“光儲直柔”在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)中的應用分析

2022-11-03 03:16周宏宇肖經(jīng)龍

工程建設與設計 2022年19期

周宏宇，肖經(jīng)龍

（湖南省建筑科學研究院有限責任公司, 長沙 410011）

1 原理與意義

1.1 系統(tǒng)原理

“光儲直柔”（photovoltaics, energy storage,direct current and flexibility，PEDF）指利用光伏、風能、生物能等可再生能源發(fā)電，用蓄電池、生物儲能、空氣壓縮儲能等方式進行能量儲能、在建筑園區(qū)推廣直流電器、直流輸配電和利用柔性能源控制而構(gòu)建達到雙碳和綠色建筑目標的適新型建筑園區(qū)能源系統(tǒng)。

該系統(tǒng)利用在建筑表面鋪設光伏板或現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)裝設風力發(fā)電裝置，充分利用光、風、生物能等可再生能源，通過儲能實現(xiàn)園區(qū)能量蓄存和調(diào)節(jié)，通過傳輸和設備的直流化實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)能源的高效利用，最后通過電網(wǎng)和園區(qū)內(nèi)能源的高效配合，使園區(qū)對外界能源的需求量具有彈性，最終實現(xiàn)柔性用能?！肮鈨χ比帷睂F(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)從傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中“負荷”角色轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代電力系統(tǒng)中具備能源再生、能源消耗自給、能量調(diào)解儲備功能并反向補充電網(wǎng)的“四位一體”的綜合體，也是實現(xiàn)綠色低碳園區(qū)的重要途徑。

1.2 “光儲直柔”在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)中應用的意義

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)一般位于城鄉(xiāng)接合部或相對地廣人稀的農(nóng)村地區(qū)，具有規(guī)模適度、產(chǎn)業(yè)集中、綠色發(fā)展、布局自由等特點，大部分園區(qū)土地價格便宜、日照條件優(yōu)（或滿足風力發(fā)電、生物發(fā)電條件）、新建建筑量大，非常適合布置“光儲直柔”系統(tǒng)。一直以來，常規(guī)的園區(qū)能源體系以滿足園區(qū)正常運營的能源要求（供暖、降溫、排風等）為基本任務，園區(qū)僅作為能源消費者的角色，節(jié)能方面也僅僅以“省”為基本方法，通過控制技術(shù)實現(xiàn)更少的使用能源。當前，在“雙碳”目標指引下，園區(qū)能源體系將面臨更嚴苛的發(fā)展條件，需在節(jié)能的基礎上追求更高的低碳目標。低碳化要求園區(qū)不再依靠傳統(tǒng)的化石能源，而應該向建筑用能自給自足、自動平衡的方向發(fā)展；建筑將不僅僅作為能源消耗者，還應該充分利用自身條件，實現(xiàn)能源生產(chǎn)、能源儲存、能源安全高效使用和柔性用電。

在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)推廣和應用“光儲直柔”，有以下意義：

1）實現(xiàn)雙碳目標，“光儲直柔”初步預計可為建筑運行減碳約35%；2）提高園區(qū)供電可靠性和安全性，提高供電效率；

3）有效利用園區(qū)建筑外墻、屋面和空地裝設新能源設備，節(jié)省能耗甚至反哺城鄉(xiāng)電網(wǎng)；

4）新能源供電、高效儲能和柔性交互使得園區(qū)從傳統(tǒng)能源消耗的角色轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲阖摵伞蹦茉聪到y(tǒng)。

2 對現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)中系統(tǒng)構(gòu)建的探討

現(xiàn)代“光儲直柔”能源系統(tǒng)在建筑領域應用光伏（風能、生物能）、儲能、直流和柔性4 項技術(shù)，與建筑傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)相比具有顯著的差別，一方面是源、儲、荷的布局從分離到融合；另一方面是終端建筑的用電需求也將從原來的剛性需求（用戶用多少、電網(wǎng)供多少）轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝孕枨螅芍袛?、可調(diào)節(jié)）。另外，低壓直流配電技術(shù)的應用使建筑供配電系統(tǒng)簡單化，促進能效提升、可靠性提高和能量智能化控制的發(fā)展。怎么依據(jù)現(xiàn)代建筑新特點搭建“光儲直柔”體系是這一新技術(shù)亟待解決的重大課題，該體系不是簡單應用光能技術(shù)或某項單一能源技術(shù)，也不是“光、儲、直、柔”4 方面的簡單組合。搭建“光儲直柔”體系必須通過各方面的共同努力，才能實現(xiàn)建筑能源系統(tǒng)能源生產(chǎn)、能源消耗、能源儲存、科學交互“四位一體”綜合體。尤其在現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)園區(qū)中，更應該因地制宜，獲取能源的方式不應僅限于光伏，還應該考慮生物能、風能等。

