中國儲能網(wǎng)訊：在過去的三十多年，中國建筑節(jié)能取得了卓越的成就，新建建筑節(jié)能標準執(zhí)行率達到 100%，累計建設(shè)節(jié)能建筑面積達到 238 億平方米，節(jié)能建筑占比超過 63%，完成既有建筑節(jié)能改造近20 億平方米，建筑用能的可再生能源替代率超6%，建筑電氣化率接近50%。面向2060的碳中和未來，建筑需要從傳統(tǒng)的單一的電力消費者，逐步融合光伏、儲能、電動車轉(zhuǎn)型為“產(chǎn)、消、調(diào)蓄”三位一體的新角色，通過全面建設(shè)“光儲直柔”的建筑新型能源系統(tǒng)，解決發(fā)展零碳新型電力系統(tǒng)中面對的缺少風電光電安裝空間、缺少有效的調(diào)蓄能力等關(guān)鍵問題；也使建筑領(lǐng)域在全社會低碳發(fā)展大戰(zhàn)略下，不僅繼續(xù)在建筑節(jié)能上持續(xù)努力，同時還助力于新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，在開發(fā)可再生電力資源、實現(xiàn)可再生電力調(diào)蓄、有效消納風電光電等方面辟出新徑，破解零碳新型電力發(fā)展中的難題。
“光儲直柔(PEDF)”是配置建筑光伏(Photovoltaic)和建筑儲能(Energy Storage)，采用直流配電系統(tǒng)(Direct Current)，且用電設(shè)備具備功率主動響應功能(Flexibility)的建筑新型能源系統(tǒng)。“光儲直柔”技術(shù)是在建筑能效提升基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)電能替代與電網(wǎng)友好交互的新型建筑配電技術(shù)，是建筑領(lǐng)域支持碳中和目標的重要技術(shù)路徑。
在前期的政策、標準、技術(shù)及試點示范工程等綜合研究的支撐下，2021年10月國務院發(fā)布的《2030 年前碳達峰行動方案》明確提出“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。這是“光儲直柔”首次寫入國家級行動方案。在過去一年中，數(shù)十項國家和地方政策進一步明確了建設(shè)“光儲直柔”建筑的建議和要求。這些政策為光儲直柔的發(fā)展提供了重要的支撐，為光儲直柔的應用提供了廣闊的前景。
在近階段，“光儲直柔”正在如下三方面進行重點突破：
我國農(nóng)村可安裝屋頂光伏20億kW，年發(fā)電量2.5萬億kWh，是未來農(nóng)村實現(xiàn)全面電氣化后用電量的3~4 倍，在全面推廣農(nóng)機電氣化，有可能使每戶擁有60kWh以上的儲電能力(各類可移動農(nóng)機和車輛的電池)，這就為調(diào)蓄每戶屋頂光伏的電力提供了合適的儲能資源，既可以協(xié)調(diào)發(fā)電與各種用電之間在時間上的不匹配，還可以協(xié)調(diào)剩余電力與電網(wǎng)輸電能力及希望的輸電時間段之間的矛盾，從而有可能實現(xiàn)一個配電臺區(qū)或一個村莊電力的“只出不進”，也就是只通過農(nóng)網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出電力，而在任何時刻都不需從電網(wǎng)獲取電力，使得一個村莊成為一個發(fā)電廠， 實現(xiàn)“只發(fā)不收”，由單純的電力消費者轉(zhuǎn)身為電力生產(chǎn)者。
這將徹底改變農(nóng)村電力系統(tǒng)狀況: 對農(nóng)民來說，屋頂光伏將成為其新的經(jīng)濟收入; 對電力系統(tǒng)來說，農(nóng)網(wǎng)將從長期以來依靠財政補貼的包袱轉(zhuǎn)身變?yōu)榭蓪﹄娋W(wǎng)起一定支撐作用的新型電源。這是從未有過的電力系統(tǒng)架構(gòu)，需要從每戶、每個臺區(qū)變壓器以下的供電區(qū)、每個村莊的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全分析、運行調(diào)度等多方面進行全面研究、創(chuàng)新和工程嘗試與示范，也需要為這種全新架構(gòu)進行商業(yè)模式、融資方式、運行管理方式等方面進行全面探索。
