光伏發(fā)電儲(chǔ)能充電一體化應(yīng)用分析

李曉琛

（遼寧省市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 廣州分公司，廣東 廣州 518106）

0 引 言

光伏發(fā)電是新能源的一種主要應(yīng)用，業(yè)內(nèi)提出了“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的理念，但目前大量項(xiàng)目更多考慮“余電上網(wǎng)”的賣電模式。在此背景下，部分廠家提出了發(fā)電儲(chǔ)能充電的一體化應(yīng)用模式，是新能源界的新型組合。這種模式更強(qiáng)調(diào)的是“自發(fā)自用”的部分，余電可結(jié)合充電設(shè)施的使用自儲(chǔ)自用，更加靈活多樣，適用于更多的項(xiàng)目。

1 光伏發(fā)電儲(chǔ)能充電一體化系統(tǒng)架構(gòu)綜述

光伏發(fā)電儲(chǔ)能充電一體化系統(tǒng)是新能源界的新型組合，光儲(chǔ)充一體化解決方案通過能量存儲(chǔ)和優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷基本平衡。該系統(tǒng)能獨(dú)立運(yùn)行，自發(fā)自用、余電存儲(chǔ)，緩解了充電樁等大功率用電設(shè)施對電網(wǎng)的沖擊。在能耗方面，使用儲(chǔ)能系統(tǒng)給動(dòng)力電池充電，并利用峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)，提高了能源轉(zhuǎn)換效率，降低了用電成本。利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收低谷電能，并在高峰時(shí)期支撐快充負(fù)荷。同時(shí)以光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，有效減少充電站高峰期的電網(wǎng)負(fù)荷，在提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)，為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)功能。光儲(chǔ)充一體系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 光儲(chǔ)充一體系統(tǒng)原理

2 光伏系統(tǒng)

在有限的土地資源上建設(shè)光儲(chǔ)充一體化電站，有條件的情況下可以采用附近屋頂光伏和停車場雨棚光伏。多個(gè)光伏組件匯合接到光伏直流匯流箱，經(jīng)光伏逆變器接入電網(wǎng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因地制宜的使用，有效解決了太陽能光伏組件的發(fā)電、放電、供電以及能量在傳輸過程中的轉(zhuǎn)化問題，保障整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電的可靠、高效、安全性，使電站發(fā)電得以穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，市場上主流的光伏板有單晶硅光伏板和多晶硅光伏板。其中，單晶硅光伏板的效率較高，在相同的面積內(nèi)具有更高的發(fā)電量，在需要發(fā)電面積有限但效率要求較高的場景下比較適合使用，如住宅屋頂、商業(yè)用房等。阿爾卡薩光伏發(fā)電站位于卡塔爾首都多哈以西約80 km 處，是世界上最大的光伏發(fā)電站之一。該光伏發(fā)電站的裝機(jī)容量為1 GW，每年可發(fā)電約1.6 TW·h，可以滿足超過10 萬戶家庭的用電需求，其使用的就是這種單晶硅光伏板。多晶硅光伏板的制造成本較低，價(jià)格相對便宜，但相對單晶硅光伏板的效率較低。多晶硅光伏板通常用于面積較大、效率要求相對較低的場景，如工業(yè)廠房、停車場、農(nóng)田等。

另外，市場上有一些新興材料的光伏板，但暫時(shí)市場占有率低。（1）柔性光伏板。柔性光伏板具有可塑性，可以方便地彎曲和裁剪，適用于特殊場景，如戶外野營、戶外運(yùn)動(dòng)以及物流運(yùn)輸?shù)?。一般比較薄且輕便，適合在需要輕負(fù)荷的場景中使用。（2）有機(jī)光伏板。有機(jī)光伏板由于材料可塑性高、透明度好，可以被集成到建筑材料中，如玻璃幕墻、屋頂和窗戶中，這種應(yīng)用場景比較適合于商業(yè)用房和高檔住宅等。（3）染料敏化光伏板。這種類型的光伏板使用染料敏化膜代替硅電池來控制太陽能轉(zhuǎn)換。染料敏化光伏板具有制造工藝簡單、輕薄透明、可彎曲和低成本等優(yōu)點(diǎn)。（4）硫化鎘光伏板。硫化鎘光伏板采用硫化鎘作為半導(dǎo)體材料，具有高效率和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，適用于低光照、高溫等極端條件。（5）碲化物光伏板。碲化物光伏板采用碲化物代替硅片，效率更高，但目前成本較高，主要用于高端應(yīng)用場景。（6）鈣鈦礦光伏板。這種類型的光伏板使用鈣鈦礦材料作為光吸收材料，具有高效率、生產(chǎn)工藝簡單等特點(diǎn)。各類型光伏板的性能對比如表1 所示。

