“光儲直柔”技術應用于智慧園區規劃的實踐探索與展望

丁文軍, 宋明剛, 楊秋昊, 劉 馨, 楊 秀

(1.中建三局數字工程公司, 武漢 430075; 2.武漢大學城市設計學院, 武漢 430027)

為了應對全球氣候危機和能源問題,我國積極響應全球碳減排的社會責任,明確提出了2030年實現“碳達峰”,2060年實現“碳中和”的戰略目標。數據顯示,我國僅各類工業園區就大約制造了全國二氧化碳排放的31%[1],從規劃建設方面引導各類園區的碳排增匯,可為我國實現雙碳目標貢獻重要力量。

我國40多年的快速城鎮化進程中,建筑高速增長,但因節能法規體系還不夠完備,建筑耗能排放量大,在建筑運行耗能產生的大量碳排放沒有得到有效控制[1]。如何在建筑壽命周期的使用過程中利用可再生能源減少碳排放,是目前行業和學者關心的重要問題。 國務院印發的《2030年前碳達行動方案》(國發〔2021〕23號)在城鄉建設碳達峰行動方面提出建筑能效要提升城鎮建筑和基礎設施運行管理智能化水平,優化建筑用能結構方面要提高建筑終端電氣化水平,建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。但 “光儲直柔”技術在我國仍處于起步和探索階段,且主要用在建筑方面,應用在園區的研究較少且缺乏實踐案例支撐。

智慧園區融合了新一代信息與通信技術,支持園區的可持續發展為目標,是園區中創新的、面向未來的園區。若智慧園區能夠率先實現“光儲直柔”技術應用,將對其他各類園區實現凈零碳發展起到重要的引領示范。因此,本文系統梳理“光儲直柔”技術的概念和技術分類,結合光谷之星智慧園區項目的規劃實踐經驗,探索“光儲直柔”技術應用在園區的應用方向。

1 “光儲直柔”技術應用園區的研究前沿分析

1.1 概念

“光儲直柔”技術簡稱PEDF(photovoltaics, energy storage, direct current and flexibility)?！肮狻笔侵竿ㄟ^太陽能光伏發電及其他可再生能源發電的能源利用形式;“儲”是指電力系統的電力儲能;“直”是指建筑內使用低壓直流配用電網與電源連接;“柔”是指可靈活調節、錯峰用電的柔性用能形式?！肮鈨χ比帷奔夹g本質是一種構建碳中和目標的新型建筑配電系統[2]。

1.2 基于CiteSpace研究熱點分析

基于中國知網(CNKI)和WOS(Web of Science)核心數據庫,檢索以“光伏直柔”為主題的所有中文文獻共計33篇,以“光伏發電”或“能量儲存”或“直流電”或“柔性”為檢索詞,和“產業園區”檢索詞取交集,共獲得169篇英文文獻。文獻圖譜是用文獻計量學可視化展現研究結構及演變歷程的方法。CiteSpace是繪制文獻圖譜的常用工具。采用CiteSpace 6.1R3軟件對 “光儲直柔”的相關中英文文獻進行分析。頻次是在相關領域中某關鍵詞出現次數的統計量。中心度的大小代表了在網絡圖譜中關鍵詞連接關系的強弱。

我國有關“光儲直柔”的研究源起于2021年1月。從國內“光儲直柔”研究領域熱門的關鍵詞來看,“建筑用能”“儲能”“碳中和”“低壓直流”的被引頻次最高,“建筑用能”的中心度最高,其次是“光伏發電”“辦公建筑”“儲能”。其他國家的研究雖然暫未統籌提出光伏發電、電力儲存、直流電和柔性4個關鍵詞結合起來的相關概念,但在每種領域的技術深化方面體系結構相對完整。在產業園區用電研究的領域,對“系統”“模型”“設計”等詞的關注度較高,從中心度來看,“設計”“調度”“模型”“系統”在關鍵詞網絡中起到了關鍵的連接作用(表1)。

表1 關鍵詞頻率

從聚類結果(圖1)上看,國內的研究可以分為低碳建筑(#0)和需求側響應(#1)兩大主題。具體而言:①2021年初,有關“光儲直柔”技術的討論興起,學者關注其在碳中和背景下的靈活性和可再生性;②“光儲直柔”技術在建筑單體、鄉村建設、社區場景的應用逐漸進入探索和實踐階段;③對直流電的技術逐漸規范化,應用研究更加安全、可靠,設計標準更加具體、完善;④ “光儲直柔”技術在特定建筑及專業領域如軌道交通、產業園區、商務建筑中的應用嘗試得到進一步剖析和總結。

