“光储直柔”技术在“零碳”建筑中的设计与应用_胡春雨.pdf

ANZHUANG2023年第5期80技 术 交 流 Technology Exchange胡春雨（中铁建设集团有限公司 北京 100000）摘 要：本文以海南博鳌零碳建筑绿色低碳改造项目为例，详细阐述了在“零碳”背景要求下光伏一体化建筑（BIPV）中采用的“光储直柔”创新技术，通过对“光储直柔”技术的设计与应用，实现了建筑能源自给，为后续零碳项目及绿色建筑项目的电气施工提供借鉴参考。关键词：零碳 绿色能源 光储直柔中图分类号：TM615文献标识码：B文章编号：1002-3607（2023）05-0080-03“光储直柔”技术在“零碳”建筑中的设计与应用目前，碳中和（二氧化碳净排量为零的状态）已成为全球应对气候变化和能源安全的共同目标，实现碳达峰、碳中和是我国的重大战略决策。我国正在积极向世界展示中国绿色低碳理念、技术和实践，为实现2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的目标而奋斗。近零能耗建筑通过可再生能源系统对建筑能源消耗进行平衡和替代1，建筑光伏一体化（BIPV）已成为近零能耗建筑的主流趋势，BIPV建筑设计中需综合考虑建筑本体节能和光伏发电潜力的提升。本文重点研究项目在打造建筑“零碳”背景下，建筑电气采用的“光储直柔”（PEDF）创新设计方案与应用，通过柔性用电管理系统，实现建筑用电的自我调节和自主优化，使建筑自身成为一座具备了智能输配电功能的“绿色发电站”，弥补了太阳能发电随机性、波动性等相对不稳定的短板，在充分利用光伏能源的同时，减少对接入运行配电网的冲击，改善电能质量，最大限度平衡配电网的运行质量。1 工程概况海南省零碳建筑绿色低碳改造项目位于海南省琼海市，一期为酒店楼、新闻中心两栋建筑，本次改造将从围护结构、设施设备、智慧化、可再生能源利用、室内外环境品质等五方面进行性能品质提升，整体达到国家绿色建筑二星级评价。通过智能灯控、光储直柔系统、节水器具等新技术设备应用，建成后预计建筑年运行能耗和运行碳排放分别下降50%70%。2 基于BIPV的“光储直柔”关键技术2.1 “光储直柔”技术原理基于建筑光伏一体化（BIPV）技术的电气系统是利用“光储直柔”系统，充分利用可再生的绿色能源“光能”来驱动建筑内的设备，实现利用光伏、储能、用电负荷之间的动态匹配，并与市电网络友好对接，实现柔性用电以及电能的供用电预测等。“光储直柔”技术涉及四大技术模块，将光伏发电、分布式储能、直流配电及柔性控制系统四大技术模块相互结合、相互叠加，实现建筑的低碳节能运转。2.1.1 光伏发电根据建筑外形效果确定建筑光伏一体化（BIPV）形式，确定光伏发电系统装机容量。通过对光伏发电量的消纳分析，确定光伏发电系统的装机容量和运行型式。2.1.2 分布式储能分布式储能以就地消纳为主，设置储能单元，实现不同策略模式，如峰谷模式、平滑模式、需量模式等，通过自身储能单元与配电网的有机结合，提高传统单一模式供电下的供电稳定性和电能质量。2.1.3 直流配电由于光伏板发出的电源为DC640VDC900V不稳定的直流电源，需通过能源路由器内的DC/DC光伏变流器将不稳定的光伏电源转为稳定的DC600V直流电源。本着尽量减少变换次数，提高系统能效的原则，根据能源路由器可对外输出的不同直流供电电压等级，选用直流末端用81INSTALLATION2023.5Technology Exchange 技 术 交 流1 10 0k kV V市市电电1 10 0k kV V A AC C380V AC 段段母母线线380V AC 段段母母线线变变压压器器10/0.4kV交交流流系系统统直直流流系系统统能能源源路路由由器器600VDC 段段600VDC 段段AC/DCAC/DC光光伏伏变变流流器器D DC C/D DC CDC140V储储能能变变流流器器D DC C/D DC C变变流流器器D DC C/D DC CDC140200VDC640900V交交流流负负荷荷花花朵朵风风机机全全钒钒液液流流储储能能立立面面+地地砖砖光光伏伏系系统统屋屋面面光光伏伏系系统统直直流流用用电电负负荷荷交交流流负负荷荷电设备。末端用电设备如直流照明灯具、直流或光伏空调机组等，根据用户实际情况，多联机空调系统可采用新型光伏直驱变频多联机空调机系统（见图1），保证光伏能优先利用。与非直驱光伏系统相比，节省了交直流多次变换过程的能量损耗，光伏直驱利用率可达99%以上。柜，直流汇流柜可直接带DC600V用电负荷。为确保光伏能源负荷的稳定性，设置两组能源路由器，能源路由器可将交流市电通过AC/DC变流器转化为DC600V电源（见图3）。当负荷中存在其他电压等级的用电负荷时，可采用直流变换柜进行转换；当光伏输入电能不能满足直流负荷运行时，由能源路由器提供负荷电源；当光伏输入电能大于直流负荷容量时，通过储能变换器柜将电能储存在全钒液流电池柜中，以保证直流负荷的消纳平衡，确保构建的直流“微电网”的供电可靠性。