大比例發(fā)展風電光電電源的瓶頸是由于缺少足夠儲能資源導致的大幅度棄風棄光。而我國預期到2040年將有3億輛私家電動車，日儲能能力150億 kWh以上，可滿足未來中東部地區(qū)風電光電消納任務的70%。私家車85%以上的時間停在住區(qū)或工作地點的停車場內(nèi)，如果實行“一位一樁”、“既停既插”，就有可能使?？寇囕v的車載電池服務于電網(wǎng)的峰谷差調(diào)節(jié)和風光電消納。停車場附近大多是居住或辦公的建筑，我國城鎮(zhèn)的高層、多層建筑屋頂光伏僅能提供建筑用電的15%~30%，若加上附近停車場通過充電樁連接的車載電池，可以在電網(wǎng)電力富足時(由于風電光電富足或處于用電低谷期)通過建筑對停車場車載電池充電，而在電網(wǎng)電力不足時由車輛放電來滿足建筑的用能。
這樣就使光伏建筑成為“只進不出”模式，使城鎮(zhèn)建筑加上其周邊?？康碾妱榆噧H在電網(wǎng)電力富足時從電網(wǎng)取電，滿足其需求，而在電網(wǎng)電力不足時則停止或最少的從電網(wǎng)取電。既協(xié)助電網(wǎng)削峰填谷，又不會因為反向送電給電網(wǎng)帶來麻煩。1萬平方米的辦公建筑加上100輛5座的電動車，全年用電約100萬kWh (建筑80萬kWh，車輛20萬kWh)，自身光伏發(fā)電10萬kWh (1000平方米)，日最大發(fā)電量1000kWh，不到車輛可使用儲電量的30%；通過車輛的儲能每天可以吸收低谷電力2000~3000kWh，轉(zhuǎn)移到電力負荷高峰期為建筑供電，從而助力電網(wǎng)的削峰填谷或消納外界風電光電 0.5~1MW，同時維持“只進不出”，不影響電網(wǎng)的潮流。在目前電力系統(tǒng)電源仍以火電為主時，停車場車輛僅是消納建筑自身光伏;而未來電網(wǎng)電源大比例為風電光電、停車場車輛也主要是電動車之后，則白天通過電網(wǎng)儲存外界多出的風電光電，夜間在駐地停車場通過充電樁放電，為居住建筑供電。
充分利用建筑外表面安裝光伏，建筑內(nèi)部設(shè)分布式蓄電，光伏、蓄電池、鄰近停車場的充電樁和建筑的電器設(shè)備直接接入建筑內(nèi)的直流配電網(wǎng)，通過直流配電網(wǎng)與外電網(wǎng)的AC/DC接口調(diào)節(jié)直流母線電壓實現(xiàn)對從外電網(wǎng)取電功率的調(diào)節(jié)和控制。蓄電池、充電樁以及連接在直流母線上的各種用電設(shè)備都根據(jù)直流母線電壓的變化自行調(diào)節(jié)自己的用電或充/放電功率，從而實現(xiàn)整個建筑從電網(wǎng)取電功率的調(diào)節(jié)。除了倉庫、會展中心、體育場館等特殊的可大比例安裝屋頂光伏的建筑，一般城鎮(zhèn)建 筑都可以是“只進不出”，但卻可大比例消納外電網(wǎng)的風電光電。
光儲直柔建筑由此成為連接電網(wǎng)和有序充電樁之間的橋梁，并且在未來零碳的新型電力系統(tǒng)中起到“生產(chǎn)、調(diào)蓄、消費”三位一體的重要作用。如果未來中國城鎮(zhèn)建筑中350億平方米的居住建筑和100億平方米的辦公建筑都成為這種配電模式，與3億輛私人電動車相配合，就足以實現(xiàn)40億kW 風電光電的調(diào)蓄和消納。這就解決了我國未來規(guī)劃的70億kW 風光電的60%的消納問題。雖然光儲直柔有這樣的潛力，但實際上，需要破解投資收益的難題，解決與電網(wǎng)互動協(xié)調(diào)的問題，使光儲直柔的柔性能夠真正發(fā)揮作用。
以上應用和目標使得發(fā)展城鄉(xiāng)建筑的光儲直柔成為我國未來實現(xiàn)以風電光電為主要電源的零碳電力的主要任務，是消納與調(diào)蓄風電光電的主要支撐。但目標的實現(xiàn)涉及城鄉(xiāng)建筑、車輛、農(nóng)機和電力系統(tǒng)的巨型工程，需要30到40 年的時間、15萬億的投資、以及全社會用電文化革命性變化才能實現(xiàn)。需要規(guī)劃技術(shù)路線、探索可行性、厘清技術(shù)、政策、 機制、產(chǎn)業(yè)、金融、文化等各個方面的障礙，并通過不同類型的典型工程的策劃與實施過程探索克服這些障礙的途徑，從而規(guī)劃出我國實現(xiàn)上述目標的路線圖，為這個宏偉目標的實現(xiàn)初步探討其可行路徑。
“光儲直柔”于2021年正式提出，在工程項目應用也在逐步展開，在農(nóng)村、辦公建筑、住宅建筑、既有商業(yè)建筑改造等不同類型、應用場景進行多種試點示范。探索光儲直柔在工程實踐中的技術(shù)方案、實施模式、識別障礙及破解這些問題的方法，摸索經(jīng)驗，為完善光儲直柔系統(tǒng)、推動未來工程的規(guī)?；瘧锰峁┲匾獙嵺`基礎(chǔ)。