表1 各類型光伏板的發(fā)電效率

在實(shí)際選型中，需按照實(shí)際用電量計(jì)算，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，以及考慮到預(yù)算條件下的性價(jià)比因素，選擇能滿足性能需求、且能夠長期穩(wěn)定使用的太陽能電池板組件。同時(shí)需要了解太陽能電池板的安裝方式、維護(hù)周期、保修期等相關(guān)事項(xiàng)，并盡量考慮光伏板與建筑物的結(jié)合。光伏板和建筑物的結(jié)合考慮建筑物的朝向、傾角、太陽能收集效率等多種因素，還需要考慮光伏板的外觀和美觀性，以確保其與建筑物的外觀相協(xié)調(diào)。通過合理的設(shè)計(jì)和安裝，光伏板與建筑物可以結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對能源的高效利用和建筑物的可持續(xù)發(fā)展。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文討論的儲(chǔ)能系統(tǒng)是以自發(fā)自用為主體的光伏發(fā)電用的儲(chǔ)能系統(tǒng)，為電池式系統(tǒng)。電容式儲(chǔ)能系統(tǒng)更適合發(fā)電上網(wǎng)的系統(tǒng)，因而不做討論。

目前，太陽能發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能常用的電池有鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池。其中，鉛酸電池成本較低，功率密度也較低，體積較大且壽命較短，適合小型太陽能系統(tǒng)使用；磷酸鐵鋰電池能夠提供更高的功率密度和更長的壽命，但是成本較高，適合大型太陽能系統(tǒng)使用。另外，由于鈉離子電池原材料的成本比鋰電池低30%～40%，在未來鈉離子電池可能會(huì)取代鋰電池成為儲(chǔ)能的主流方案。

具體應(yīng)用中，需根據(jù)光伏發(fā)電站運(yùn)行的不同目的來選擇儲(chǔ)能電池。除滿足儲(chǔ)能電池正常使用的環(huán)境溫度、相對濕度、海拔高度等環(huán)境條件之外，還需將儲(chǔ)能電池的循環(huán)壽命、儲(chǔ)能效率、最大儲(chǔ)能容量、能量密度、功率密度、響應(yīng)時(shí)間、建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及技術(shù)成熟度等因素作為衡量各種儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，在不同的應(yīng)用場合關(guān)注不同的指標(biāo)[1]。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電池式儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)一般包括以下幾個(gè)部分。（1）電池組。電池組是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分，由多個(gè)電池單元組成。電池組的容量和電壓等參數(shù)要根據(jù)應(yīng)用場景和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用多芯片并聯(lián)或串聯(lián)的形式進(jìn)行組裝。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電池組負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和釋放電能。（2）充電模塊。負(fù)責(zé)將外部電源中提供的電能進(jìn)行充電，并控制充電過程，保證充電的安全性和高效性。（3）放電模塊。負(fù)責(zé)將儲(chǔ)存的電能釋放出來，向負(fù)載輸出電能，能夠適應(yīng)各種功率和電壓要求的負(fù)載。通常放電過程也需要電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）的控制和保護(hù)。（4）電池管理系統(tǒng)。BMS 是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)監(jiān)測電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并對電池組狀態(tài)進(jìn)行管理和保護(hù)。此外，BMS 還負(fù)責(zé)控制充電和放電過程，并提供各種故障報(bào)警、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。（5）DC/AC 變換器。將電池組輸出的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載的交流電，以供電設(shè)備使用。如果需要將直流能量儲(chǔ)存到電網(wǎng)中，還需要加入逆變器模塊。（6）供電系統(tǒng)保護(hù)及檢測模塊。負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的過電流、過溫、過電壓、電池短路等保護(hù)和檢測功能，保證系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2 儲(chǔ)電量計(jì)算