圖1 國內光儲直柔技術研究現狀

而國際上的研究,近幾年討論度最高的聚類類型(圖2)為“隨機能源管理”和“混合整數二階圓錐程序設計”。①早在2013年前后,就有對產業園區用電設計和多目標優化的討論;②2016年后,國際能源署提出了建筑靈活性用電的概念[3],能源和電池能量的儲存和調度成為研究熱點,分布式發電技術因其分散、靈活的特點備受關注;③在有了廣泛的理論研究和技術革新后,太陽能等清潔能源發電被嘗試運用在產業園區中,進而引發了學者們對完善電力調配系統算法構建和模型設計的一系列探索。

圖2 國外光儲直柔技術研究現狀

1.3 “光儲直柔”技術熱點

通過梳理WOS數據庫中的前沿英文文獻,可以梳理出目前應用于“光儲直柔”領域的主要建設技術手段(表2[4-18]),各種方法互相交叉、互為補充。在光伏發電方面,為了提高光能轉化為電能的效率,研究人員通過聚光設備提高光能的匯集效率[4],或者在電池類型(如薄膜電池、晶硅電池)進行創新。在儲能方面,儲能路徑主要分為電池儲能技術、建筑設施儲能技術和能源轉化技術:酸鉛電池[5]和集成光伏電池儲能系統(BESS)[6]方向已有實踐案例;建筑設施如商業建筑新能源汽車停車場可以采用混合并網模式,將存儲能源釋放于公共負載[7];電能也可以和熱能[8-10]、天然氣[9]等能源進行轉化達到儲能的目的。在直流電方面,使用直流電具有減少交流電轉換損耗的優點[11]。在柔性用電方面,目前的技術攻關主要集中在能源分配算法的創新和能源轉化過程的調度兩個層面:在算法上,評估不同類型建筑的產能和耗能[3]以及用能時段[12-13],可以調節光伏、電池、電網的供能次序及供能比例,維納格威爾分布算法[14]和交替方向乘法[15]已經得到運用;能源轉化中通過將光伏電能轉化為熱能[8-9]、天然氣[9]、電池儲備能、新能源汽車儲能[16-17,10],控制電能的儲備和柔性釋放。

表2 國外重點研究領域及文獻[4-18]

2 “光儲直柔”技術在國內的實踐領域及方向

2.1 主要應用領域

光儲直柔技術主要分為4個系統,包括光伏發電系統、儲能系統、低壓直流配電系統和建筑能源柔性控制系統,共同構成了綠色能源傳輸應用系統(圖3)。就單項技術而言,光、儲、直、柔的技術已有大量研究。表3[19-22]列舉了國內“光儲直柔”技術的應用領域和典型案例。研究發現,目前“光儲直柔”技術主要應用在建筑主體中,在園區、社區這種中觀層面的系統引用較少。

數據來源:江億院士團隊

表3 “光儲直柔”技術的國內應用領域及典型案例[19-22]

2.2 主要發展方向

(1)深化直流供配電技術及標準研究。主要是指適應“光儲直柔”系統的設計分析方法、調控策略和響應方法;以及關鍵直流產品研發,如直流電器、直流變換器、配電設備等。目前,缺少合適的直流產品是“光儲直柔”實際應用的瓶頸,該領域研究需要充分考慮產品適應直流母線電壓變化的能力和系統柔性調節需求。此外,直流系統中主要部件產品的標準化是當前亟需開展的重要研究內容。

(2)建筑領域“光儲直柔”組合應用研究。主要包括利用建筑表面敷設光伏板生產清潔能源,建筑層面整體考慮儲能方式,在建筑內建設直流配電系統,通過建筑能源控制系統實現建筑整體柔性用能等。強調“光”“儲”“直”“柔”相關技術根據實際條件,2個類型以上的組合應用,達到節能減排的優化效果。

(3)完善對光儲直柔技術系統平臺的技術研究,主要集成技術包括平臺架構、優化配置算法、調節控制策略等。如優化調節控制策略方面,可算法優化配置合理的關鍵設備和儲能容量,既保證系統中合理的儲能調蓄能力,又不增加過多的化學電池等儲能成本。

3 “光儲直柔”技術應用在智慧園區規劃的實踐

現階段,“光儲直柔”在智慧園區里的應用尚處于初期階段。為響應國家“雙碳”戰略以及“五碳并舉”的實施路徑,中建三局在光谷之星智慧園區開展了“光儲直柔”的應用與探索。