第一，能源獲取方式。應該充分利用現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)遠離城市、地域廣闊和自然條件優(yōu)良的特點，根據(jù)園區(qū)所在地區(qū)條件采取最適宜的新能源。光伏、風力、生物發(fā)電，應遵循因地制宜、因物制宜、靈活布置的原則。發(fā)展光伏、風力和生物能等可再生能源需要大批量的土地面積，相關能源生產(chǎn)和儲能設備也需要大量安裝空間，而現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)園區(qū)恰好滿足了這一要求，能為新能源的獲取提供足夠的場地。國家相關部門根據(jù)我國城鄉(xiāng)建筑面積情況對建筑光伏裝機容量進行充分調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電在最近30年內(nèi)將產(chǎn)生數(shù)倍的增長[1]。對城鄉(xiāng)接合地和農(nóng)村的大量調(diào)查數(shù)據(jù)也充分說明，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)所在的位置非常適合新能源系統(tǒng)的布局和建設。

第二，風力、光伏能源最大的缺陷是供能波動幅度大，因此，因地制宜地根據(jù)園區(qū)動植物情況布置一定體量的生物能是解決該問題的一種補充方式。同時，利用園區(qū)可用面積大的特點布置蓄電池儲能、空氣壓縮儲能等也是一個方面。當前電力能源體系中最常用的儲能方式包含蓄熱/蓄冷、化學電池、飛輪、抽水蓄能、氫、壓縮空氣等，這些儲能方式解決的場景不同，需要的條件也不同。在現(xiàn)實使用中，必須對現(xiàn)場條件進行全面調(diào)研和分析，采取最經(jīng)濟合理的儲能方式。隨著蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，其容量越來越大、充電時間越來越短、安全性能也得到很大提升，要求的安裝條件也不再苛刻，是未來建筑中最簡單便捷的一個儲能方向。

如何根據(jù)當?shù)貧夂?、動植物情況、園區(qū)建筑特點、地形地貌、工業(yè)和交通設備等條件選擇經(jīng)濟性合理、持續(xù)健康的調(diào)蓄方式，是當前工農(nóng)業(yè)園區(qū)配備高效能源系統(tǒng)必須研究的重大問題。工農(nóng)業(yè)園區(qū)應該充分利用生產(chǎn)時間可以自由調(diào)配的特點，在新能源發(fā)電高峰期安排生產(chǎn)，盡量減少儲能設備的容量，儲能設備儲存的電量主要用于滿足生活用電。

第三，光伏等可再生能源發(fā)電一般為直流電，而日常生活中用電為交流電，常見的光伏建筑會安裝逆變器，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽┤粘Ｊ褂?，但轉(zhuǎn)換過程中，會造成電量的損失。與傳統(tǒng)光伏交流建筑用電相比，直流建筑具備電能傳輸成本低、電能利用率高(提高7%～9%)、設備投資少，投資回收期短(節(jié)省了交流變壓器、整流逆變裝置)等優(yōu)勢，在建筑上應用直流配電，可顯著改善系統(tǒng)性能，提高電源品質(zhì)和安全性，有效破解新型的零碳電力系統(tǒng)要大規(guī)模發(fā)展風電光電所面臨的光電安裝空間和風電光電調(diào)控這兩大難題，是調(diào)度各方面資源、以較低成本助力新型零碳電力系統(tǒng)建設的有效途徑，也是實現(xiàn)建筑全面電氣化和用電零碳化可采用的有效措施。當前，光伏、生物能等可再生能源輸出電源為直流電，直流配電系統(tǒng)能直接使用；同時現(xiàn)代建筑機電設備中越來越多的高效設備逐步使用直流電器（如LED 照明、直流空調(diào)、直流電機、電動汽車、直流機械設備等）。因此，新建的現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)，應盡量配置低壓直流配電系統(tǒng)，并大量采用新型直流設備，充分發(fā)揮直流輸電和用電效率高、損耗小、控制簡單、安全性高的優(yōu)勢。圖1 為工農(nóng)業(yè)園區(qū)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 工農(nóng)業(yè)園區(qū)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

