭到重视。虽然单位体积能量密度较低，氢能的多元化使用特性使其在动力转型布景下展现出独特吸引力。随着绿色氢能代替计划的鼓起，氢储能体系展现出除发电外多元化使用的潜力，包含供热、化工及燃料出产等范畴。电制氢（P2H）技能经过多源化制氢路径，供给了灵敏且清洁的储能处理计划（Schöne等，2022；Blanco与Faaij，2018；Dawood等，2020a；Parra等，2019；Sazali，2020；Kovac等，2021；Shi等，2022；Van等，2023）。
在加拿大，很多居民仍继续面对可担负电力资源的获取难题。从仅有10户的小型社区到多达20,000户的大型聚居区，许多居民点坐落电网覆盖规模之外。这些偏僻区域被排除在北美主电网体系之外，导致居民需承担远高于惯例水平的单位电力本钱，无法享用规模经济带来的效益（Knowles，2016；安大略电力局，2012；Barrington-Leigh与Ouliaris，2017）。此外，柴油燃料的继续收购、运送和贮存会带来巨额开支。随着人们对导致气候变化的有害污染物日益重视，向更安全、可再生的微电网（MG）转型的理念已益发具有吸引力。以加拿大为例，很多偏僻社区依靠风能-柴油混合体系进行发电，如安大略省的Fort Severn、魁北克省的Kuujjuaq、剑桥湾及西北区域的Igloolik等地（加拿大政府，2003年）。在这些装备中，微电网被规划为独立于中心电网运转。但一起也存在将微电网接入中心电网的选项，经过负荷转移完成潜在经济效益。本地发电可下降对电网购电的依靠，多余电力还能回售至电网。更重要的是，提高对可再生动力（RESs）的依存度契合加拿大削减温室气体（GHG）排放的方针。
文献总述标明，全球规模内已选用多种模仿东西和优化办法（Connolly等，2010；Sinha和Chandel，2014；Bahramara等，2016；Al-falahi等，2017a；Kavadias和Triantafyllou，2021）对HRES体系进行了大量可行性研讨（Ustun等，2011b；Bajpai和Dash，2012；Krishna和Kumar，2015；Sawle等，2018）。此外，很多学者评价了离网与并网MG HRES体系在农村、偏僻社区、城市及修建使用中的技能经济可行性（Khan和Iqbal，2005；Zoulias和Lymberopoulos，2007；Akella等，2007；Carton和Olabi，2010；Asrari等，2012；Ghasemi等，2013；Caliskan等，2013；Ma等，2014；Chade等，2015；Bhattarai和Thompson，2016；Fazelpour等，2016；Marchenko和Solomin，2017；Al-Sharafi等，2017；Qolipour等，2017；Homayouni等，2017；Brenna等，2017；Duman和Güler，2018；Longo等，2019；Baseer等，2019；Jahangiri等，2019；Dawood等，2020b；Nesamalar等，2021；Taghavifar和Zomorodian，2021；Shen等，2022；Navas等，2022；Hasan等，2023）。例如，Khan和Iqbal（2005）对以氢为能量载体的独立混合动力体系进行了预可行性剖析，该体系使用于加拿大纽芬兰。他们的研讨使用可再生动力混合优化模型HOMER Pro软件，评价了一系列可再生与非可再生动力代替计划以及多种储能体系。研讨成果标明，风能-柴油-电池装备是最优处理计划。然而，若燃料电池本钱降至当前估值的15%，风能-燃料电池体系或许成为更优挑选。Zoulias等(Zoulias and Lymberopoulos, 2007) 对可再生动力驱动的离网电力体系中氢能技能的集成进行了技能经济评价。该研讨使用HOMER渠道，在一个为偏僻社区供电的光伏-柴油混合离网体系中，模仿并优化了从柴油发电机和/或蓄电池等传统技能向燃料电池等氢基处理计划的过渡过程。剖析标明，虽然用氢能技能代替化石燃料发电机组在技能层面具有可行性，但在经济性上仍不行行——除非未来氢能技能本钱能完成实质性下降。Carton等人（Carton and Olabi, 2010）评价了爱尔兰风能资源在可继续动力范畴的潜力。该论文探讨了包含氢能与燃料电池（FC）计划在内的储能处理计划，着重技能立异的必要性，并建议借鉴挪威Utsira风能-氢能项目的经历，在爱尔兰开展相似试点项目。Asrari等(2012)考察了伊朗Binalood区域丰厚的风能与太阳能资源潜力。虽然该区域具有可再生动力优势，Sheikh Abolhassan村仍挑选选用柴油发电机并辅以电网供电。研讨评价了将可再生动力整合至现有柴油体系的经济可行性，一起探讨了在电网供电中增加可再生动力的计划。