丁文軍, 宋明剛, 楊秋昊, 劉 馨, 楊 秀
(1.中建三局?jǐn)?shù)字工程公司, 武漢 430075; 2.武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院, 武漢 430027)
為了應(yīng)對全球氣候危機和能源問題,我國積極響應(yīng)全球碳減排的社會責(zé)任,明確提出了2030年實現(xiàn)“碳達(dá)峰”,2060年實現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示,我國僅各類工業(yè)園區(qū)就大約制造了全國二氧化碳排放的31%[1],從規(guī)劃建設(shè)方面引導(dǎo)各類園區(qū)的碳排增匯,可為我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)重要力量。
我國40多年的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,建筑高速增長,但因節(jié)能法規(guī)體系還不夠完備,建筑耗能排放量大,在建筑運行耗能產(chǎn)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(yè)和學(xué)者關(guān)心的重要問題。 國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)行動方案》(國發(fā)〔2021〕23號)在城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動方面提出建筑能效要提升城鎮(zhèn)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施運行管理智能化水平,優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)方面要提高建筑終端電氣化水平,建設(shè)集光伏發(fā)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(shù)在我國仍處于起步和探索階段,且主要用在建筑方面,應(yīng)用在園區(qū)的研究較少且缺乏實踐案例支撐。
智慧園區(qū)融合了新一代信息與通信技術(shù),支持園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),是園區(qū)中創(chuàng)新的、面向未來的園區(qū)。若智慧園區(qū)能夠率先實現(xiàn)“光儲直柔”技術(shù)應(yīng)用,將對其他各類園區(qū)實現(xiàn)凈零碳發(fā)展起到重要的引領(lǐng)示范。因此,本文系統(tǒng)梳理“光儲直柔”技術(shù)的概念和技術(shù)分類,結(jié)合光谷之星智慧園區(qū)項目的規(guī)劃實踐經(jīng)驗,探索“光儲直柔”技術(shù)應(yīng)用在園區(qū)的應(yīng)用方向。
“光儲直柔”技術(shù)簡稱PEDF(photovoltaics, energy storage, direct current and flexibility)?!肮狻笔侵竿ㄟ^太陽能光伏發(fā)電及其他可再生能源發(fā)電的能源利用形式;“儲”是指電力系統(tǒng)的電力儲能;“直”是指建筑內(nèi)使用低壓直流配用電網(wǎng)與電源連接;“柔”是指可靈活調(diào)節(jié)、錯峰用電的柔性用能形式?!肮鈨χ比帷奔夹g(shù)本質(zhì)是一種構(gòu)建碳中和目標(biāo)的新型建筑配電系統(tǒng)[2]。
基于中國知網(wǎng)(CNKI)和WOS(Web of Science)核心數(shù)據(jù)庫,檢索以“光伏直柔”為主題的所有中文文獻(xiàn)共計33篇,以“光伏發(fā)電”或“能量儲存”或“直流電”或“柔性”為檢索詞,和“產(chǎn)業(yè)園區(qū)”檢索詞取交集,共獲得169篇英文文獻(xiàn)。文獻(xiàn)圖譜是用文獻(xiàn)計量學(xué)可視化展現(xiàn)研究結(jié)構(gòu)及演變歷程的方法。CiteSpace是繪制文獻(xiàn)圖譜的常用工具。采用CiteSpace 6.1R3軟件對 “光儲直柔”的相關(guān)中英文文獻(xiàn)進(jìn)行分析。頻次是在相關(guān)領(lǐng)域中某關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計量。中心度的大小代表了在網(wǎng)絡(luò)圖譜中關(guān)鍵詞連接關(guān)系的強弱。
