建筑光储系统容量配置分析及应用.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月随着“碳达峰”和“碳中和”两个目标的提出，充分发展配备有储能调节的分布式光伏系统是中国向“双碳”目标发展的重要方向之一1。建筑是城市的重要组成部分，也是能源消耗的重要主体之一，有研究显示，建筑物在整个生命周期内的碳排放量约占全国总碳排放量的 50%左右2，因此建筑在低碳发展方面具有较大潜力，其具体实施措施为在建筑表面幅照度较高的地方进行光伏板铺设，并配置相应的储能调节系统，结合主动产能、被动节能、协同运行、数字化管理等方式，实现建筑能源系统从用能主体向能源产销复合体的方向转变3。“光储直柔”是目前建筑低碳化发展的研究热点之一，是指通过光伏发电、储能设施、直流配电及柔性负荷来构建建筑配电系统4-5。通过构建微电网实现调峰蓄能、柔性用电及节能减碳的目标，对建筑行业实现“双碳”目标具有重大意义6-7。“光储直柔”系统通过直流电网供能，其电能的主要来源为光伏板，同时将电网的交流电转化为直流电后进行辅助供能，根据建筑表面条件及辐照度情况尽可能进行光伏板铺设，包括光伏幕墙、曲面瓦及光伏砖等多种形式8。利用储能进行供需调节，用能设备包括空调、电动汽车及照明等，通过直流化运行模式避免了直流/交流转换过程中的损耗，实现电能的高效率利用9。当直流电网中电能过剩时，可将过剩电能转换为交流电后并入电网中，避免了光伏弃电10。当直流微电网中电能不足时，可以将电网中的交流电转化为直流电进行补充供电。建筑“光储直柔”系统的关键技术包括光伏电站、直流充电桩、电化学电池组及综合调控策略等，具有以下几个特点。1)城市建筑光伏并网通常为接入 35 kV 及以下电压级电网，可利用公共电网为周边地区用户供电，一定程度避免了局部用电短缺的问题，因此对于具备铺设光伏板条件的地区应尽量全部铺设。2)通过直流充电桩将光伏电能储存至储能设备中或对电动汽车进行充电，在必要时可利用电动汽车的剩余电量对电网实现反向供电，相当于提升了储能容量。3)储能设备通常为电化学储能设施，其容量会随着使用次数的增加而逐渐降低，类型主要包括锂电池、铅酸电池及氢镍电池等，目前锂电池的能量密度最高，且性能出众，但其缺点为成本较高，且储能容量随着使用次数及时间的增加会不断衰减。收稿日期：2023-07-26第一作者简介：林海，1987 年生，男，广东潮州人，硕士，高级工程师，主要从事节能及新能源技术应用相关工作。建筑光储系统容量配置分析及应用林海1，何国锋1，韩逸骁2（1.广州汇锦能效科技有限公司，广东 广州 510660；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510641）摘要：建筑光储系统的容量配置由光伏电量尧 用能特点及工作策略等多方面因素决定遥 随着 野光储直柔冶 系统的不断发展袁 其研究热点之一就是储能容量与光伏装机容量的配比遥 介绍了一建筑光储系统的主要架构袁 并对其微电网运行工况进行了建模分析袁 从经济性的角度寻找储能容量最佳配比袁 对同类建筑在光储系统的储能容量规划方面具有一定的参考价值遥关键词：建筑曰 光储系统曰 容量配置曰 建模分析中图分类号：TD528文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0006-04Capacity Configuration Analysis and Application of Building Solar-storage SystemLIN Hai1,HE Guofeng1,HAN Yixiao2(1.Guangzhou Huijin Energy Efficiency Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510660,Guangdong,China;2.School of Electric Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,Guangdong,China)Abstract:The capacity configuration of building solar-storage system is determined by many factors such as solar power,energyuse characteristics and working strategy.With the continuous development of photovoltaic,energy storage,direct current andflexibility system,one of its research hotspots is the ratio of energy storage capacity and photovoltaic installed capacity.Thispaper introduced the main architecture of a buildings solar-storage system,and conducted modeling and analysis of its microgridoperating conditions,so as to