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的計(jì)算需要考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載需求、發(fā)電量、儲(chǔ)能效率、項(xiàng)目耗電量以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種因素，以下是儲(chǔ)能系統(tǒng)容量計(jì)算的基本方法。（1）計(jì)算負(fù)載需求。首先需要確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載需求，包括日常用電和備用電力需求等。根據(jù)負(fù)載需求，可以計(jì)算出儲(chǔ)能系統(tǒng)每日需要供應(yīng)的能量。（2）估算發(fā)電量。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件數(shù)量、類型、朝向、傾角、地理位置等因素，可以估算出每日的平均發(fā)電量。需要注意的是，發(fā)電量隨著天氣、季節(jié)等因素的變化而有所波動(dòng)，因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。?）確定儲(chǔ)能效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率對儲(chǔ)能容量的需求有很大影響。一般而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率為50%～80%，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體確定。（4）計(jì)算儲(chǔ)能容量。根據(jù)以上3 個(gè)因素，可以計(jì)算出儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需求。計(jì)算公式為

式中：Cc為儲(chǔ)能電池容量，kW·h；D為最長無日照期間用電時(shí)數(shù)，h；F為儲(chǔ)能電池放電效率的修正系數(shù)，通常取1.05；P0為負(fù)荷容量，kW；U為儲(chǔ)能電池的放電深度，通常取0.5 ～0.8；Ka為交流回路的損耗率，通常取0.7 ～0.8。

另一種計(jì)算公式為

式中：Ed為每日發(fā)電量；E1為每日最長日照期間用電量。

此外，還要考慮系統(tǒng)發(fā)電量和系統(tǒng)估算耗電量的關(guān)系，若每日發(fā)電量大于每日耗電量，則按式（1）或者式（2）進(jìn)行計(jì)算；如果每日發(fā)電量小于每日耗電量，則儲(chǔ)能系統(tǒng)多數(shù)作用于“削峰填谷”，建議按式（3）進(jìn)行計(jì)算

式中：D2為最長高峰期用電時(shí)數(shù)，h；K為高峰期儲(chǔ)能系統(tǒng)供電替代率，通常取0.1 ～1。

需要注意的是，上面計(jì)算的是每日儲(chǔ)能的容量，為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，建議將儲(chǔ)能容量的計(jì)算結(jié)果向上取整，留一定的余量。一般設(shè)施用電可以取3 ～5 d 的用電時(shí)數(shù)。對于重要設(shè)施的用電負(fù)荷則需適當(dāng)增加蓄電池容量，可以取7 ～14 d 的用電時(shí)數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體情況和需求，結(jié)合成本預(yù)算和運(yùn)維成本等因素進(jìn)行綜合評估和計(jì)算[2]。

4 充電設(shè)施

充電設(shè)施主要是為電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等電動(dòng)交通工具供電的設(shè)施，按照功能可以分為以下幾類。（1）汽車充電樁，是為電動(dòng)汽車供電的設(shè)施，一般有7 kW 的慢充或30 ～60 kW 的快充[3]；（2）單車充電樁，一般是為電動(dòng)自行車、摩托車等小型電動(dòng)車輛供電的設(shè)施，采用小型充電插口和快速充電技術(shù)，具有便攜、高效的特點(diǎn)；（3）換電式電池柜，主要針對電動(dòng)車輛的充電需求而設(shè)計(jì)，通過交換電池的方式快速為車輛充電，解決了長時(shí)間等待充電的問題，通常應(yīng)用在電動(dòng)自行車、電動(dòng)公交車以及部分使用換電式車載電池的家用車。

5 一體化應(yīng)用場景分析

5.1 一體化停車場/停車庫

通過在停車場或停車庫頂部安裝光伏發(fā)電板，可以利用太陽能發(fā)電，在停車場/停車庫內(nèi)實(shí)現(xiàn)照明、電動(dòng)汽車充電等功能，并將多余電能存儲(chǔ)在電池中，以備晚上或充電高峰期使用，不僅可以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，還可以為環(huán)保做出貢獻(xiàn)。