能能源源路路由由器器光光伏伏发发电电市市电电供供电电直直流流空空调调储储能能放放电电储储能能充充电电光光伏伏发发电电直直流流供供电电市市政政电电网网图1 新型光伏直驱变频多联机空调供配电系统图2 典型“光储直柔”构建的“微电网”框架图2.1.4 柔性控制“光储直柔”系统通过能源管理平台在建筑内形成一套智能的微电网，可以用来预测光伏发电量、预测建筑负荷用电量、制定充放电策略以确保微电网内部电压稳定并给出系统负荷柔性调节裕度。通过动态负载跟踪 MPPT 等先进技术，可实时跟踪光伏系统的最大功率点，从而实现对光伏能量的最大化利用。2.1.5 “光储直柔”技术构建“微电网”利用“光储直柔”技术实现在末端建筑内构建“微电网”系统（见图2），即利用小型智能发配电系统，实现电能的灵活、高效应用，解决分布式电源的并网问题，是实现“主动式”配电网的一种有效方式。以“荷随源动”的方式与电力系统进行交互的集成技术路径，使传统电网向智能化、零碳化电网过渡。2.2 “光储直柔”系统的应用2.2.1 系统设计本项目充分利用建筑物屋面、立面和地面，分别设置分布式光伏发电系统，光伏板总装机容量为490.00kWp（屋面）+37.17kWp（立面）+13.20kWp（地面）=540.37kWp，预计年发电总量为56万kWh。光伏板将输出的电能分别汇入光伏柜，并通过光伏柜内DC/DC光伏变流器稳压至DC600V，汇流至直流汇流CMYCMMYCYCMYK图3光储直柔供电系统图.pdf 1 2023/4/12 15:44:29图3 光储直柔供电系统图2.2.2 光伏板的选型设置本项目在建筑南侧和西侧幕墙上分别设置光伏发电ANZHUANG2023年第5期82技 术 交 流 Technology Exchange组件（见图4），光伏板的设置采用应设尽设的原则，屋面光伏组件采用540Wp单晶硅双面双玻组件，组件参数见表1。将屋面光伏组串分区进行了框定，配置16个MPPT接口，施工时需将组串框定范围内的组件进行串联接线，组串的出线方向应便于连接DC/DC光储机，施工时组串跨接、组串延长线需要使用MC6接头，其余放线处禁止使用MC6作为中间接头。图4 光伏发电组件安装示意图图5 光伏百叶幕墙安装效果图光伏组件光伏组件光伏组件光伏组件光伏幕墙光伏幕墙光伏幕墙光伏幕墙光伏幕墙光伏组件光伏组件光伏组件光伏组件表1 屋面单晶硅光伏组件技术规格序号技术参数规格1标称峰值功率/Wp540 2标称功率公差/Wp0+5 3组件转换效率/%21.34标称最佳工作电压/V41.665标称最佳工作电流/A12.97 6开路电压/V49.50 7短路电流/A13.858最大耐受电压（IEC）/Vdc1500 9组件尺寸/mm2250113435幕墙用光伏百叶，光伏百叶采用单晶硅发电玻璃，光伏百叶可以对玻璃幕墙起到一定的遮挡作用，降低建筑室内热辐射，光伏百叶采用低碳钢化玻璃（6+超薄半导体材料+6mm）整体呈半透明状态，发电的同时不影响室内透光效果（见图5）。2.2.3 储能站的选型及安装储能站（系统）通过正向储能反向供电，使其具有能源消纳、电网调峰调频、电力负荷削峰填谷等多重功能。本项目储能站设置在室内光伏机房内，采用电化学储能，通过比选，选择采用具有容量高、循环使用寿命长、使用环境广的新型全钒液流电池。储能站的设计安装除了应满足防火、防爆和通风等条件外，还应注意以下问题：（1）电池室内要有排渗漏液的地沟，非储罐区地面应向排液沟微倾，并引至积液坑内。（2）电池室内的地面和墙壁应采取耐腐蚀处理。（3）电池及附属设备应保持一定的离地高度，防止电解液泄漏产生腐蚀。（4）应设置应急水源。2.2.4 直流系统的设置本项目采用直流供用电系统，减少交直流转换造成的能源损失，故末端用电设备选型时，尽量采用直流用电设备，如室内空调系统选用DC600V变频多联机，照明灯具选用DC36V照明灯具等。2.2.5 柔性能源管理系统的设置柔性能源管理系统采用“自发自用、余电并网”的自消纳并网模式，尽量减小对电网的冲击，光伏太阳能电池所发电量优先给内部负载，负载用不完的多余电量并入电网。当光伏发电电量不足以供给负载时，由电网和光伏发电系统同时给负载供电2，通过协调管理光伏发电、市电供电、储能及建筑用能之间的关系，打造智慧化的绿色建筑。3 结语“光储直柔”技术的应用可有效促进电网向零碳化、智慧化转型，同时，为光伏建筑一体化（BIPV）的实现和推广提供了技术支撑。未来几十年，为实现碳达峰和碳中和目标，建筑低碳绿色市场巨大，只有通过对零碳领域技术的不断探索，技术的不断迭代创新，才能确保走在低碳前沿。参考文献：1赵承华.近零能耗居住建筑在夏热冬冷地区的可实施性策略研究以台州为例D.宜昌：三峡大学，2020.2莫理莉，陈志忠，王静，等.“光储直柔”建筑电气设计探究J.智能建筑电气技术，2022，16（3）：1-8.