建筑光伏儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述*

王利珍, 季 亮, 孫銘悅, 楊將鐸, 張改景

(1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司, 上海 201108;2.西安建筑科技大學(xué), 陜西 西安 710055)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,能源的需求量越來越大,傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量日益減少,由化石燃料引起的環(huán)境污染卻變得日益嚴(yán)重[1]。我國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)將逐步推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源改革,以風(fēng)電和光伏發(fā)電為主的可再生能源比例將逐步提高,新型電力系統(tǒng)和氫能的應(yīng)用將明顯改善[2]。

目前,很多學(xué)者致力于可再生能源研究。太陽能由于資源豐富和環(huán)境友好,一直備受關(guān)注[3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)若大規(guī)模接入電網(wǎng),會(huì)對(duì)電網(wǎng)的功率穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻和安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)[4]。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速充放電,打破了電力發(fā)、輸、供、用同時(shí)性的固有屬性,能夠適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的需求[5]。光伏加儲(chǔ)能系統(tǒng)可解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題,推動(dòng)新能源的廣泛應(yīng)用。

在過去的30年中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列關(guān)于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究,但是光伏儲(chǔ)能技術(shù)在建筑中如何同電力負(fù)荷需求高效協(xié)調(diào)運(yùn)行成為該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。為此,本文運(yùn)用Vosviewer對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑光伏儲(chǔ)能技術(shù)研究的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析,并對(duì)部分經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié),為未來建筑光伏領(lǐng)域的深入研究提供參考和借鑒。

本研究采用Vosviewer作為文獻(xiàn)計(jì)量工具。與其他知識(shí)圖譜工具相比,Vosviewer具有更加卓越的可視化功能及更為精準(zhǔn)的運(yùn)算邏輯,可進(jìn)行文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類、演變等方面的分析,通過不同色調(diào)密度視圖展示研究熱點(diǎn)[6]。

1 研究熱點(diǎn)現(xiàn)狀特征

1.1 逐年趨勢(shì)分析

根據(jù)近20年的發(fā)文量統(tǒng)計(jì)可知,光伏儲(chǔ)能技術(shù)的研究歷程可分為3個(gè)階段。第一階段為2003—2007年,這一階段發(fā)文量較少,少于50篇。第二階段為2008—2018年,為穩(wěn)步增長(zhǎng)階段。這一階段我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,全球光伏產(chǎn)業(yè)跨入了發(fā)展的加速通道[7]。2009年,我國(guó)啟動(dòng)金太陽工程并配套財(cái)政激勵(lì)手段,以擴(kuò)大國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng);2013年,我國(guó)新能源的開發(fā)與利用重點(diǎn)在光伏發(fā)電上,強(qiáng)調(diào)全面推進(jìn)分布式發(fā)電系統(tǒng);2016年,國(guó)家發(fā)布“十三五”光伏發(fā)電發(fā)展規(guī)劃,這成為我國(guó)光伏事業(yè)發(fā)展的重要拐點(diǎn),這一階段的相關(guān)研究呈現(xiàn)飛速增長(zhǎng)的狀態(tài)。第三階段為2019—2022年,這一階段的發(fā)文量總體趨勢(shì)在飛速上升,但個(gè)別年份(如2019年、2022年)的發(fā)文量稍有波動(dòng)。

1.2 熱點(diǎn)分組研究

使用Vosviewer進(jìn)行分析,提取被引文獻(xiàn)中出現(xiàn)次數(shù)多于5次的高頻關(guān)鍵詞,構(gòu)成共詞聚類知識(shí)圖譜。聚類內(nèi)部的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高,共現(xiàn)分析圖中的圓球越大,表明該關(guān)鍵詞是該聚類的熱點(diǎn)研究主題。但是由于相同概念有多個(gè)詞語表達(dá),因此圓球大小并不能很好地表征聚類的研究主題,關(guān)鍵詞的合并對(duì)于聚類的熱點(diǎn)主題分析尤為重要。此外,有些聚類中各關(guān)鍵詞間聯(lián)系弱,沒有明顯的主題特征,并不能表達(dá)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),因此在熱點(diǎn)分析中可忽略。綜合考慮以上因素,可將研究主題歸置為光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能、容量配置、功率。

