低碳背景下“光储直柔”关键技术研究现状与应用展望_吴羽柔.pdf

29城市与建筑City&Architecture2023NO.05收稿日期：2022-10-18作者简介：吴羽柔（1995），女，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为绿色建筑、节能改造，邮箱：。ResearchStatusandApplicationProspectsofKeyTechnologiesofPEDFintheContextofLowCarbonWuYurou,ChenWei,LuoChunyan,ZhangChao,XueZhongwuAbstract:InChina,thecarbonemissioninthebuildingoperationstageaccountsforabout1/3ofthetotalcarbonemissionofthewholesociety.Theenergyconservationandcarbonreductionworkintheconstructionsectoriscrucialtotherealizationofthe“3060”dualcarbonstrategicgoal.ThenewbuildingenergysystemofPEDF(Photovoltaic,energystorage,directcurrent,flexibility)isanimportanttechnicalpathtorealizecarbonneutralitygoalandtheinnovationofthebuildingenergysystem.ThispaperputsforwardthebasicunderstandingoffourkeytechnicalconnotationsofPEDF,discussesthefourkeytechnologiesinthePEDFpowerdistributionsystem,andlooksforwardtotheresearchinthefuture.Meanwhile,combinedwithcases,apreliminaryanalysiswasconductedonthecarbon-savingbenefitsandprospectsofPEDF,inhopeofprovidingreferenceforfurtherin-depthresearchandexplorationofPEDF.Keywords:PEDF(Photovoltaic,energystorage,directcurrent,flexibility);distributedphotovoltaic;energystorage;carbonneutrality0 引言建筑行业是排碳大户，若要顺利实现“3060”双碳战略目标，建筑的能源来源、用能模式、用能系统等都应进行彻底改变。太阳能资源丰富易得，作为主要的可再生能源，应成为未来建筑的主要能源来源之一。在“双碳”目标指引下，未来的电力系统将转型为以可再生能源为主体的零碳电力系统。“光储直柔”建筑配电系统可有效解决电力系统零碳化转型的两个关键问题，即增加分布式可再生能源发电的装机容量和有效消纳波动的可再生能源发电量1。国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知中“城乡建设碳达峰行动”部分明确指出：“提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的光储直柔建筑”2。“光储直柔”建筑配电系统将成为建筑及相关部门实现“双碳”目标的重要支撑技术。1 光储直柔技术内涵与现状光储直柔（PEDF），是在建筑领域应用太阳能光伏（Photovoltaic）、储能（Energystorage）、直流配电（Directcurrent）和柔性用能（Flexibility）四项技术的简称3。“光”指的是建筑中的分布式太阳能光伏发电设施。太阳能光伏发电受空间限制和资源条件限制较小，目前已成为可再生能源在建筑中利用的主要方式之一。建筑屋顶以及可能接收到足够多太阳辐射的建筑垂直表面，都是安装太阳能光伏的最佳场所。在“光储直柔”系统中，光伏技术在建筑中的应用起步较早、规模最大。根据能源局的统计数据，分布式光伏的装机容量增长迅速，分布式光伏在 2018 年新增光伏中的占比达到 50，从 2013 年到 2018 年累计装机容量从不到 500 万 kW 增长到 1.2 亿 kW1，而且在“双碳”目标下光伏装机容量有望加速增长。“储”指的是建筑中的储能设施。其广义上有多种形式，电化学储能是其中之一，且近年技术发展最为迅速。电化学储能具有响应速度快、效率高及对安装维护的要求低等诸多优势，目前建筑中的应急电源、不间断电源等已普遍采用电化学储能。“直”是相较于交流供电而言形式更简单、更易于控制、传输效率高的直流供电系统。建筑中采用直流供电系统能便于光伏、储能等分布式电源灵活、高效地接入和调控，实现可再生能源的大规模建筑应用；同doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.05.29基金项目：重庆市建设科技计划项目“以民生改善为导向的城市旧居住区人居环境评价体系及提升路径研究”（城科字 2020 第 4-3 号）。引文检索：吴羽柔，陈维，罗春艳，等.低碳背景下“光储直柔”关键技术研究现状与应用展望 J.重庆建筑，2023（5）：29-31.低碳背景下“光储直柔”关键技术研究现状与应用展望吴羽柔1，陈维1，罗春艳2，张超1，薛中武3（1重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2重庆市设计院有限公司，重庆400014；3重庆市建达职业培训学校，重庆400031）摘 要：我国建筑运行阶段碳排放占全社会总碳排放的比例约为 1/3，建筑部门的节能减碳工作对我国“3060”双碳战略目标的实现至关重要。