【数学建模】2024年华数杯国际赛B题-光伏发电Photovoltaic Power 思路、代码、参考论文

1 问题背景

中国电力构成包括传统能源(如煤炭、石油、天然气)、可再生能源(如水电、风能、太阳能、核能)和其他形式的电力。这些发电模式在满足中国巨大的电力需求方面发挥着至关重要的作用。据最新数据显示，中国总发电量超过20万亿千瓦时，居世界第一。电力能源产业与经济状况、居民消费水平、城镇化率、市场化程度等因素密切相关。电能是经济发展和社会进步的基础，在工农业生产、商业服务和家庭生活中发挥着关键作用。随着我国经济的增长和人民生活水平的不断提高，对电力能源的需求不断增加。然而，要实现中国政府的碳峰值和碳中性目标，中国需要改变电力结构。在满足电力需求的前提下，需要逐步降低对传统能源发电的依赖，增加可再生能源发电的比重。这就需要增加可再生能源的开发和利用，提高能源效率，促进清洁能源技术的创新和应用。
光伏发电是一种重要的可再生能源。太阳能转化为电能可以减少对传统能源的依赖，具有显著的环保和可持续发展优势。在全球范围内，光伏发电发展迅速。目前，许多国家都将光伏发电作为推动清洁能源转型的重要手段。这些国家从政策支持、技术创新、市场开发等方面加大了对光伏发电的投资和支持力度，光伏发电装机容量不断增加。在中国，光伏发电也取得了显著的进步。中国拥有世界上最大的光伏市场和光伏电站。中国有大量的非耕地资源，如沙漠和盐碱地，可以用来建设光伏电站。然而，光伏发电还存在一些不足。首先，光伏发电效率仍有提升空间，不同地区、不同季节、不同时段的发电能力不一样。其次，光伏发电的发展也面临着一些技术挑战，如光伏组件的成本、稳定性、可靠性等还有待进一步提高。此外，光伏发电的可持续性也需要考虑，包括光伏电池的回收再利用等环境问题，以及组件维护问题。此外，要推动光伏发电的发展，需要将其纳入国民经济的总体战略，实现逐步有序的发展。这包括加强政策支持，建立投融资机制，加强技术研发和创新，建立健全市场机制和管理体制。同时，还需要加强光伏发电与电网的协调，提高发电的可预测性和可调度性，保证光伏发电的稳定供应。
光伏电池的转换效率因工艺和材料的不同而不同。光伏电池的转换效率是指太阳能转化为电能的能力，通常用百分比表示。目前，最先进的商用光伏电池可以实现25%以上的转换效率。此外，光伏发电还面临潮汐能、风能等其他清洁能源的竞争。国内电力需求、电力生产效率、出口市场、光伏产品技术进步等因素可能会对中国光伏发电行业产生影响

2 问题重述

1. 中国的电力供应与许多因素相互作用。请研究它们之间的关系，并预测2024-2060年中国电力供应的发展趋势。
2. 在建设光伏发电厂时，需要考虑的因素有很多。这需要考虑成本和效益，以及地理和照明条件。请选择一个区域，讨论在那里建光伏电站的可行性。
3. 如果要在中国建设多个光伏电站，结合中国的地理资源和投资能力、成本和收益等因素，中国光伏发电的最大潜力是什么?换句话说，最大的光伏发电量是多少?
4. 为了实现中国政府到2060年碳排放峰值和碳中和的战略目标，用清洁能源取代燃煤发电是一个很好的想法。这个想法能实现吗?请研究中国光伏发电可持续发展的战略规划，并回答这个备受期待的问题。
5. 请根据您的研究结果，写一封1页长的信给中国政府。

3 问题初步分析

3.1针对问题一

由题目可知，中国电力构成包括传统能源(如煤炭、石油、天然气)、可再生能源(如水电、风能、太阳能、核能)和其他形式的电力。这些是因素
需要探寻各个因素之间的关系，并对每一个因素做一个预测
相关数据可以从论文，国家统计局和国家能源局的官网上看看：
https://www.nea.gov.cn/
https://www.stats.gov.cn/

3.2 针对问题二

光伏建厂的成本和效益。
需要考虑地理位置、照明条件等因素。
需要选择一个区域对上述建立的模型进行分析。

3.3 针对问题三

考虑地理资源、投资能力、成本、收益等因素
建设光伏发电站，最大的光伏发电量为多少
猜测：需要考虑到每个地区的先天因素等，经济欠发达地区，可能建设不了那么多发电站。经济较好的地区，建设光伏发电站占用的土地可能得不偿失。总之，需要一个合理的说法，建立一个规划模型。

3.4 针对问题四

碳中和，碳达峰等政策。2030年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和
清洁能源（水电、风能、太阳能、核能），能否取代煤炭发电。
光伏可持续发展战略。回收再利用、组件维护成本。
电力需求预测结果，以及问题一中的预测结果相结合

3.5 针对问题五

这个需要根据自己检索的现有资料，上文的解题结果等，结合背景来谈。

3.6 小结

总而言之，这个题需要我们进行一些文献调研后，再去设计具体的算法。

4 资料检索思路与进一步分析

4.1问题一

通过数据搜集，得到了以下数据（以月为单位），数据单位：亿千瓦时

数据可视化
数据处理：缺失值处理、数据长度不一致问题
相关性分析、数据平稳性检验等
基础模型：采用arima等时间序列预测模型
进阶模型：。。。

4.2 问题二

光伏发电成本效益分析

4.2.1 经济效益分析

LCOE模型：
Levelized Cost of Energy”的缩写，中文全称为“平准化度电成本”
https://zhuanlan.zhihu.com/p/498676084
计算项目利润、考虑折旧因素等
进一步地，可以考虑相关补贴政策与上网电价等影响。
ps：上网电价是指电网购买发电企业的电力和电量，在发电企业接入主网架那一点的计量价格。
需要考虑的参数：
光伏发电的成本：投资成本、财务成本、税务成本、运营维护成本
收益：销售电、国家补贴（享受补贴：1.5元/度。正常：1元/度。用火力发电，不支持0.5元/度。）
发电量：考虑发电时间、发电效率、总装机容量、系统老化等因素

4.2.2 环境效益分析

光伏发电项目全生命周期的总能耗=单位千瓦能耗*总装机容量

装机容量指的是一个发电厂或一个区域电网具有的发电机组总容量，一般以“万千瓦”或“兆瓦（即千千瓦）”为单位，说的是它的发电能力，是功率单位。
火力发电会污染环境，根据文献

最后：考虑上述全部因素之后，计算发电最终的利润与上网电价相比。

4.3 问题三

可以将中国的地区按照水平辐照量分为几类。聚类等算法
单位发电量-水平辐照量关系
每类地区的可利用地面积
计算总发电量

4.4 问题四

与问题一类似，建立用电需求预测模型。根据问题一的结果，计算除了火力发电之外的总发电量是否能够满足用电量需求
用电量需求模型可以采用更多维度的特征，找寻了以下特征。

5 编程求解过程

详细版思路与代码，待更新
B站关注：数模洛凌寺，查看视频讲解
参考论文更新中

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