工业园区光伏储能一体化的“零碳”能源系统规划研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：黄瑶（1990），女，汉族，福建南平人，研究生，华东勘测设计院（福建）有限公司，中级工程师，研究方向为综合能源规划、碳规划。-46-工业园区光伏储能一体化的“零碳”能源系统规划研究 黄 瑶 华东勘测设计院（福建）有限公司，福建 福州 350003 摘要：摘要：在我国发展低碳经济的背景下，将多个新能源与储能技术相结合，将为我国新一代能源体系的优化改造提供新思路。本文以一个工业园区为例，在对其资源状况进行了详细的分析后，对三种太阳能-蓄电集成的“零碳”能源体系进行了初步探讨。在此基础上，建立基于“太阳能+熔盐蓄热+电解储能”的多维储能组合模型，并对该组合的多维储能组合进行仿真研究，以期为该组合的多维储能组合设计和应用奠定理论基础。关键词：关键词：“零碳”；光伏发电；熔盐储能；能源系统规划 中图分类号：中图分类号：TM715 0 引言 能源是人们赖以生存与发展的根本，也是人们赖以生存与发展的生命线。“碳达峰”“碳中和”新目标为我国的经济社会发展提供了新思路，为我国的经济社会发展指明了方向。在此基础上，为中国的发展提供了一个崭新的思路，为中国的发展注入了新的活力。中国要达到“碳达峰”、“碳中和”的要求，就需要对其经济结构进行适当的调整，并对其发展方式进行转型与升级。能源体系的变革和发展对推动我国实现“碳达峰”具有重要意义。1 工业园区能源现状分析 工业园区是集成了生产、管理和服务等多重功能的综合性经济体，是现代工业发展的主要载体。随着经济的发展，工业园区对能源的需求也在逐渐增加，其中主要包括电力、燃气和蒸汽等。1.1 工业园区能源结构 目前，我国工业园区能源结构依然以传统化石能源为主，而新能源的应用仍然较为有限。据统计，目前中国工业园区的能源消耗量约占全社会能源消耗量的三分之一以上，其中 70%左右是以煤炭、油品和天然气等化石能源为主要供能方式。此外，由于工业园区用电负荷较大，需要大量的高压电力供应，因此传统火力发电和水力发电也是工业园区的重要能源来源。1.2 环境污染问题 工业园区对环境的影响不容忽视，其中能源的使用是造成其环境污染的重要原因之一。化石能源的燃烧排放出大量的 CO2 等有害气体，这些气体不仅对大气环境造成污染，还会对生态系统和人类健康产生许多危害。此外，在工业生产过程中，排放的废水、废气和固体废物等也会对环境造成破坏。1.3 能源不可持续性问题 传统能源的不可持续性也是工业园区能源结构的另一个重要问题。化石能源被广泛使用已如今已有百年之久，其储量的枯竭和价格的波动已经成为制约工业园区可持续发展的重要因素。而传统的火力发电和水力发电等方式在能源消耗和环境影响方面也存在不少难题，无法满足工业园区对清洁、高效、可靠能源的需求。因此，理性规划工业园区的能源结构，优化能源供应方式，不仅可以降低工业园区对传统化石能源的依赖程度，减少环境污染的危害，还可以促进新能源的应用和可持续能源的发展，实现工业园区的可持续发展和社会经济的良性循环。2 光伏和储能技术概述 2.1 光伏技术原理 光伏技术是指通过太阳能电池将太阳能转化为电能的一种技术。其主要原理是利用半导体材料吸收光子能量释放出电子，形成电流，从而达到将太阳能直接转化为电能的目的。在工业园区中，光伏技术可以利用太阳能光伏组件将阳光转换为电力供应给生产设备等用电设施。2.2 储能技术原理 储能技术是指将能量储存起来，等到需要的时候再释放出来供应给用电设施的一种技术。在工业园区中，储能技术可以通过电池、超级电容、氢燃料电池中国科技期刊数据库 工业 A-47-和压缩空气等方式进行实现。其中电池储能技术是最常见和成熟的一种，其原理是通过将电能充入电池中储存起来，等到需要使用时再通过逆向反应使储存的能量释放出来供电。2.3 技术在工业园区中的应用前景 光伏和储能技术结合可形成太阳能发电+储能系统，在工业园区中的应用前景非常广阔。首先，在光伏发电方面，随着优化设计、降低成本、提高光电转换效率等技术不断推进，其经济性和可靠性得到了很大提升，已经成为替代传统化石能源的主流能源之一。而在储能方面，随着技术的不断创新和进步，储能设备的使用寿命和安全性得到极大提升，也为工业园区实现可持续能源供应打下了坚实基础。3 工业园区光伏储能一体化的“零碳”能源系统规划案例分析 3.1 园区资源概况 以长三角地区一个综合园区为例，厂区总面积63285 平方米，其中工艺大楼和集中控制大楼各占 785平方米，厂房面积 2158 平方米，该工厂占地 62500 平方米，其中能完全符合太阳能电池板安装的设计需要的建筑屋面面积 60000 平方米。