我國有關(guān)“光儲直柔”的研究源起于2021年1月。從國內(nèi)“光儲直柔”研究領(lǐng)域熱門的關(guān)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(fā)電”“辦公建筑”“儲能”。其他國家的研究雖然暫未統(tǒng)籌提出光伏發(fā)電、電力儲存、直流電和柔性4個關(guān)鍵詞結(jié)合起來的相關(guān)概念,但在每種領(lǐng)域的技術(shù)深化方面體系結(jié)構(gòu)相對完整。在產(chǎn)業(yè)園區(qū)用電研究的領(lǐng)域,對“系統(tǒng)”“模型”“設(shè)計”等詞的關(guān)注度較高,從中心度來看,“設(shè)計”“調(diào)度”“模型”“系統(tǒng)”在關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中起到了關(guān)鍵的連接作用(表1)。
表1 關(guān)鍵詞頻率
從聚類結(jié)果(圖1)上看,國內(nèi)的研究可以分為低碳建筑(#0)和需求側(cè)響應(yīng)(#1)兩大主題。具體而言:①2021年初,有關(guān)“光儲直柔”技術(shù)的討論興起,學(xué)者關(guān)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(shù)在建筑單體、鄉(xiāng)村建設(shè)、社區(qū)場景的應(yīng)用逐漸進(jìn)入探索和實踐階段;③對直流電的技術(shù)逐漸規(guī)范化,應(yīng)用研究更加安全、可靠,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更加具體、完善;④ “光儲直柔”技術(shù)在特定建筑及專業(yè)領(lǐng)域如軌道交通、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、商務(wù)建筑中的應(yīng)用嘗試得到進(jìn)一步剖析和總結(jié)。
圖1 國內(nèi)光儲直柔技術(shù)研究現(xiàn)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(shù)二階圓錐程序設(shè)計”。①早在2013年前后,就有對產(chǎn)業(yè)園區(qū)用電設(shè)計和多目標(biāo)優(yōu)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(diào)度成為研究熱點,分布式發(fā)電技術(shù)因其分散、靈活的特點備受關(guān)注;③在有了廣泛的理論研究和技術(shù)革新后,太陽能等清潔能源發(fā)電被嘗試運用在產(chǎn)業(yè)園區(qū)中,進(jìn)而引發(fā)了學(xué)者們對完善電力調(diào)配系統(tǒng)算法構(gòu)建和模型設(shè)計的一系列探索。
圖2 國外光儲直柔技術(shù)研究現(xiàn)狀
通過梳理WOS數(shù)據(jù)庫中的前沿英文文獻(xiàn),可以梳理出目前應(yīng)用于“光儲直柔”領(lǐng)域的主要建設(shè)技術(shù)手段(表2[4-18]),各種方法互相交叉、互為補充。在光伏發(fā)電方面,為了提高光能轉(zhuǎn)化為電能的效率,研究人員通過聚光設(shè)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(jìn)行創(chuàng)新。在儲能方面,儲能路徑主要分為電池儲能技術(shù)、建筑設(shè)施儲能技術(shù)和能源轉(zhuǎn)化技術(shù):酸鉛電池[5]和集成光伏電池儲能系統(tǒng)(BESS)[6]方向已有實踐案例;建筑設(shè)施如商業(yè)建筑新能源汽車停車場可以采用混合并網(wǎng)模式,將存儲能源釋放于公共負(fù)載[7];電能也可以和熱能[8-10]、天然氣[9]等能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化達(dá)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(zhuǎn)換損耗的優(yōu)點[11]。在柔性用電方面,目前的技術(shù)攻關(guān)主要集中在能源分配算法的創(chuàng)新和能源轉(zhuǎn)化過程的調(diào)度兩個層面:在算法上,評估不同類型建筑的產(chǎn)能和耗能[3]以及用能時段[12-13],可以調(diào)節(jié)光伏、電池、電網(wǎng)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(jīng)得到運用;能源轉(zhuǎn)化中通過將光伏電能轉(zhuǎn)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(lǐng)域及文獻(xiàn)[4-18]