3.1 智慧園區中的“光儲直柔”技術應用

該智慧園區應用了中建三局自主研發的智瓴智慧園區平臺,采用“1+3+7+N”系統架構(圖4)進行建設。在展示層,設立智慧運營中心,在應用層,構建了安全、設備、環境、能源、資管、服務、運營7大態勢28類173個應用場景。其中的能源態勢板塊,采用了“光儲直柔”集成技術,主要包括光伏發電、電動汽車儲能、直流供電、智能控制系統和柔性調節多項技術(圖5)。

圖4 智慧園區平臺架構

3.2 規劃實現路徑

該智慧園區的能源系統智慧化建設采用以下關鍵點實現“光儲直柔”技術應用:①太陽能光伏-屋頂分布式光伏電站、光伏幕墻;②分布式儲能-蓄電池儲能;③直流配電-采用直流供電設備;④柔性交互-柔性直流配電系統。

該園區辦公大樓屋頂采用單晶硅光伏發電,用于支持能源的光儲直柔融入建筑,實現光伏發電的高效就地消納,并在一層設置光儲直柔科技示范展廳。直流電主要應用在全樓直流照明系統,以及光伏直驅空調和直流辦公負載。該園區辦公建筑面積為5萬m2,按照近零能耗建筑標準,估算建筑全年總能能耗約為250萬kWh,大于光伏發電量。儲能主要存儲白天光伏峰值電量和輻照較差時,儲存夜間市電,在日間用電高峰時釋放,采用儲能系統與直流V2G(vehicle-to-grid)充電樁等實現儲能,儲能系統儲能量約1 000 kW·h。智能控制系統與直流供配電實時對光伏、儲能和用能進行集成調控。除直流負載外,光伏電量可存儲樓宇儲能系統、新能源汽車及并入微網,產能用能系統柔性調節。

3.3 主要應用版塊

3.3.1 太陽能光伏

本項目在總部塔樓及裙房屋頂設置單晶硅太陽能光伏板,裝機容量約459 kW,為“光儲直柔”系統提供能量輸入源。最大限度利用建筑四立面安裝碲化鎘光伏玻璃幕墻。裝機容量約943 kW,年發電量約44萬kW·h。光伏玻璃幕墻發電用于組建交流微網即傳統的逆變之后在配電房低壓母線側并網。

3.3.2 分布式儲能

采用移動儲能 (即通過充電樁利用電動汽車的蓄電池)和分布式儲能設施 (大樓內帶蓄電池的充電設備)來實現分布式儲能,并在室外預留儲能預制艙安裝條件,后期根據大樓實際使用情況可靈活增設。儲能系統為“光儲直柔”提供滿足柔性配電調節所必需的備用能源。

3.3.3 直流配電

直流照明:面積約1 842 m2,選用DC 220 V直流LED(light-emitting diode,發光二極管)燈具,直流負荷功率約14.4 kW。

直流空調:兩層辦公樓共計6臺直流VRV(vacuum reducer valve,中央空調)主機,電壓等級為DC 540 V,總功率約240 kW。

直流充電樁:輸入-直流輸出充電樁,電壓等級為DC 750 V,擬設置3臺60 kW單向直流充電樁,1臺雙向直流充電樁。

在科技展廳區域構建直流配電系統,采用直流空調、照明、直流電熱水器、冰箱、咖啡機、手機充電器等設備,以展示模型和實體相結合的方式,進行科普教育展示和技術推廣。

直流景觀設施:本項目結合景觀設計在室外地面及屋面花園局部布置太陽能景觀燈、光伏景觀廊架、智能座椅等。

3.3.4 柔性控制

采用智能配電系統,實現實時參數檢測、實時故障報警和實時能效分析。配合末端智能微端的使用,定時分合閘,下班時間關閉指定房間電源,實現對辦公室和會議室等用電的精準控制及能效管理。通過智慧中心云平臺進行遠程監控與預見性維護,實現配電設備全生命周期管理,降低項目整體維護成本。智能配電系統框架如圖6所示。

3.4 應用效益

3.4.1 經濟效益

照明用能時間與光伏發電時間總體匹配,基于分布式儲能與能源互濟策略,實現可再生能源的100%本地消納。本項目光伏系統總裝機量539 kW,首年發電量44.3萬 kW·h,考慮組件發電效率衰減,25年光伏總發電量為1 042萬kW·h。