find the best ratio of energy storage capacity from the perspective of economy,which has certainreference value for similar buildings in the energy storage capacity planning of solar-storage system.Key words:building;solar-storage system;capacity configuration;modeling analysis（总第 216 期）本刊特稿62023 年第 9 期2023 年 9 月1模型构建本文将广州一医院作为具体案例，构建“光储直柔”系统并进行分析，其基本构成如图 1 所示。根据对象建筑所在地的气象条件、光伏板铺设面积、用能时段及负荷等进行模型构建，并在此基础上通过分析对比不同规模储能的经济效益，从而获得储能容量与光伏装机容量的最佳对应比例。图 1“光储直柔”系统的基本构成图1.1光伏输出光伏板的工作原理为将太阳辐射转化为电能，因其输出功率与太阳辐射直接相关，同时气温也会影响到光伏板转换效率，随着温度的升高其转化效率会有所降低，因此选取太阳辐照度和温度两个参数进行建模，气象参数选自 2022 年 6 月。通过 Meteonorm 软件获取 2022 年 6 月某一日逐时太阳辐照度和温度，对象建筑内可铺设光伏板面积为 2 000 m2，包括屋顶及车棚顶，对应光伏板装机容量约为 410 kWp，根据逐时太阳辐照度和温度可计算出光伏阵列的逐时输出功率，结果如图 2 所示。图 2典型日光伏逐时输出功率图从图 2 中可以看出，光伏电能输出时间段为 5:0019:00，在中午 12:00 时达到最大输出电能，1 h 内最大输出电能约为 230 kW h，全天光伏总输出电能达到1 945 kW h。1.2建筑能耗建筑能耗单元主要有空调、照明及电动汽车，建筑内的医疗设备等核心用电单元不纳入光伏电能供应对象，一方面是为了保障核心设备的供电稳定性，而光伏电能随天气变化波动较大；另一方面空调、照明及电动汽车属于各类建筑通用常见耗能单元，因此分析结果更具有普遍性。上述 3 个用能单元中空调及照明属于非可控负荷，其运行时段相对固定。电动汽车属于可控负荷，可以根据光伏电能输出状况进行灵活调整，根据“光储直柔”中柔性负荷的控制原则，结合实际情况分时段设置电动汽车的充电功率。现场配置有 20 个充电桩，一般在员工上班时间段内为电动汽车充电使用，因此充电时间段设置为 9:0017:00，充电功耗逐时变化与光伏电能逐时变化趋势相近；在 12:0014:00 期间，考虑到午间出行需求，这 2 h 内充电需求较低；考虑到员工每天通勤距离、电动汽车对应能耗、电动汽车电池容量、充电频率、其他社会车辆充电需求等因素，设定每天充电桩的使用率为 80%，平均每个充电桩输出电能40 kW h，因此电动汽车单元每天总能耗为 640 kW h。需要说明的是，考虑到光伏实际供电规模与建筑能耗需求规模之间具有较大差距，同时需要保证核心区设备供电稳定性，因此光伏电能仅对部分非核心区的照明设备及空调进行供电。充电桩、照明及空调的逐时能耗如图 3 所示。图 3各用能单元逐时能耗图从图 3 中可以看出，充电桩电能输出与光伏电能输出有相似的趋势，空调用能趋势也与光伏电能输出相近，其 24 h 总能耗为 1 200 kW h，为主要用能单元；照明能耗高峰主要集中在晚间时段，其 24 h 总能耗为690 kW h。1.3运行策略对比图 2 和图 3 可以看出，光伏能源输出趋势与光伏空调直流电网电网AC/DC储能照明电动汽车3002502001501005002:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:00 18:00 20:0022:00 24:00时刻250200150100500充电桩；照明；空调；总能耗。林海，等：建筑光储系统容量配置分析及应用2:00 4:00 6:00 8:0010:0012:00 14:0016:00 18:00 20:00 22:0024:00时刻72023 年第 9 期2023 年 9 月设备用能趋势存在匹配偏差，因此有必要设置储能设施来进行调节，以提高可再生能源自用率。在未配备储能设施时，为了避免可再生能源浪费，可采取“自发自用，余电上网”的策略，即多余电能全部并入地区电网中。一般情况下上网电价要低于电网购电价格，目前广东地区光伏上网电价为 0.453 元/（kWh），而光伏电能过剩的时间段多处于峰电价区间，此时段内公用建筑购电价格约为 1 元/（kWh），这意味着 1 kW h电用于并网而非自用就会降低约 0.547 元的经济效益，导致光伏电能自用率降低。通过设置储能设备采用“移峰填谷”的方式可以将过剩电能进行储存，并在光伏输出不足时进行补充供电，从而提高光伏电能自用率，改善经济效益。除此之外，通过储能还可以在夜间利用低谷电价储存电能，在日间平价段或峰价段将电能释放，降低用电成本，从而产生经济效益，在谷电价区间仅储存电能，在平价段或高峰段到来之前不参与供电。微电网内的能源运行策略如图 4 所示。