光儲直柔技術(shù)主要分為4個系統(tǒng),包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、低壓直流配電系統(tǒng)和建筑能源柔性控制系統(tǒng),共同構(gòu)成了綠色能源傳輸應(yīng)用系統(tǒng)(圖3)。就單項技術(shù)而言,光、儲、直、柔的技術(shù)已有大量研究。表3[19-22]列舉了國內(nèi)“光儲直柔”技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和典型案例。研究發(fā)現(xiàn),目前“光儲直柔”技術(shù)主要應(yīng)用在建筑主體中,在園區(qū)、社區(qū)這種中觀層面的系統(tǒng)引用較少。
數(shù)據(jù)來源:江億院士團隊
表3 “光儲直柔”技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例[19-22]
(1)深化直流供配電技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究。主要是指適應(yīng)“光儲直柔”系統(tǒng)的設(shè)計分析方法、調(diào)控策略和響應(yīng)方法;以及關(guān)鍵直流產(chǎn)品研發(fā),如直流電器、直流變換器、配電設(shè)備等。目前,缺少合適的直流產(chǎn)品是“光儲直柔”實際應(yīng)用的瓶頸,該領(lǐng)域研究需要充分考慮產(chǎn)品適應(yīng)直流母線電壓變化的能力和系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)需求。此外,直流系統(tǒng)中主要部件產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化是當(dāng)前亟需開展的重要研究內(nèi)容。
(2)建筑領(lǐng)域“光儲直柔”組合應(yīng)用研究。主要包括利用建筑表面敷設(shè)光伏板生產(chǎn)清潔能源,建筑層面整體考慮儲能方式,在建筑內(nèi)建設(shè)直流配電系統(tǒng),通過建筑能源控制系統(tǒng)實現(xiàn)建筑整體柔性用能等。強調(diào)“光”“儲”“直”“柔”相關(guān)技術(shù)根據(jù)實際條件,2個類型以上的組合應(yīng)用,達(dá)到節(jié)能減排的優(yōu)化效果。
(3)完善對光儲直柔技術(shù)系統(tǒng)平臺的技術(shù)研究,主要集成技術(shù)包括平臺架構(gòu)、優(yōu)化配置算法、調(diào)節(jié)控制策略等。如優(yōu)化調(diào)節(jié)控制策略方面,可算法優(yōu)化配置合理的關(guān)鍵設(shè)備和儲能容量,既保證系統(tǒng)中合理的儲能調(diào)蓄能力,又不增加過多的化學(xué)電池等儲能成本。
現(xiàn)階段,“光儲直柔”在智慧園區(qū)里的應(yīng)用尚處于初期階段。為響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)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(qū)開展了“光儲直柔”的應(yīng)用與探索。
該智慧園區(qū)應(yīng)用了中建三局自主研發(fā)的智瓴智慧園區(qū)平臺,采用“1+3+7+N”系統(tǒng)架構(gòu)(圖4)進(jìn)行建設(shè)。在展示層,設(shè)立智慧運營中心,在應(yīng)用層,構(gòu)建了安全、設(shè)備、環(huán)境、能源、資管、服務(wù)、運營7大態(tài)勢28類173個應(yīng)用場景。其中的能源態(tài)勢板塊,采用了“光儲直柔”集成技術(shù),主要包括光伏發(fā)電、電動汽車儲能、直流供電、智能控制系統(tǒng)和柔性調(diào)節(jié)多項技術(shù)(圖5)。
圖4 智慧園區(qū)平臺架構(gòu)
該智慧園區(qū)的能源系統(tǒng)智慧化建設(shè)采用以下關(guān)鍵點實現(xiàn)“光儲直柔”技術(shù)應(yīng)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(shè)備;④柔性交互-柔性直流配電系統(tǒng)。
該園區(qū)辦公大樓屋頂采用單晶硅光伏發(fā)電,用于支持能源的光儲直柔融入建筑,實現(xiàn)光伏發(fā)電的高效就地消納,并在一層設(shè)置光儲直柔科技示范展廳。直流電主要應(yīng)用在全樓直流照明系統(tǒng),以及光伏直驅(qū)空調(diào)和直流辦公負(fù)載。該園區(qū)辦公建筑面積為5萬m2,按照近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn),估算建筑全年總能能耗約為250萬kWh,大于光伏發(fā)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(tǒng)與直流V2G(vehicle-to-grid)充電樁等實現(xiàn)儲能,儲能系統(tǒng)儲能量約1 000 kW·h。智能控制系統(tǒng)與直流供配電實時對光伏、儲能和用能進(jìn)行集成調(diào)控。除直流負(fù)載外,光伏電量可存儲樓宇儲能系統(tǒng)、新能源汽車及并入微網(wǎng),產(chǎn)能用能系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)。