莊上村位于山西省芮城縣黃河北岸的莊上村，是首個將光儲直柔系統(tǒng)在農(nóng)村落地的示范項目。項目屋頂光伏總裝機容量2MW，儲能600kWh，建設(shè)戶級和村級二級光儲直柔系統(tǒng)。項目目前已經(jīng)覆蓋了莊上村71戶村民，利用村民房屋屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，并在村內(nèi)改造建設(shè)直流微電網(wǎng)，同步配套建設(shè)儲能系統(tǒng)，形成“屋頂光伏+儲能+直流配電+柔性用電”的柔性直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，并結(jié)合“煤改電”等工程，為村民實現(xiàn)了光儲直柔+清潔取暖、村民生活全面電氣化、田間農(nóng)具電氣化、全電食堂，為零碳農(nóng)村的實現(xiàn)進行了可行的探索。
莊上村的示范工程光伏所發(fā)電量優(yōu)先用于供應村民使用，剩余電量送到村級光儲直柔系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計支持村內(nèi)各戶之間互濟以及與電網(wǎng)的能量交互。本示范項目實現(xiàn)了分布式光伏的高效消納，提升發(fā)電用電的能效和臺區(qū)間功率互濟的能力；解決了分布式光伏給電網(wǎng)帶來的部分擴容壓力、三相不平衡、諧波、電壓波動及閃變等問題；解決了光伏發(fā)電和百姓用電的隨機波動性問題，實現(xiàn)了對電網(wǎng)的柔性友好接入，及可觀、 可測、可控。本示范項目采用光儲直柔技術(shù)對光伏發(fā)電進行傳輸消納，與傳統(tǒng)分布式能源技術(shù)相比，光儲直柔技術(shù)在電能質(zhì)量問題、電網(wǎng)的擴容壓力問題、電網(wǎng)調(diào)度問題、臺區(qū)重過載問題、線路損耗、供電可靠性等具有明顯的優(yōu)越性，能夠避免分布式大規(guī)模并網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題、緩解電網(wǎng)擴容壓力、減少線路損耗、提高供電可靠性、提高能源利用效率。
莊上村示范項目可實現(xiàn)總發(fā)電量240萬kWh/年，項目運行至今，已減少800多噸標煤使用，減排二氧化碳2000余噸。項目還帶動農(nóng)民增收及村集體經(jīng)濟收入(戶均增收1200元以上)，增加GDP和財政收入，實現(xiàn)每年發(fā)電收益約100萬元/年(稅收約10萬元)，提升地方經(jīng)濟水平。當納入碳交易后，項目將新增額外的碳指標收入(目前國內(nèi)價約12.6萬、國際價約88.2 萬元)。另外，農(nóng)村光儲直柔系統(tǒng)的實施還減少了農(nóng)村電網(wǎng)升級改造投資以及“煤改電”、“煤改氣”等取暖工程的投資支出。莊上村投建的“戶-村”光儲直柔示范項目實現(xiàn)了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，為光儲直柔在農(nóng)村的廣泛應用提供了實踐基礎(chǔ)。
未來大廈項目，是全國首個走出實驗室，實現(xiàn)“光儲直柔”技術(shù)的工程化、規(guī)?；瘧玫慕ㄖ?，由深圳市建科院聯(lián)合清華大學、南方電網(wǎng)深圳供電局、勞倫斯伯克利實驗室等國內(nèi)外二十余家單位共同研發(fā)建設(shè)。項目位于深圳國際低碳城核心啟動區(qū)，整體定位為綠色三星級建筑和夏熱冬暖地區(qū)凈零能耗建筑，采取了強調(diào)自然光、通風與遮陽被動式節(jié)能技術(shù)、基于直流配電的“光儲直柔”技術(shù)、與電網(wǎng)互動的需求側(cè)響應技術(shù)。
在“光儲直柔”技術(shù)支撐下，未來大廈配置了光伏發(fā)電系統(tǒng)、鋰電池儲能系統(tǒng)和直流電環(huán)境。白天陽光充裕時，光伏自發(fā)自用，余電自動儲存；夜間通過儲能系統(tǒng)對大樓進行供電，有利于促進建筑領(lǐng)域可再生資源的利用和消納，降低用電成本。例如，大廈里的空調(diào)在電壓較低時降低運行功率，具有儲能功能的充電樁在用電低谷期充電，高峰期向大廈反向送電，促進削峰填谷。現(xiàn)在未來大廈已實現(xiàn)內(nèi)部可再生能源消納，相比于同樣功能的面積的建筑，它從電網(wǎng)獲取的電量減少三分之一以上。未來大廈光儲直柔系統(tǒng)采用直流375伏和48伏兩種電壓等級，前者適用于充電樁、空調(diào)等大功率用電，后者用于照明、電腦等小功率電器。