1.2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究時(shí)間相對(duì)較早,主要分為光伏發(fā)電和儲(chǔ)能理論研究及系統(tǒng)應(yīng)用研究。第一階段的研究主要是電池儲(chǔ)能在光伏發(fā)電中的應(yīng)用。2007年王磊等提出了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)于蓄電池容量的設(shè)計(jì)方法,提出了蓄電池的容量計(jì)算公式,總結(jié)了閥控密封鉛酸蓄電池(Valve Regulated Lead Acid Battery,VRLAB)的充放電特性,認(rèn)為充電狀態(tài)、溫度、放電速率為影響VRLAB蓄電池容量和壽命的主要因素,并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)性的維護(hù)方法[8]。2008年陳茂斌等闡釋了光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景,分析了釩電池的特點(diǎn)及成本,設(shè)計(jì)了釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[9]。此外,已有的電池模型還不能完全反映電池特性,因此需要對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行更精準(zhǔn)的建模與仿真[10]。李建林等以鋰電池儲(chǔ)能戴維南等效模型為基礎(chǔ),建立了一個(gè)考慮容量衰減、環(huán)境溫度、電流倍率等影響的電池單體改進(jìn)模型[11]。

之后出現(xiàn)了針對(duì)小型光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)。趙與輝介紹了家用光伏系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并分析各部分系統(tǒng)電路的原理和設(shè)計(jì),對(duì)比了光伏系統(tǒng)的最大功率追蹤控制方法,介紹了家用光伏系統(tǒng)的硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理,對(duì)光伏逆變離網(wǎng)電路、光伏逆變并網(wǎng)以及儲(chǔ)能電路分別做了仿真研究,仿真結(jié)果表明所選擇的電路與控制策略均可行[12]。張枝俊分析了小型戶用儲(chǔ)能式光伏發(fā)電系統(tǒng)各模塊的原理及特征,并設(shè)計(jì)計(jì)算了控制部分和硬件電路,通過仿真模擬證明該系統(tǒng)的實(shí)際意義[13]。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏的功率波動(dòng)帶來的問題是客觀存在且急需解決的,目前可采用的技術(shù)有多種,而儲(chǔ)能是其中較為成熟的方案。光伏儲(chǔ)能技術(shù)已成為光伏并網(wǎng)的必要條件,也是未來智能電網(wǎng)建設(shè)的重要保證。

1.2.2 儲(chǔ) 能

電力存儲(chǔ)技術(shù)普遍應(yīng)用在智能電網(wǎng)自發(fā)電至用電的各個(gè)環(huán)節(jié),儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式能源發(fā)電和微電網(wǎng)中[14-18]起著重要的作用。在儲(chǔ)能電池方面,葉季蕾等比較了各類電池儲(chǔ)能的技術(shù)特性和經(jīng)濟(jì)特性,分析了可再生能源發(fā)電中儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行條件和特性需求[15]。儲(chǔ)能系統(tǒng)通常需要頻繁地儲(chǔ)存及釋放較大電能,以保證電網(wǎng)內(nèi)部的瞬時(shí)功率平衡及直流母線電壓平穩(wěn),但這會(huì)影響蓄電池的使用壽命[19-20]。吳紅斌等通過對(duì)蓄電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將SOC作為蓄電池充、放電的判斷值,設(shè)計(jì)了蓄電池自主充、放電的控制方法[21]。文波等利用超級(jí)電容對(duì)母線高頻部分功率缺口進(jìn)行補(bǔ)償,同時(shí)配合蓄電池間接補(bǔ)償母線低頻部分的功率缺額,提出了可平滑調(diào)節(jié)蓄電池電流的適用于直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能控制結(jié)構(gòu)及控制策略[22]。陳玲艷等設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的雙向DC/DC變換器,應(yīng)用于直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)功率,在功率短缺時(shí)供給功率,功率冗余時(shí)消納功率,維持功率穩(wěn)定[23]。張夢(mèng)田以年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了混合儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型,可有效平抑光伏功率波動(dòng),并保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性[24]。