3.3.1 太陽能光伏
本項目在總部塔樓及裙房屋頂設(shè)置單晶硅太陽能光伏板,裝機容量約459 kW,為“光儲直柔”系統(tǒng)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(fā)電量約44萬kW·h。光伏玻璃幕墻發(fā)電用于組建交流微網(wǎng)即傳統(tǒng)的逆變之后在配電房低壓母線側(cè)并網(wǎng)。
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(shè)施 (大樓內(nèi)帶蓄電池的充電設(shè)備)來實現(xiàn)分布式儲能,并在室外預(yù)留儲能預(yù)制艙安裝條件,后期根據(jù)大樓實際使用情況可靈活增設(shè)。儲能系統(tǒng)為“光儲直柔”提供滿足柔性配電調(diào)節(jié)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(fā)光二極管)燈具,直流負(fù)荷功率約14.4 kW。
直流空調(diào):兩層辦公樓共計6臺直流VRV(vacuum reducer valve,中央空調(diào))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(shè)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(qū)域構(gòu)建直流配電系統(tǒng),采用直流空調(diào)、照明、直流電熱水器、冰箱、咖啡機、手機充電器等設(shè)備,以展示模型和實體相結(jié)合的方式,進(jìn)行科普教育展示和技術(shù)推廣。
直流景觀設(shè)施:本項目結(jié)合景觀設(shè)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(tǒng),實現(xiàn)實時參數(shù)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(guān)閉指定房間電源,實現(xiàn)對辦公室和會議室等用電的精準(zhǔn)控制及能效管理。通過智慧中心云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)見性維護(hù),實現(xiàn)配電設(shè)備全生命周期管理,降低項目整體維護(hù)成本。智能配電系統(tǒng)框架如圖6所示。
3.4.1 經(jīng)濟效益
照明用能時間與光伏發(fā)電時間總體匹配,基于分布式儲能與能源互濟策略,實現(xiàn)可再生能源的100%本地消納。本項目光伏系統(tǒng)總裝機量539 kW,首年發(fā)電量44.3萬 kW·h,考慮組件發(fā)電效率衰減,25年光伏總發(fā)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(fā)電,可有效降低化石能源消耗,減少碳排放。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計的電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗308 g/(kW·h)標(biāo)準(zhǔn)計算,25年內(nèi)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 209 t。
在本項目實踐中,制約“光儲直柔”技術(shù)發(fā)展的因素主要有3個方面。
(1)光伏安裝場地受限,發(fā)電功率不足,不能為系統(tǒng)提供足夠多的能量。因此系統(tǒng)儲備能量不足,柔性調(diào)節(jié)能力不夠。
(2)目前市場上直流電器設(shè)備種類較少,直流電器生態(tài)不健全,影響系統(tǒng)構(gòu)建及增大后期維護(hù)成本。
(3)儲能系統(tǒng)建設(shè)成本較高,儲能密度不高,性價比難以達(dá)到使用要求。