這種應(yīng)用是目前市場上最早推行的一種光儲(chǔ)充應(yīng)用的項(xiàng)目場景。以露天停車場搭設(shè)太陽能雨棚為例，一個(gè)汽車車位可以搭建12 m2的太陽能雨棚，每小時(shí)發(fā)電效率以150 W/m2來估算（理想情況下，考慮光伏板效率及電池效率帶來的衰減，其余估算同此），每小時(shí)發(fā)電量約為1 800 W。按照有效發(fā)電時(shí)間為5 h，共可發(fā)電9 kW·h。以目前主流新能源車車載電池75 kW·h 的容量，慢充7 kW，快充30 ～60 kW的充電樁配置，可以節(jié)約1%～5.5%的傳統(tǒng)能源使用。這個(gè)占比看起來似乎偏小，但隨著停車場的停車規(guī)模增大，充電樁同時(shí)使用率降低，而總發(fā)電量增加，那么這個(gè)數(shù)據(jù)還有提升空間。另外，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入，可以在充電客流較小的時(shí)段將電能儲(chǔ)存起來，用以補(bǔ)充高峰及高電價(jià)時(shí)段的用電。如果該停車場提供了電動(dòng)自行車的充電停放服務(wù)，一個(gè)車位大概1.2 m2，以每小時(shí)發(fā)電效率150 W/m2來估算，每小時(shí)發(fā)電量約為180 W。對于電動(dòng)自行車的充電功率200 W，光伏發(fā)電的替代率可以達(dá)到70%以上，特別是有一定規(guī)模后，發(fā)電量很可能超出用電量，這個(gè)比例還可以提高，甚至在天氣好的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)100%替代傳統(tǒng)能源。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合換電式充電柜作為一種補(bǔ)充，余電的使用率和光電的使用率都可以進(jìn)一步提高[4,5]。

5.2 大中型住宅小區(qū)

5.2.1 住宅小區(qū)

在住宅小區(qū)內(nèi)安裝光伏發(fā)電板，可以為小區(qū)內(nèi)的公共區(qū)域供電，如照明、電梯等，并存儲(chǔ)多余的電能以保證24 h 供電。此外，住宅小區(qū)還可以設(shè)置充電裝置以滿足業(yè)主的電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車的充電需求。

以廣東地區(qū)一個(gè)中型住宅小區(qū)為例，該小區(qū)的建筑面積為15 萬m2，為20 棟二類高層住宅。每棟樓的天面面積約為500 m2，采取每棟樓35%的面積制作光伏板，即每棟樓有175 m2，屋面太陽能光伏板共3 500 m2。小區(qū)室外設(shè)置太陽能停車棚、雨棚等發(fā)電設(shè)施，共3 000 m2，總共有6 500 m2的光伏板面積。以夏季為例，按照有效發(fā)電時(shí)間為5 h，每小時(shí)發(fā)電效率150 W/m2來估算，每小時(shí)可發(fā)電975 kW·h，每天可發(fā)電4 875 kW·h，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤0.6 t 的發(fā)電量。該部分可用于日常公區(qū)用電或者商業(yè)充電樁用電，富余的電量可以通過儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來，在下班時(shí)間居民汽車充電高峰期進(jìn)行補(bǔ)償，減少充電樁高峰用電對電網(wǎng)的沖擊。在很多老舊小區(qū)，原來電網(wǎng)未考慮汽車充電樁的用電，而隨著新能源車越來越多，大量居民家用充電樁及物業(yè)商用快速充電樁的用電需求與電網(wǎng)裝機(jī)容量不足的矛盾突出，致使很多小區(qū)業(yè)主無法實(shí)現(xiàn)就近充電。本小區(qū)若使用光儲(chǔ)充一體的系統(tǒng)方案，預(yù)計(jì)每天發(fā)電量可以滿足65 臺(tái)以上的家用新能源車（按每輛車車載電池容量75 kW·h 計(jì)算）從低電量至充滿電的能量需求，有效緩解此矛盾。

5.2.2 工業(yè)廠區(qū)