近年,氫儲(chǔ)能的相關(guān)研究逐漸興起。氫儲(chǔ)能具有清潔、容量大的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)具有重要意義。司楊等考慮到動(dòng)態(tài)熱平衡對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響,設(shè)計(jì)了風(fēng)-氫混合系統(tǒng)并建立了數(shù)學(xué)模型,提出了提升儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的容量?jī)?yōu)化配置方法[25]。許傳博等認(rèn)為氫儲(chǔ)能在儲(chǔ)存容量和放電時(shí)長(zhǎng)等性能指標(biāo)上可滿足新型電力系統(tǒng)的要求,但在投資成本和轉(zhuǎn)化效率方面仍有一定差距,氫儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用缺乏相應(yīng)的政策激勵(lì)機(jī)制,仍存在標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善甚至尚屬空缺的問題[26]。

1.2.3 容量配置

容量配置的研究時(shí)間相對(duì)較短。由于光伏發(fā)電易受天氣因素影響,因此其在運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性和間歇性,該特征干擾了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性。很多文獻(xiàn)研究了光伏出力預(yù)測(cè)問題,而光伏出力的隨機(jī)性和間歇性導(dǎo)致了其預(yù)測(cè)存在一定的誤差[27-30]。為了平滑光伏系統(tǒng)功率的波動(dòng)性,通常配置相應(yīng)容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本較高且其功率和容量配置與系統(tǒng)的安全性和可靠性息息相關(guān),因此,儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的容量?jī)?yōu)化配置是當(dāng)前研究領(lǐng)域亟待解決的問題[31]。

將近年來光儲(chǔ)容量配置的主要文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié),得到光儲(chǔ)容量配置相關(guān)方法匯總?cè)绫?所示。謝石驍綜合考慮混合儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)約束及裝置成本,提出了一種基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的混合儲(chǔ)能容量配置方法,可有效防止短時(shí)風(fēng)電劇烈波動(dòng)導(dǎo)致的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本增加[32]。付譽(yù)旸基于青海地區(qū)歷史光伏功率數(shù)據(jù),建立了容量?jī)?yōu)化配置模型,構(gòu)造了集合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),并以某示范工程驗(yàn)證了優(yōu)化模型及指標(biāo)的可行性[33]。曹立霞等研究用戶側(cè)儲(chǔ)能,以投資及運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo),提出了一種可提高投資回報(bào)的家庭儲(chǔ)能容量雙層優(yōu)化模型[34]。丁逸行等同樣以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo),構(gòu)建了負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能配置雙層規(guī)劃模型,解決了儲(chǔ)能的容量規(guī)劃及充、放電策略問題[35]。趙安軍等研究分析了青海地區(qū)農(nóng)村家庭新能源系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置問題,基于用戶用能習(xí)慣提出了用戶分類配置方法以及用戶間能量調(diào)度的運(yùn)行策略,采用改進(jìn)蝴蝶優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解,并以青海省典型農(nóng)村家庭為例進(jìn)行仿真,有效提高了微電網(wǎng)的用能經(jīng)濟(jì)性與能源利用率[36]。李玲玲等針對(duì)多目標(biāo)建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型,采用改進(jìn)的差分進(jìn)化鯨魚算法,求解得到最優(yōu)配置[37]。李奇等將氫儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于孤島直流微電網(wǎng),提出微網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置方法,采用粒子群優(yōu)化算法求解具體算例,得到綜合經(jīng)濟(jì)性與供電可靠性最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果[38]。