经过HOMER软件模仿，他们发现无论电网扩建前后，整合可再生动力均可构建更具本钱效益且环境友好的动力体系。Caliskan等(2013)对住所用混合可再生动力体系(HRESs)开展了能量、㶲及可继续性研讨。该研讨经过建模剖析了地热、风能、太阳能与氢能及电力贮存相结合的体系，并以风光互补体系为事例，考量不同基准环境温度下的功能。选用能量与㶲剖析办法计算出各组件最高效率。Chade等(2015)对冰岛某偏僻北极社区的四十栋修建进行了风能-燃料电池-柴油发电机-氢能体系与纯柴油体系的对比剖析。由于海底电缆计划本钱过高被否决，当地政府倾向于挑选可再生动力计划。研讨提出的体系与纯柴油计划比较，展现出更低的动力本钱(COE)。Bhattarai与Thompson(2016)对加拿大马尼托巴省北部偏僻离网社区Brochet进行了可行性研讨，该社区依靠老化的柴油发电机，经济与环境本钱昂扬。他们运用HOMER模型评价了两种代替供电体系：小型化柴油发电机组和风能-柴油混合体系。混合体系在可靠性、本钱和排放方面均优于现有柴油装备，使电力本钱下降30%，二氧化碳排放明显削减。2排放量削减18%。该研讨得出结论，风能-柴油混合体系是代替Brochet现有电力体系的最佳计划。Fazelpour等人（2016年）探讨了混合动力体系在满意伊朗德黑兰家庭动力需求方面的技能经济可行性。在五种规划计划（包含光伏-风电-燃料电池-氢能体系和光伏-风电-蓄电池体系）中，最优处理计划为风电-氢能-蓄电池混合体系。Al-Sharafi等人（2017年）针对沙特阿拉伯不同气候条件的光伏-风电-燃料电池体系开展了技能经济剖析。延布区域选用光伏-风电-电池混合体系时展现出最低的平准化动力本钱(COE)。然而，含燃料电池与氢储能体系的计划因初始投资本钱过高而被判定缺少经济可行性。Homayouni等人(2017)经过根据动力枢纽概念的优化结构，剖析了仅装备电池储能、纯氢储能及混合储能三种情形下独立光伏体系的最优容量装备与功能体现。该研讨在确保体系可靠性的一起完成了净现值本钱最小化，成果标明混合储能体系兼具最佳经济效益与运转可靠性。研讨还探讨了太阳辐射强度、CO2减排办法，以及将过剩电力转化为氢能，为体系功能与经济性供给了要害见解。Duman与Güler（2018年）针对土耳其独特地理气候条件下离网度假屋的独立光伏-风电-燃料电池（PV-WT-FC）混合体系进行了模仿研讨。虽然初期本钱高于电网供电，离网混合可再生动力体系（HRESs）的长时间本钱呈下降趋势。在比较两种储能计划时，电池储能的经济性优于氢能存储。Baseer等人（2019年）开发了一套由光伏发电、风力涡轮机、柴油发电机和蓄电池储能组成的混合可再生动力体系（HRES），使用于沙特阿拉伯三个居民区。经优化后的混合体系在相应区域完成了0.18美元/千瓦时、0.22美元/千瓦时和0.24美元/千瓦时的平准化动力本钱（COE）。Dawood等（2020b）研讨了根据100%可再生动力的微电网体系配能储能的可行性，重点剖析了氢能的作用。经过技能经济性评价，他们确认氢-电混合储能是为离网社区供给动力最具本钱效益的处理计划。Taghavifar与Zomorodian（2021年）以伊朗某教育修建为事例开展研讨，成果显现光伏-风电-柴油发电机混合体系的最优装备计划可完成0.02美元/千瓦时的平准化动力本钱（COE），且可再生动力占比达63.6%。Navas等（2022年）针对西班牙住所使用场景，对装备储氢装置的太阳能热电联供微电网开展了技能经济评价。虽然太阳能技能成熟且合适房顶布置，该研讨发现根据氢能的微电网因Equipment本钱过高而缺少经济可行性。然而，若彻底依靠太阳能供电，投资报答周期可缩短至十年以内。
全面文献总述标明，关于微电网混合可再生动力体系(MG HRESs)的研讨日益增多，首要聚集于其技能经济可行性、优化办法以及并网应战(Ustun等，2011b；Bajpai和Dash，2012；Krishna和Kumar，2015；Sawle等，2018；Connolly等，2010；Sinha和Chandel，2014；Bahramara等，2016；Al-falahi等，2017a；Kavadias和Triantafyllou，2021)。多项研讨探讨了不同可再生动力组合、储能技能及其在全球农村和偏僻社区的使用(Khan和Iqbal，2005；Zoulias和Lymberopoulos，2007；Akella等，2007；Carton和Olabi，2010；Asrari等，2012；Ghasemi等，2013；Caliskan等，2013；Ma等，2014；Chade等，2015；Bhattarai和Thompson，2016；Fazelpour等，2016；Marchenko和Solomin，2017；Al-Sharafi等，2017；Qolipour等，2017；Homayouni等，2017；Brenna等，2017；Duman和Güler，2018；Longo等，2019；Baseer等人，2019；Jahangiri等人，2019；Dawood等人，2020b；Nesamalar等人，2021；Taghavifar与Zomorodian，2021；Shen等人，2022；Navas等人，2022；Hasan等人，2023）。