图 4能源运行策略从图 4 中可以看出，在分配电能输出模式时首先确定下一时段总负荷，通过气象预测等手段确定下一时段内光伏电能输出是否能满足负荷需求，如果光伏输出充足，则利用光伏电能进行供电，并将多余的光伏电能储存至储能设备中，此时若储能设备充满，则将剩余电能并入电网；当光伏输出不足以满足下一时段总负荷时，则再判定储能电量是否充足，若储能充足，则以光伏输出为主、储能为辅的模式进行供电，当储能电能不足时则由市电补充供电。需要说明的是，电池如果完全放空其内部化学成分会产生变化，甚至可能导致结晶，从而对电池造成损伤。为防止储能电池电量完全放空导致性能损失，需要设定电池最低 SOC（State of Charge，荷电状态），即设定电池 SOC 降低至 5%后停止放电。2储能容量分析本章通过分析不同储能容量下光储系统的经济性表现，得出光储系统最佳容量比例。根据光伏装机容量及用能规模，本文设置了 4 个不同规模的储能容量进行分析，分别为 50 kW h，100 kW h，150 kW h 和200 kW h。通过上述设定模拟每天的微电网运行状况，当微电网内供能不足时，则由市电补充供电。为了提升储能经济效益，除了利用储能对光伏电能进行“移峰填谷”产生经济效益外，还根据夜间与白天的峰谷电价差，利用夜间储存、白天释放的方式进一步提升经济性。广州地区峰谷电价区间如图 5 所示。图 5广州地区峰谷电价区间从图 5 中可以看出，广州地区电价策略分为峰、平和谷 3 个区间段。10:0012:00 及 14:0019:00 为高峰期，电价为 1.0 元/（kWh）；8:0010:00，12:0014:00及 19:0024:00 为平价期，电价为 0.6 元/（kWh）；0:008:00 为低谷期，电价为 0.3 元/（kWh）。通过上述设定条件对微电网 24 h 内运行工况进行模拟，不同规模下的逐时运行数据如图 6 所示，包含光伏供电、市电供电、储能供电、储能电量及并网电量参数。从图 6 中可以看出，随着储能容量的提升，并网电量逐渐降低，市电供应量减少，光伏电能自用率得到提高，市电供应时间段主要为 18:00 至次日 8:00，主要用于照明及空调供电；在 11:0016:00 的时间段内光伏电能输出大于设备能耗需求，时间段内总剩余电量超过了 180 kW h；过剩光伏电能并网时间段为 12:0016:00；储能在日间完成了 2 个充放过程，其供能时间总负荷是是是否下一时段光伏输出是否充足光伏供电储能电量是否充足储能是否满电储能供电，不足由市电供应储能补充供电光伏多余电能并网储存多余光伏电能满电后多余电能并网否否1.21.00.80.60.40.202:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:00 14:0016:00 18:00 20:0022:0024:00时刻82023 年第 9 期2023 年 9 月段主要集中在 8:0011:00 及 16:00 之后，充电时间段集中在 11:0014:00 之间。4 种储能容量对应的运行统计数据如表 1 所示，同时表 1 中还列出了没有储能的情况下微电网运行状况，以作为对比。表 1不同规模储能条件下微电网运行参数从表 1 中可以看出，当没有储能时光伏电能自用率为 90.7%，随着储能容量从 50 kW h 增加到 200 kW h，光伏电能自用率从 93.1%增长到了 96.8%；并网电能从181.0 kW h 降低到了 63.0 kW h，下降了 65.2%；市电输出从 1 112.0 kW h 降低到了 804.0 kW h，降低了27.7%。当储能容量达到了 150 kW h 后，再增加储能并不会提高光伏电能的自用率。微电网用能的额外成本为市电输出，同时通过并入过剩的光伏电能以及利用峰谷电差价可以抵消一部分购电成本，利用购电成本减去并网收益即可获得在该储能容量下所需的额外电力成本，按照图 5 所示的市电价格及 0.453 元/（kWh）的光伏并网电价进行计算，结果如表 2 所示。表 2不同规模储能条件下微电网额外用能成本从表 2 中可以看出，随着储能容量的增加，市电成本及并网收益均在不断降低，综合成本呈现下降趋势，当储能容量分别为 50 kW h，100 kW h，150 kW h和 200 kW h 时，对应 1 kW h 容量储能成本减少分别为 0.79 元、0.85 元、0.86 元和 0.71 元，在储能容量为150 kW h 时有最大单位容量储能收益，24 h 内收益达到了 0.86 元/（kWh），储能容量与光伏装机容量的比值约为 0.37。储能容量/（kW h）市电输出/（kW h）并网电能/（kW h）储能输出/（kW h）光伏电能自用率/%01 112.0181.0090.7501 017.0133.595.093.1100922.086.0234.095.6150851.563.0260.596.8200804.063.0308.096.8储能容量/（kW h）市电成本/元并网收益/元综合成本/元单位容量储能成本减少量/（元 kW-1 h-1）0635.882.0553.850574.860.5514.30.79100507.439.0468.40.85150453.328.5424.80.86200439.828.5411.30.71图 6不同规模储能条件下微电网运行状况250200150100500并网电量250200150100500(a)储能容量 50 kW h(c)储能容量 