在该区域内，工业用地所占的比重不得超过 40%，生活用地、公用用地所占比重不得超过 20%。园区内的建筑以工厂和居住为主，论文中重点考虑了每年五百万 kW.h 的用电量，还有供暖的需要。在此基础上，还能大幅降低 CO2 的含量，从而达到“排放零碳”的目的。3.2 园区综合能源系统设计 开发区所处的区域整体上是一个快速发展的区域，大量的工业企业集中在一起，对用电的要求也越来越高。同时，电力消费比重较大，消费高峰和低谷差异较大。为了创建一个将生产过程与生态建设、资源利用与绿色发展有机融合的低碳工业园区，利用新能源供电及利用新型储能技术对园区能量系统进行规划是非常关键的。根据对园区所处区域的资源状况进行了调查，并与 Meteonorm 软件相结合，得出结论：4-9月份，该地区月平均太阳总辐射量比较充足，无论是夏天还是秋天，其辐射量都超过了 1350 MJ/m2，因此非常适宜将屋顶分布式光伏发电设置成新能源发电。利用电极锅炉、双熔盐罐和光热存储系统，为园区的居民提供热水，同时利用太阳能电池将剩余的电能存储起来，用于“削峰填谷”。为了在整个寿命周期内，达到“排放零碳”的目标，将新能源和蓄能技术相结合，对整个城市的供能体系进行了规划。太阳能是实现“排放零碳”目标的重要支撑，在此背景下，项目拟在六万平方米的屋面上，采用太阳能蓄热技术，利用太阳能蓄热技术，构建一种集“太阳能+蓄热+电化学蓄电”于一体的“零碳”能量利用体系。如图 1 所示，整个体系被划分成 3 种方案。表 1 “零碳”能源系统方案设计 系统 方案 1 方案 2 方案 3 发电系统 光伏发电系统 光伏发电系统 光伏发电系统 储能系统 电化学储能 电化学储能 电化学储能 供热系统 电极水锅炉 电加热熔盐储能 槽式光热储能 3.2.1“光伏熔盐储热电化学储电”系统 将各种新能源发电与存储技术相结合，为园区提供多样化的用能解决方案，从而达到“零碳”的目的。图1太阳能电池-熔盐-聚光储热-电化学储能复合供能体系的流程图，该体系中太阳能电池厂以太阳能电池为主体，承担着整个园区的基础电力供应，太阳能光生载流子的富余能量或谷能量存储于电化学槽中。3.2.2 双罐熔盐储热换热系统装置 由于使用了两个水箱的蓄热式，使热盐水箱与冷盐水箱分别运行，从而降低了危险，提高了安全；并以较高的传热效率，在图 1 中显示了一种熔盐型储热-换热系统设备的设备。该设备有热盐熔化槽、冷盐熔化槽、电盐熔化槽、熔盐熔化炉、蒸发器、蒸汽过热器、水槽等等。采用分散式光伏发电系统，将太阳辐射到聚光器上，以熔盐为传热蓄热媒质，在较低温度下，通过对聚光器的吸热，将太阳辐射转化为内能。将热量储存在一个温度较高的贮热槽中，无需一个换热器，从而增加了兰金循环的效率。然后，通过高温熔盐的循环系统，进入熔盐-蒸汽换热器，然后驱动蒸汽涡轮，产生动力。与此同时，水槽中的水通过给水泵，进入水预热器，将其加热到预定温度的饱和水蒸气，并与热熔盐展开换热，之后，水蒸气又会进入到熔盐再热器中，对熔盐进行预热，而在预热换热后，水蒸气又会通过减温减压器被排放出去。中国科技期刊数据库 工业 A-48-图 1 熔盐储热系统流程图 3.3 算例分析 3.3.1 算例说明 以此为基础，以开发区为例，对 3 个“零碳”能源体系的规划方案进行了实证分析。以园区所在地的气候变化特征为依据，将一年中的一年分成了四个季节：春季、夏季、秋季和冬季，并对每一个季节的气候数据、园区内的电负荷及热负荷数据进行了平均天的推算，分别取了春分、夏至、秋分。其中，冬至是四季中最具代表性的一天，每一天都有 24 个周期。4个代表性天数的电力负荷、热电负荷预测结果见图 2、3，试验时间为 0 时，照明强度由中国天气数据中心获得，按建筑面积、蒸气压力温度、照明面积计算得到，通过对绿地率等基本参数的计算，得到了电力系统的负荷。图 2 园区典型日热负荷 图 3 园区典型日电负荷 从图 3 可以看出，该园区 4 个代表性天数的电力、热力两项指标在整体上呈现出相似的变化规律，尤其是在春分、秋分两项指标之间，更是十分相近，这与该园区地处长江三角洲地区，春秋两季的气象特点相近有关。4 个代表性天数中，白天电力负载比较大，可达 1100 kW，夜间电力只够保证园区的正常运转。通过对 4 个代表性天数的日耗水量进行分析，得出了不同时段的冬季耗水量比其它 3 个时段都要大，其中槽式光热蓄能方式的耗水量最小，只有电热熔盐蓄能+发电方式的 1/2，在冬至当天耗水量只有 74.89 吨。