1.2.4 功 率

在蓄電池的能量?jī)?chǔ)存管理及使用方面,光伏發(fā)電系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)能顯著提高可再生能源發(fā)電的效率和穩(wěn)定性。而儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑控制策略對(duì)光伏的輸出功率波動(dòng)阻抑效果有直接的影響[39-40]。文獻(xiàn)[41-42]通過滑動(dòng)平均濾波獲取滿足風(fēng)電場(chǎng)最大輸出功率變化率限制的參考功率,通過變分模態(tài)分解,將波動(dòng)功率恰當(dāng)分配給超級(jí)電容器和鋰電池,提出模糊控制,結(jié)合兩者實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)偏差值二次分配混合儲(chǔ)能裝置的輸出功率,有效地平抑了風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)。黃羚等提出了一種衡量波動(dòng)抑制效果的指標(biāo),并在基本濾波控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),提出了基于SOC調(diào)整的控制方法[43]。王敏濤等采用多輸入模糊控制對(duì)輸出功率波動(dòng)率和電池荷電狀態(tài)進(jìn)行在線優(yōu)化,提出了光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略,有效解決了光伏電站儲(chǔ)能輸出功率平穩(wěn)的問題[44]。李想等將飛輪儲(chǔ)能納入研究范圍,針對(duì)超級(jí)電容器-飛輪-蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng),將不平衡功率拆解為高、中、低,以儲(chǔ)能系統(tǒng)的年平均成本最小為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建了容量?jī)?yōu)化配置模型,并通過仿真驗(yàn)證了該模型的合理性[45]。

表1 光儲(chǔ)容量配置相關(guān)方法匯總

2 建筑光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

光儲(chǔ)充放與直流配電技術(shù)是未來建筑高效消納可再生能源、降低分布式能源對(duì)電網(wǎng)沖擊的變革性技術(shù)。在光儲(chǔ)直柔微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)方面,采用低壓直流配電技術(shù)的示范工程能夠有效提升分布式能源微網(wǎng)的穩(wěn)定性。建筑光儲(chǔ)示范工程案例匯總表如表2所示。文獻(xiàn)[46-47]利用山西農(nóng)村自然和社會(huì)條件優(yōu)勢(shì),建立能源互通的純直流微網(wǎng),有效解決了光伏消納、余電穩(wěn)定上網(wǎng)、網(wǎng)內(nèi)電力結(jié)算等問題。李雨桐等在凈零能耗辦公建筑中應(yīng)用低壓直流配電技術(shù),實(shí)現(xiàn)母線側(cè)電壓響應(yīng)柔性控制和用戶側(cè)需求響應(yīng)柔性控制[48-49]。此外,國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司在蘇州吳江投運(yùn)中低壓直流供用電系統(tǒng)示范工程,實(shí)現(xiàn)大范圍直流配電和高比例新能源接入[50]。在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面,王昊晴等認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建筑評(píng)估、柔性控制、電氣設(shè)備、直流家電和建筑用電池儲(chǔ)能等方面的標(biāo)準(zhǔn)工作應(yīng)優(yōu)先推進(jìn)[51]。在技術(shù)研究方面,劉曉華等認(rèn)為需要對(duì)直流電器、直流變換器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行深入研發(fā),并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法、調(diào)控策略和響應(yīng)方法進(jìn)行研究[52]。

表2 建筑光儲(chǔ)示范工程案例匯總表

3 結(jié) 語

隨著建筑領(lǐng)域高比例可再生能源的應(yīng)用,建筑光伏發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。建筑光儲(chǔ)系統(tǒng)承載了新的功能,兼具發(fā)電、儲(chǔ)能、削峰等功能。建筑用電特征、光伏發(fā)電特征、儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)控制都需要深入研究,對(duì)建筑光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置需要建立科學(xué)的方法。如何保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性與可靠性是極為重要的問題,因此容量?jī)?yōu)化配置和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率成為近年的研究熱點(diǎn)。在上述類型的研究中,絕大多數(shù)為技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展類型的研究,而發(fā)-儲(chǔ)-調(diào)-用-荷多功能協(xié)同性、系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值分析、效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)類的研究較少,需進(jìn)一步深化和完善。