然而，现有研讨首要评价根据氢能或电池储能的混合可再生动力体系（HRES）装备，对集成混合处理计划的研讨较为有限。此外，大都研讨未考虑住所修建中全面的电气化及供暖、通风与空调（HVAC）负荷。值得注意的是，现在尚未有关于将绿色氢能出产贮存与电池储能相结合的微电网混合可再生动力体系（MG HRESs）可行性研讨，该体系旨在满意加拿大不同气候条件下住所修建使用的电力与暖通空调（HVAC）负荷需求。鉴于加拿大多样化的气候条件及其对净零排放的许诺，这一研讨空白具有要害意义。本研讨经过填补该空白，提出了一种新颖且实用的微电网混合可再生动力体系规划办法，以优化可再生动力使用率、提升体系韧性并增强经济可行性。当前研讨作为一项重要的立异奉献，旨在填补这一研讨空白并推进该范畴认知的深化。
在前期研讨基础上（Yaïci等人，2022年、2023年、2024年），本研讨验证了集成制氢、发电与储能功用的微型电网混合可再生动力体系（MG HRES）的施行可行性与优势。本作业的首要立异点可归纳如下：

• 1.
  Development of dynamic simulation models: This study develops detailed MG HRES simulation models using the HOMER Pro platform (HOMER Pro Software; UL Solutions), enabling a comprehensive assessment of system performance in terms of net present cost (NPC), levelized cost of energy (LCOE), and GHG emissions.
• 2.
  Optimization of off-Grid HRES configurations: The study determines the optimal sizing and technical criteria for twelve off-grid MG HRES configurations, incorporating electrolyzers, fuel cells (FCs), hydrogen tanks, batteries, photovoltaics (PV), wind turbines (WTs), diesel generators (DGs) and converters. These configurations are assessed using weather data from four Canadian cities: Vancouver, Calgary, Ottawa, and Halifax.
• 3.
  Optimization of grid-connected HRES configurations: The research evaluates twelve grid-connected MG HRES configurations, similar to the off-grid ones, with renewable fraction variations from 0 % to 100 % for a residential building in Ottawa.
• 4.
  Comparative analysis of hydrogen- and battery-based systems: A detailed comparison is conducted between hydrogen- and battery-based HRESs in both off-grid and grid-connected settings, identifying the most cost-effective and environmentally sustainable configurations.
• 5.
  Comprehensive evaluation of HVAC integration: The study uniquely considers the integration of HVAC loads into the HRES design, ensuring a holistic approach to building energy management and optimization.