150 kW h250200150100500250200150100500(d)储能容量 200 kW h(b)储能容量 100 kW h并网电量并网电量储能电量光伏供电市电供电储能供电储能电量光伏供电市电供电储能供电储能电量光伏供电市电供电储能供电并网电量储能电量光伏供电市电供电储能供电（下转第 54 页）林海，等：建筑光储系统容量配置分析及应用2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:0014:0016:00 18:00 20:00 22:0024:00时刻2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:0014:00 16:00 18:00 20:0022:0024:00时刻2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:0014:0016:00 18:00 20:00 22:0024:00时刻2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:0014:00 16:00 18:00 20:0022:0024:00时刻92023 年第 9 期2023 年 9 月3结论介绍了建筑“光储直柔”系统的架构，并通过建模对不同储能容量对应的微电网工况进行了分析，通过计算不同规模储能条件下单位容量的收益，寻找最佳的储能容量与光伏装机容量的比例，所得结论如下。1)当储能容量为 150 kW h 时单位规模储能收益最高，达到了 0.86 元/（kWh），此时储能容量与光伏装机容量的比值约为 0.37。2)储能的收益来自对光伏电能的“移峰填谷”以及利用电网峰谷电价差进行储能及释放两部分，随着光伏并网电价的持续降低及电网峰谷电价差的进一步加大，储能收益将会得到有效提升。3)目前常见储能方式为电化学储能，其购置成本较高，鉴于技术的不断进步及不断规模化发展的优势，长期来看其成本存在进一步下降的空间。此外，随着二手动力电池的逐渐退役，使用二手电池作为储能设备也能大幅降低购置成本。参考文献：1 郝亮亮，窦兵兵，常甜，等.“双碳”背景下能源行业的发展与展望 J.能源与节能，2023(4)：58-60.2 中国建筑节能协会能耗统计专委会.2021 中国建筑能耗与碳排放研究报告 EB/OL.（2021-12-23）2023-07-26.https：/ 邹风华，朱星阳，殷俊平，等.“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势分析 J/OL.综合智慧能源.2023-07-26.https：/ 周微，王越.光储直柔”技术：基于“碳达峰、碳中和”目标的民用建筑电气系统探索 J.建筑与预算，2023(5)：53-55.5 胡春雨.“光储直柔”技术在“零碳”建筑中的设计与应用 J.安装，2023(5)：80-82.6 刘晓华，张涛，刘效辰，等.“光储直柔”建筑新型能源系统发展现状与研究展望 J.暖通空调，2022，52(8)：1-9.7 张立伟.“光储直柔”配电系统及其用于建筑的难点与对策分析 J.四川水泥，2022(11)：26-28.8 朱薇桦，陈浩波，舒杰.双碳目标下华南地区太阳能光电建筑发展思考 J.新能源进展，2022，10(2)：178-188.9 王晓辉，夏梦晨.建筑光储直柔关键技术及其应用 J.上海节能，2023(4)：468-475.10 焦晓雷，吴洪宽，潘高枫，等.光伏建筑一体化并网发电系统及配电网关键技术研究 J.太阳能，2018(4)：64-68.（编辑：刘晓芳）位质量煤样自燃过程中各阶段的放热量。在蒸发脱附阶段，煤自燃放热量为 31.96 J/g，此阶段煤氧复合反应放热量大于水分蒸发吸热量；在增重阶段，煤自燃放热量为 234.59 J/g，此阶段中煤氧复合反应速率上升，反应继续放热；在燃烧阶段，煤自燃放热量为 2 547.84 J/g，此阶段中煤氧复合反应剧烈进行，放出大量热。3结论1)煤自燃 TG 曲线随煤温升高呈现先降后升再降的变化趋势，根据实验初始温度t0（30.00 ）、干裂温度t1（111.75 ）、活性温度t2（171.91）和着火温度t3（321.95），将煤自燃过程划分为蒸发脱附阶段、增重阶段和燃烧阶段。2)DSC 曲线随煤温升高呈先升而后迅速下降的变化趋势，189.45 时煤的放热速率为 0.64 mW/mg，311.92 时煤的放热速率为 3.68 mW/mg，燃烧阶段放热峰值为 22.78 mW/mg。3)煤自燃过程中，蒸发脱附阶段的放热量为31.96 J/g，增重阶段的放热量为 234.59 J/g，燃烧阶段的放热量为 2 547.84 J/g，呈增大趋势。参考文献：1 王德明，邵振鲁，朱云飞.煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题 J.煤炭学报，2021，46(1)：57-64.2 邓军，周佳敏，白祖锦，等.瓦斯对煤低温氧化过程微观结构及热反应性的影响研究 J.煤炭科学技术，2023，51(1)：304-312.3 郭炜舟，鲁喜辉，陈云民，等.地温与碱性条件对煤自燃影响的实验研究 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