未來大廈光儲直柔系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行了近三年時間。在2020年10月1日～2021年9月30日完整一年的數(shù)據(jù)分析，未來大廈單位建筑面積電耗指標下降至 48.27kWh/(m2.a)，與深圳商業(yè)辦公建筑能耗平均值相比，本項目的單位面積年碳排放減少29.50kg，總碳排放減少1854.26 噸碳排放，減碳效果明顯。本項目也作為第一批民用建筑接入到深圳市虛擬電廠平臺，在與南方電網(wǎng)聯(lián)合測試中響應削峰比例達到了51.6%。光伏自給率（光伏發(fā)電供建筑使用的電量占凈用電量的比例）為28%，光伏自用率（光伏發(fā)電供建筑使用的電量占光伏發(fā)電量的比例）為100%。作為典型城市辦公建筑，未來大廈的建筑分布式光伏可實現(xiàn)完全消納，成為“只進不出”的光儲直柔系統(tǒng)。
如在深圳市每年350~400萬平方米新建建筑中應用“光儲直柔”技術(shù)，“十四五”期間直接碳減排量將達到10萬噸/年，相當于4萬畝森林的碳匯量，并且可形成120萬千瓦的可調(diào)節(jié)能力，輔助電網(wǎng)更好的消納可再生能源。
目前“光儲直柔”作為面向碳中和的重要技術(shù)路線，已經(jīng)得到行業(yè)領(lǐng)域的認可，相關(guān)部門也基本達成共識，支持大力發(fā)展。光儲直柔的起步速度看起來相當快速，那么要怎樣才能順著這個勢頭健康良好的發(fā)展下去? 目前很多研究和實踐還處于探索階段，尚存不少障礙，包括，技術(shù)上尚未建立完備的技術(shù)體系，亦缺少相應的系列產(chǎn)品，沒有相應的可落地的政策機制；光儲直柔的最終目的是協(xié)助電網(wǎng)實現(xiàn)風電光電的消納，但尚未建立可操作的與電網(wǎng)協(xié)調(diào)的調(diào)節(jié)機制。面向未來，“光儲直柔”仍需在多方面進行深入研究。
?? 政策方面，光儲直柔的柔性特征和調(diào)節(jié)能力的刻畫、光儲直柔減碳能力的定量評估、與電網(wǎng)協(xié)調(diào)機制的建立、分布式光伏接入規(guī)則制訂、以屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村全面電氣化和能源轉(zhuǎn)型、有序充電樁+車載電池接入光儲直柔系統(tǒng)、光儲直柔的市場價值發(fā)掘和實現(xiàn)等，均需繼續(xù)進行跨行業(yè)、跨部門的合作，逐步搭建起支持光儲直柔發(fā)展的環(huán)境。
?? 標準方面，目前已經(jīng)頒布了T/CABEE 030-2022《民用建筑直流配電設(shè)計標準》，正在制定中的有《建筑“光儲直柔”評價標準》、《建筑“光儲直柔”系統(tǒng)變換器通用技術(shù)要求》等 （相關(guān)研究報告完成后，將在能源基金會網(wǎng)站陸續(xù)發(fā)布）；接下來要從初步完成的光儲直柔標準化體系出發(fā)，并針對現(xiàn)實工作的輕重緩急，選擇其急迫者繼續(xù)加速編寫，需要能夠涵蓋相關(guān)重要產(chǎn)品、相關(guān)設(shè)計、建設(shè)、運行和評價的標準，指導和規(guī)范實際工程落地實施。同時也需抓好標準內(nèi)部的一致性， 并通過與國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的標準編制工作、國際標準化工作密切溝通，相互協(xié)調(diào)。
?? 技術(shù)方面，光儲直柔系統(tǒng)設(shè)計方法、調(diào)控策略、關(guān)鍵設(shè)備如變換器損耗降低、系統(tǒng)效率提升、終端直流產(chǎn)品的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、直流建筑內(nèi)的分布式儲能的安全防護措施等需要進一步突破和提升。
?? 工程實踐及產(chǎn)業(yè)方面，把示范項目從單體項目擴展到一個村落、一個城市、一個地區(qū)，進一步探索不同場景下的光儲直柔系統(tǒng)方案、技術(shù)指引、建設(shè)模式等，為未來光儲直柔大規(guī)模建設(shè)提供更好的案例和示范。