第四，將園區(qū)從原來電力系統(tǒng)內(nèi)的剛性用電負載變?yōu)殪`活的柔性負載是工農(nóng)業(yè)園區(qū)“光儲直柔”體系的終極目標。要實現(xiàn)園區(qū)柔性用能，需要達到以下3 個條件：首先，必須利用最新整流逆變技術(shù)和動態(tài)控制技術(shù)，實現(xiàn)園區(qū)與整個電力系統(tǒng)的動態(tài)交互。其次，園區(qū)側(cè)負荷應該能夠?qū)崟r根據(jù)電網(wǎng)側(cè)供電情況進行有效響應，在電網(wǎng)供電壓力大時充分利用本身發(fā)電和儲能系統(tǒng)滿足園區(qū)自身負荷需求，甚至向電網(wǎng)側(cè)反哺能源；在電網(wǎng)側(cè)有剩余電能時，將自身發(fā)電能源和電網(wǎng)能源快速儲存到園區(qū)儲能系統(tǒng)中。最后，如何根據(jù)工農(nóng)業(yè)園區(qū)的自身特點配置最經(jīng)濟合理的“光儲直柔”系統(tǒng)是必須重點研究的課題。我國工農(nóng)業(yè)園區(qū)分布范圍廣，各園區(qū)所處氣候條件不同，工業(yè)園區(qū)使用的機械設備、運輸設備各具特點，農(nóng)業(yè)園區(qū)的產(chǎn)業(yè)特征也不一樣。因此，必須充分調(diào)研其實際情況，采取最經(jīng)濟合理的能源獲取方式、儲存方式和使用方式，做到“源、儲、網(wǎng)、荷”多方位的高效協(xié)調(diào)配合。傳統(tǒng)工農(nóng)業(yè)園區(qū)用電負荷大，尤其是白天工作時間段負荷尤為突出?，F(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)充分利用日照條件，在電網(wǎng)用電高峰時段充分利用自身新能源發(fā)電電量，電網(wǎng)用電低谷階段甚至能儲存一部分電能。現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)園區(qū)的柔性用電，將為區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定和節(jié)省園區(qū)企業(yè)能源開支做出貢獻。

3 發(fā)展前景

“光儲直柔”系統(tǒng)是建筑領域解決雙碳要求和綠色建筑行之有效的重要途徑，目前已獲得國家、各部委等多個層面的政策支持和社會多方面的積極響應，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。國務院關于印發(fā)《2030 年前碳達峰行動方案的通知》明確指出：“建設集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲直柔’建筑[3]?！弊》亢统青l(xiāng)建設部印發(fā)的《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》中也指出：“十四五”期間要“建設以‘光儲直柔’為特征的新型建筑電力系統(tǒng)，發(fā)展柔性用電建筑[4]。”一些地方也出臺了相應政策支持光儲直柔建筑的實際落地，深圳市福田區(qū)科技創(chuàng)新局前不久印發(fā)的《深圳市福田區(qū)支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展若干措施》對“光儲直柔”項目落地提供經(jīng)費支持，對完成并網(wǎng)及驗收通過的實際投入200 萬元以上且直流負載/總負載≥10%的“光儲直柔”項目，按項目實際建設投入20%以內(nèi)，一次性給予最高500 萬元支持。政策支持為“光儲直柔”體系的推廣應用提供了特大支持，同時對“光儲直柔”系統(tǒng)的關鍵理論、技術(shù)裝備、工程應用等提出了迫切需求。作為面向碳中和目標的新興技術(shù)，“光儲直柔”需要在建筑場景的系統(tǒng)基本架構(gòu)、支撐系統(tǒng)構(gòu)建的關鍵設備、工程設計應用方法、系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)控制、產(chǎn)品和系統(tǒng)技術(shù)標準等多方面建立起相應的完備技術(shù)體系。當前，在多個部門的支持下，國內(nèi)多家單位已聯(lián)合在“光儲直柔”技術(shù)研發(fā)方面取得了一定突破，為實際工程的落地提供了有效支持[5]。