“光储直柔”建筑新型能源系统是面向碳中和目标实现建筑能源系统革新的重要技术路径。该文对“光储直柔”四个关键技术内涵进行了综述梳理，然后聚焦“光储直柔”配电系统中的四项关键技术现状进行讨论，并对未来需开展的研究进行了展望。同时，结合案例，初步分析了光储直柔的节碳效益及前景，以期为“光储直柔”的进一步深入研究、探索提供参考。关键词：光储直柔；分布式光伏；储能；碳中和中图分类号：TU982.29 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）05-0029-03Chongqing Architecture30第 22 卷 总第 235 期时，利用低压直流安全性好的特点，打造更安全的用电环境。现有用电设备中 LED 灯正逐渐取代传统照明灯具，而直流变频空调、冰箱、洗衣机、水泵等也在不断推出面世；还有电脑、手机等各类电子设备也均属于直流负载。目前直流电器的产业化能力依旧比较薄弱，但许多设备厂家均在直流电器方面进行了一定的布局。以直流电器专利为例，直流家电及直流系统专利申请总体呈上升趋势4。除了常用的小功率家庭电器外，大型特种设备的直流化也亟待推进，如电梯、消防风机、大型冷水机组等5。“柔”指的是柔性用电，也是“光储直柔”系统的最终目的。随着建筑光伏、储能系统、智能电器等融入建筑直流配电系统，建筑将不再是传统意义上的用电负载，而将兼具发电、储能、调节、用电等多种功能5。从技术角度上看，在“光储直柔”建筑中，柔性用电的实现方式不依赖于物联通信网络和能量管理系统，它将更加简单、经济、可靠。其直流母线电压可以在较大范围的电压带内变化，而不采用传统直流微网的“恒定直流母线电压”策略。主要通过 AC/DC 控制母线电压，以母线电压为信号引导各末端设备进行功率调节。这样的系统形式有利于适应复杂多样的建筑终端设备和用户需求1。因此，通过设计合理的控制策略，完全可以将建筑作为电网柔性用电的节点。2 光储直柔关键技术发展应用趋势2.1“光”：更高的效率与更低的成本光伏装机容量的爆发式增长得益于组件效率的持续提升和成本的持续降低。现在大规模生产的单多晶电池平均转换效率分别从 2010 年的 17.5和 16.5提升至 2018 年的 21.8和19.2。光伏组件效率近 10 年提升了 6，2018 年已有超 20效率的产品实现商业化应用1。近年来，各种光伏技术路径可达到的最高组件效率一般在 2030之间1，随着光伏新技术的不断突破和制作工艺的不断提升（如钙钛矿太阳能电池等），未来其效率还将会不断提高。自 2021 年起，我国光伏发电行业已正式取消中央财政补贴支持。此政策出台的底气便是在“十三五”期间稳步下降的光伏产业链各环节成本。多晶硅价格下降约 25%，硅片、电池片等组件价格均下降超过 50%，光伏组件成本更是从 2010 年前后的约 13 元/Wp 降低至近年来的约 1.5 元/Wp，下降超 90%3，为光伏发电行业实现平价上网奠定了重要基础。光伏电站可集中供应电力，而建筑分布式光伏具有灵活分散的特性。分布式光伏可利用建筑本体表面进行安装，可节省土地租赁等一系列建设维护费用，比集中式光伏电站更具经济优势。技术迭代和规模化应用又会使光伏的组件效率和经济性进一步提高。未来光伏会为实现全面电气化、取代化石能源做出突出贡献。2.2“储”：“硬技术”与“软模式”结合有效、安全、经济的储能方式（尤其是储电方式）对于可再生能源的高效利用至关重要。各种储能方式有其各自的技术特性和相关资源储备的限制，目前尚不存在一种单一技术路径可以满足所有储能需求。与电网级储能相比，和建筑等用电终端结合的分布式储能方式（如“光储直柔”系统），在提高可再生能源利用率、降低输配电系统容量要求、提高电网安全性等方面具有较大优势。为了应对巨大的分布式储能需求，应该从“硬性”的储能技术和“软性”的储能模式两方面共同着手，提出适用于不同应用场景的储能解决方案。在储能“硬技术”方面，应用于建筑层面的蓄电池技术目前还处于初期发展阶段，在工程应用之前需要进行长期研究，具有较大不确定性4。除“硬技术”外，储能可不再局限于传统的电化学储能等方式，而是从建筑本体出发，挖掘建筑本身可利用、可调度的储蓄能力，即“软模式”。建筑中可利用的储能/蓄能手段或方式如图 14所示，图 1 建筑中可供利用的蓄能资源具体应用包括，调动电动汽车的储能电池与电网或建筑进行能源互动（即 V2G/V2B）实现电力储存、通过空调末端充分利用建筑物自身的热容实现冷热量储存（如热活化建筑系统TABS）、通过大地的热惯性实现冷热量储存（如地源热泵）等。而用户的行为模式和接受程度会很大程度影响上述“软模式”的储能能力。因此，系统运行策略和控制方法是这些“软模式”在大面积推广过程中的关键问题。2.3“直”：更成熟的智能电器与配电设备直流配电技术同样是建筑场景的新技术，尤其在近年来发展势头迅猛。目前建筑低压直流配电技术在国内外已有大量的研究和应用，其相较于传统交流建筑配电系统的技术经济性优势也在逐渐体现。为了满足各种使用需求，未来还需大力开发直流应用场景、促进用户直流消费习惯、进一步扩大直流电器的覆盖面。此外，也亟须开发各种直流电器的智能控制策略，以实现基于“光储直柔”系统原理的电器柔性用能调节。2.4“柔”：柔性用能的量化指标与激励机制柔性用能是“光储直柔”系统的主要目的，需要通过“光”“储”“直”三方面的技术集成来实现。虽然已有实现用能柔性的技术方案，目前仍然缺乏一套通用的定义方法来量化建筑用能的柔性，因此从电网角度也难以给出科学有效的建筑柔性用能激励机制。从最大化可再生能源利用的角度来看，最有利于电网的用电负荷应该与电网的可再生能源发电完全匹配6。因此，“光储直柔”建筑的用能柔性可以通过建筑用电曲线和可31城市与建筑City&Architecture2023NO.05再生能源发电曲线之间的不匹配度来给出。进一步而言，需要开展更深入的研究来揭示“光储直柔”系统中的各组成部分（即光伏、储能技术/模式、智能直流电器等）对建筑用能柔性的影响，从而给出最大化柔性的技术指导方案。基于此，上述柔性指标可以支撑电网提出合理的电价激励机制，来最大程度鼓励终端用户配合电网进行友好响应。3 光储直柔应用实例及前景