3.3.2 配置结果分析“零碳”能源系统计划中，重点是光伏发电系统，电化学储能系统，电解水锅炉系统，熔盐的电热蓄热和沟槽的光热蓄能，该体系的具体投资费用和施工范围见下表 2。表 2 各系统投资成本及建设规模 系统 单位投资成本(元kW-1)建设规模/kW 光伏系统 4000 3000.00 电化学储能 1000 5000.00 电极水锅炉 2000 400.00 电加热熔盐储能 3200 149.78 槽式光热储能 30000 74.89 3 个方案都遵循了太阳能电池应装的尽量装的原则，太阳能电池一旦装上，其运营费用极低，且可持续发电。通过对光伏发电成本、当地用水价格、熔盐储能及槽式光热储能的运营成本进行分析，得出方案 2的运营成本是最小的，而方案3的运营成本是最大的，为 1.55 万元/d，是方案 2 的 1.28 倍。结果证明，采用熔盐蓄能技术，既能保证生产所需，又能降低生产设备的投入和运行费用，又能提高生产效率，促进“零碳”生产，提高生产效率。3.3.3 结果分析 中国科技期刊数据库 工业 A-49-经过分析，这个园区“零碳”能源体系的最佳设计是：“太阳能电池+熔盐蓄热+电解蓄电”，在这个园区里，太阳能电池装机容量为 6 MW，发电功率为 530万 kW.h，可以满足这个园区每年 500 万 kW.h 的电力需求。本项目拟采用 600 kW 的电化学储能电池，配备两个储热-换热槽，每年可为园区提供10000吨的水蒸气，热电联产效率大于 90%，其中两个储盐槽可容纳 280吨的熔盐，可容纳 100 GJ 的热量，可通过太阳能发电，也可通过消纳电网发电，实现年消纳谷电量 974.4 万 kW 的目的。从以上研究可以看出，相对于传统的蓄能方式，两个储槽的熔盐蓄能具有更为显著的节能效果。在将“光伏+熔盐储热+电化学学储电”系统进行配置时，各季度单一典型日的整体电负载平衡结果见图4图7。图 4 春季综合能源系统电能供需图 图 5 夏季综合能源系统电能供需图 从图 4图 7 中可以看到，通常在正午时分，太阳能电池的功率会出现最大值，这时的功率会比园区的用电负载更大，剩下的电能，可以被存储在储能设备中，也可以被用在网络上。图 6 秋季综合能源系统电能供需图 图 7 冬季综合能源系统电能供需图 在夏天，整个园区的总电负载是最大的，最高可达 1000.79 kW，因为在夏天，太阳能电池板能够进行完全的发电，所以一天中的大多数时段，太阳能电池板的发电量要远远高于当时的园区电负载，并可对化学蓄电装置进行蓄电，14 点时，光伏发电在满足园区用电和储电装置耗电的同时，将有 1541.08 kW 的余电出售给电网，为工业园区带来收入。如果夜间不能产生电能，则通过储存电能的方式，保证园区的电力供应，只有在午夜 1 点到 3 时，以及午夜 22 时之后，才会购买一些低谷电能，来平衡园区的电力供应，这是出于成本的考量。该方案对储能设备的储能总量进行了适当的调节，使谷电价格保持在低位，对整个园区的电力价格无任何影响。在春天和秋天，公园的电力负载与太阳能电池的生产状况是相同的，太阳能电池的生产得到的电力能够满足 75%的时间周期内的电力需求。在冬天，因为缺乏足够的阳光，太阳能发电受中国科技期刊数据库 工业 A-50-到了很大的限制，这时就必须向电力系统采购低谷电力来调整电力系统的用电负荷，最多 790KW 的山谷电力。4 结语 在对一个园区的资源状况进行分析的基础上，我们对这个园区的能量体系进行了“零碳”的设计，并给出了三个“零碳”能量体系的方案，然后对这三个方案进行了最优分配，从用电负荷、投资成本、碳排放等方面来看，在这三个方案中，选择了“太阳能+熔盐储热+电化学储电”，这三个方案都是最经济和实用的。这对目前构建以新能源为主体的新型电力系统，提高电力系统的灵活调节能力和安全保障能力，促进工业园的低碳转型，都有着十分重要的作用。参考文献 1胡鞍钢.中国实现 2030 年前碳达峰目标及主要途径J.北京工业大学学报(社会科学版),2021,21(3):1-15.2 平 新 乔,郑 梦 圆,曹 和 平.中 国 碳 排 放 强 度 变 化 趋 势 与“十 四 五”时 期 碳 减 排 政 策 优 化 J.改革,2020(11):37-52.3高首聪,刘璐,臧晓笛.一种面向工业园区的综合能源系统规划设计方法J.控制与信息技术,2020(5):46-52.4程林,张靖,黄仁乐,等.基于多能互补的综合能源系统多场景规划案例分析J.电力自动化设备,2017,37(6):282-287.5王钰森.熔盐储热罐的设计研究D.沈阳:沈阳工程学院,2019.