智慧園區(qū)相對一般園區(qū),對能源數(shù)據(jù)的感知和診斷能力較強,智慧化技術(shù)快速提升“光儲直柔”集成系統(tǒng)能源供給的柔性。同時,園區(qū)相對于建筑,其建筑屋頂、側(cè)面、空地較多,可以園區(qū)為平臺進(jìn)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(jīng)過大量的文獻(xiàn)分析以及吸取智慧園區(qū)的實踐經(jīng)驗,結(jié)合園區(qū)能源“生產(chǎn)-儲存-供給-調(diào)配”的過程,提出基于五大建成環(huán)境系統(tǒng)的、全過程的智慧園區(qū)“光儲直柔”技術(shù)應(yīng)用框架圖(圖7)。主要通過“儲”和“柔”提升園區(qū)能耗的低碳智慧化發(fā)展。一方面通過多能源的電氣化存儲,為園區(qū)電氣化發(fā)展助力;另一方面主要采用智慧化技術(shù)手段,提高園區(qū)能源的柔性使用。
圖7 智慧園區(qū)光儲直柔技術(shù)在園區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用框架
園區(qū)邊界內(nèi)單位能耗較高、能源總量需求大,單靠“光儲直柔”集成技術(shù)無法解決園區(qū)的全部能源問題。建議園區(qū)通過該技術(shù),將光伏產(chǎn)能為核心的清潔能源供給為園區(qū)的補充能源,主要應(yīng)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(shè)施等。
(2)市政公用設(shè)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(qū)內(nèi)配套的商業(yè)建筑、休閑建筑、文化建筑等小型建筑。
(4)產(chǎn)業(yè)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。
綜上所述,“光儲直柔”技術(shù)在智慧園區(qū)中的應(yīng)用已有較好的技術(shù)支撐,但面臨著能源總量小、直流電器生態(tài)不健全、儲能成本較高的問題。但“光儲直柔”技術(shù)是實現(xiàn)園區(qū)低碳智慧發(fā)展的重要途徑,未來將有以下發(fā)展趨勢。
(1)全過程集成技術(shù)。構(gòu)建“光儲直柔”多種技術(shù)的協(xié)同配合體系,實現(xiàn)將建筑打造成為能源系統(tǒng)集生產(chǎn)、消費、調(diào)蓄功能“三位一體”的全過程目標(biāo)。對建筑領(lǐng)域的光、儲、直、柔產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計,對接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,實現(xiàn)全過程各個環(huán)節(jié)的即插即用(plug and play)[23]。
(2)智慧化控制技術(shù)。隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)等計算機技術(shù)的飛速進(jìn)步,電源側(cè)、用戶側(cè)的負(fù)荷預(yù)測技術(shù)也獲得快速發(fā)展,為精準(zhǔn)的用電調(diào)配提供了重要技術(shù)手段。智慧化數(shù)字化控制技術(shù)將成為“光儲直柔”系統(tǒng)中重要的支撐技術(shù),幫助實現(xiàn)更好的用戶側(cè)柔性用能和系統(tǒng)響應(yīng)[24]。
(3)從建筑擴展到更宏觀的層面加大應(yīng)用。傳統(tǒng)的建筑主要承擔(dān)能源消費者的角色,已建成的建筑進(jìn)行“光儲直柔”改造往往難度較大[25]。各類園區(qū)、社區(qū)、城區(qū)的空間規(guī)模大,有利于光伏和儲能的部署;園區(qū)公共直流用能設(shè)施比例高,如路燈、充電樁等為“光儲直柔”提供了更豐富的應(yīng)用場景;智慧園區(qū)平臺為柔性能源控制提供了數(shù)據(jù)和算法支撐。園區(qū)“光儲直柔”有利于形成產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展與城市生活居住的不同空間有機生長。
(4)應(yīng)結(jié)合“雙碳”目標(biāo)植入前期規(guī)劃與設(shè)計。賀克斌[26]提出碳中和目標(biāo)下的碳減排實現(xiàn)路徑主要可分為5個板塊,即資源增效減碳、能源結(jié)構(gòu)降碳、地質(zhì)空間存碳、生態(tài)系統(tǒng)固碳和市場機制融碳?!肮鈨χ比帷毙滦湍茉聪到y(tǒng)是建筑運行階段實現(xiàn)碳中和的重要路徑,與“五碳并舉”的思路不謀而合。深入開發(fā)“光儲直柔”關(guān)鍵技術(shù),將“雙碳”目標(biāo)植入園區(qū)前期規(guī)劃與設(shè)計,靈活整合多種能源,必將促進(jìn)城市建設(shè)和新能源技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,助力實現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)。