在工業(yè)廠區(qū)內(nèi)，可以利用廠房頂部及閑置場地安裝光伏發(fā)電板發(fā)電，動(dòng)輒一兩萬平方米建筑面積的工業(yè)廠區(qū)利用起來發(fā)電量比較可觀。通過增加儲(chǔ)能系統(tǒng)將過剩的電能存儲(chǔ)起來，以便在工廠負(fù)荷高峰期間使用或者為重要負(fù)荷提供多一路備用電源，這樣有助于減少對電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，并降低電費(fèi)成本。但大部分工業(yè)廠區(qū)自身的總用電量比較大，特別是生產(chǎn)工藝的耗電量很可能占據(jù)大頭，發(fā)電量雖然可觀，但是依然遠(yuǎn)小于用電量。因此，這類項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量不宜設(shè)置太大，并且建議結(jié)合辦公區(qū)、生活區(qū)的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、應(yīng)急電源（Emergency Power Supply，EPS）電池組系統(tǒng)、電動(dòng)自行車換電柜以及新能源車載電池等作為儲(chǔ)能設(shè)備。

5.3 商業(yè)辦公綜合體

商業(yè)辦公綜合體通常情況下有較大的用電負(fù)荷，如果采用光伏發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，則可降低商業(yè)辦公綜合體的用電成本，并降低對傳統(tǒng)能源的依賴。特別是大型商業(yè)體為了吸引客流，經(jīng)常有配置快速充電樁的需求，快速充電樁通常單槍30 kW 以上，部分廠家甚至有60 kW 以上的規(guī)格，配置數(shù)量較多的話，高峰期對電網(wǎng)的要求仍然比較大。通過光伏加儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置，可以平滑商業(yè)高峰期的用電需求，減少一定的變壓器高負(fù)載率時(shí)間，從而降低裝機(jī)容量，延長設(shè)備壽命，同時(shí)節(jié)省的電費(fèi)可以減輕運(yùn)營成本。對于供電可靠性要求較高，需要設(shè)置備用電源的負(fù)荷，可以通過利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量作為備用電源，從而減少發(fā)電機(jī)、UPS 電源等備用電源的配置數(shù)量。

5.4 別墅類居住產(chǎn)品

別墅類（包含農(nóng)民自建房）居住產(chǎn)品的面積較大，如果安裝光伏發(fā)電板就可以為居住產(chǎn)品供電，降低用電成本，并為業(yè)主提供一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的住宅環(huán)境。多余的電能也可以通過電池系統(tǒng)儲(chǔ)存，保證日間能源供應(yīng)，并在晚間或陰雨天使用備用的儲(chǔ)能電池。另外，別墅類居住產(chǎn)品可能地處供電可靠性較低的區(qū)域，光伏發(fā)電加儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高用電可靠性。對于有新能源車的業(yè)主，配置家庭充電樁可以提高光伏發(fā)電的利用率，汽車的電池也可以作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種補(bǔ)充。另外，隨著智能家居系統(tǒng)技術(shù)越來越普及，系統(tǒng)可靠性要求越來越高，其后備電源系統(tǒng)也是未來的一種儲(chǔ)能形式的擴(kuò)充。智能家居系統(tǒng)的后備電池是一種與家庭太陽能電池板或智能電力管理系統(tǒng)搭配使用的后備電池，可以為家庭或企業(yè)提供備用電量，滿足突發(fā)停電等緊急情況下的用電需求。新能源與智能家居的結(jié)合，相信也是未來的一項(xiàng)熱點(diǎn)研究。

6 結(jié) 論

光儲(chǔ)充一體化應(yīng)用隨著光伏發(fā)電效率越來越高、電池密度的提升、新能源汽車和電動(dòng)自行車對充電樁的需求日益增加，使得該方案的可應(yīng)用場景越來越多。如今，主流光伏板產(chǎn)品的價(jià)格也日益下降，投資經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢也逐漸凸顯。相信在不遠(yuǎn)的將來，有機(jī)光伏板等材料可以結(jié)合建筑造型設(shè)置，甚至更多作為幕墻、外窗的替代材料，并且轉(zhuǎn)換效率有更大的提升。光儲(chǔ)充一體化方案的使用價(jià)值將越來越大，將會(huì)越來越普及。