3.4.2 社會效益

高比例利用可再生能源發電,可有效降低化石能源消耗,減少碳排放。根據國家能源局統計的電廠供電標準煤耗308 g/(kW·h)標準計算,25年內節約標準煤3 209 t。

3.5 存在問題

在本項目實踐中,制約“光儲直柔”技術發展的因素主要有3個方面。

(1)光伏安裝場地受限,發電功率不足,不能為系統提供足夠多的能量。因此系統儲備能量不足,柔性調節能力不夠。

(2)目前市場上直流電器設備種類較少,直流電器生態不健全,影響系統構建及增大后期維護成本。

(3)儲能系統建設成本較高,儲能密度不高,性價比難以達到使用要求。

4 光儲直柔技術應用智慧園區規劃建設的框架構想

4.1 應用模式

智慧園區相對一般園區,對能源數據的感知和診斷能力較強,智慧化技術快速提升“光儲直柔”集成系統能源供給的柔性。同時,園區相對于建筑,其建筑屋頂、側面、空地較多,可以園區為平臺進行光伏為核心、多類型清潔能源的存儲,增強清潔能源在總能源中的占比。

經過大量的文獻分析以及吸取智慧園區的實踐經驗,結合園區能源“生產-儲存-供給-調配”的過程,提出基于五大建成環境系統的、全過程的智慧園區“光儲直柔”技術應用框架圖(圖7)。主要通過“儲”和“柔”提升園區能耗的低碳智慧化發展。一方面通過多能源的電氣化存儲,為園區電氣化發展助力;另一方面主要采用智慧化技術手段,提高園區能源的柔性使用。

圖7 智慧園區光儲直柔技術在園區建設中的應用框架

4.2 主要應用場景

園區邊界內單位能耗較高、能源總量需求大,單靠“光儲直柔”集成技術無法解決園區的全部能源問題。建議園區通過該技術,將光伏產能為核心的清潔能源供給為園區的補充能源,主要應用以下幾個場景。

(1)移動能源消費場景,如新能源汽車、無人駕駛汽車、手機充電設施等。

(2)市政公用設施能源消費場景,如公共停車場、路燈、景觀燈、智能座椅、直流電熱水器、智能垃圾桶等。

(3)配套公共建筑能源消費場景,如園區內配套的商業建筑、休閑建筑、文化建筑等小型建筑。

(4)產業建筑補充能源場景,如夜間景觀照明、消防樓梯、消防通道、公共展廳等。

5 展望

綜上所述,“光儲直柔”技術在智慧園區中的應用已有較好的技術支撐,但面臨著能源總量小、直流電器生態不健全、儲能成本較高的問題。但“光儲直柔”技術是實現園區低碳智慧發展的重要途徑,未來將有以下發展趨勢。

(1)全過程集成技術。構建“光儲直柔”多種技術的協同配合體系,實現將建筑打造成為能源系統集生產、消費、調蓄功能“三位一體”的全過程目標。對建筑領域的光、儲、直、柔產品進行模塊化設計,對接口進行標準化,實現全過程各個環節的即插即用(plug and play)[23]。

(2)智慧化控制技術。隨著人工智能、機器學習等計算機技術的飛速進步,電源側、用戶側的負荷預測技術也獲得快速發展,為精準的用電調配提供了重要技術手段。智慧化數字化控制技術將成為“光儲直柔”系統中重要的支撐技術,幫助實現更好的用戶側柔性用能和系統響應[24]。

(3)從建筑擴展到更宏觀的層面加大應用。傳統的建筑主要承擔能源消費者的角色,已建成的建筑進行“光儲直柔”改造往往難度較大[25]。各類園區、社區、城區的空間規模大,有利于光伏和儲能的部署;園區公共直流用能設施比例高,如路燈、充電樁等為“光儲直柔”提供了更豐富的應用場景;智慧園區平臺為柔性能源控制提供了數據和算法支撐。園區“光儲直柔”有利于形成產業集聚發展與城市生活居住的不同空間有機生長。

(4)應結合“雙碳”目標植入前期規劃與設計。賀克斌[26]提出碳中和目標下的碳減排實現路徑主要可分為5個板塊,即資源增效減碳、能源結構降碳、地質空間存碳、生態系統固碳和市場機制融碳?！肮鈨χ比帷毙滦湍茉聪到y是建筑運行階段實現碳中和的重要路徑,與“五碳并舉”的思路不謀而合。深入開發“光儲直柔”關鍵技術,將“雙碳”目標植入園區前期規劃與設計,靈活整合多種能源,必將促進城市建設和新能源技術進一步發展,助力實現2060碳中和目標。