“光儲直柔”在現代工農業園區中的應用分析

周宏宇，肖經龍

（湖南省建筑科學研究院有限責任公司, 長沙 410011）

1 原理與意義

1.1 系統原理

“光儲直柔”（photovoltaics, energy storage,direct current and flexibility，PEDF）指利用光伏、風能、生物能等可再生能源發電，用蓄電池、生物儲能、空氣壓縮儲能等方式進行能量儲能、在建筑園區推廣直流電器、直流輸配電和利用柔性能源控制而構建達到雙碳和綠色建筑目標的適新型建筑園區能源系統。

該系統利用在建筑表面鋪設光伏板或現代工農業園區內裝設風力發電裝置，充分利用光、風、生物能等可再生能源，通過儲能實現園區能量蓄存和調節，通過傳輸和設備的直流化實現園區內能源的高效利用，最后通過電網和園區內能源的高效配合，使園區對外界能源的需求量具有彈性，最終實現柔性用能。“光儲直柔”將現代工農業園區從傳統供電系統中“負荷”角色轉變為現代電力系統中具備能源再生、能源消耗自給、能量調解儲備功能并反向補充電網的“四位一體”的綜合體，也是實現綠色低碳園區的重要途徑。

1.2 “光儲直柔”在現代工農業園區中應用的意義

現代工農業園區一般位于城鄉接合部或相對地廣人稀的農村地區，具有規模適度、產業集中、綠色發展、布局自由等特點，大部分園區土地價格便宜、日照條件優（或滿足風力發電、生物發電條件）、新建建筑量大，非常適合布置“光儲直柔”系統。一直以來，常規的園區能源體系以滿足園區正常運營的能源要求（供暖、降溫、排風等）為基本任務，園區僅作為能源消費者的角色，節能方面也僅僅以“省”為基本方法，通過控制技術實現更少的使用能源。當前，在“雙碳”目標指引下，園區能源體系將面臨更嚴苛的發展條件，需在節能的基礎上追求更高的低碳目標。低碳化要求園區不再依靠傳統的化石能源，而應該向建筑用能自給自足、自動平衡的方向發展；建筑將不僅僅作為能源消耗者，還應該充分利用自身條件，實現能源生產、能源儲存、能源安全高效使用和柔性用電。

在現代工農業園區推廣和應用“光儲直柔”，有以下意義：

1）實現雙碳目標，“光儲直柔”初步預計可為建筑運行減碳約35%；2）提高園區供電可靠性和安全性，提高供電效率；

3）有效利用園區建筑外墻、屋面和空地裝設新能源設備，節省能耗甚至反哺城鄉電網；

4）新能源供電、高效儲能和柔性交互使得園區從傳統能源消耗的角色轉變為“零負荷”能源系統。

2 對現代工農業園區中系統構建的探討

現代“光儲直柔”能源系統在建筑領域應用光伏（風能、生物能）、儲能、直流和柔性4 項技術，與建筑傳統供配電系統相比具有顯著的差別，一方面是源、儲、荷的布局從分離到融合；另一方面是終端建筑的用電需求也將從原來的剛性需求（用戶用多少、電網供多少）轉變為柔性需求（可中斷、可調節）。另外，低壓直流配電技術的應用使建筑供配電系統簡單化，促進能效提升、可靠性提高和能量智能化控制的發展。怎么依據現代建筑新特點搭建“光儲直柔”體系是這一新技術亟待解決的重大課題，該體系不是簡單應用光能技術或某項單一能源技術，也不是“光、儲、直、柔”4 方面的簡單組合。搭建“光儲直柔”體系必須通過各方面的共同努力，才能實現建筑能源系統能源生產、能源消耗、能源儲存、科學交互“四位一體”綜合體。尤其在現代化工農業園區中，更應該因地制宜，獲取能源的方式不應僅限于光伏，還應該考慮生物能、風能等。

第一，能源獲取方式。應該充分利用現代工農業園區遠離城市、地域廣闊和自然條件優良的特點，根據園區所在地區條件采取最適宜的新能源。光伏、風力、生物發電，應遵循因地制宜、因物制宜、靈活布置的原則。發展光伏、風力和生物能等可再生能源需要大批量的土地面積，相關能源生產和儲能設備也需要大量安裝空間，而現代化工農業園區恰好滿足了這一要求，能為新能源的獲取提供足夠的場地。國家相關部門根據我國城鄉建筑面積情況對建筑光伏裝機容量進行充分調研后發現，光伏發電在最近30年內將產生數倍的增長[1]。對城鄉接合地和農村的大量調查數據也充分說明，現代工農業園區所在的位置非常適合新能源系統的布局和建設。

第二，風力、光伏能源最大的缺陷是供能波動幅度大，因此，因地制宜地根據園區動植物情況布置一定體量的生物能是解決該問題的一種補充方式。同時，利用園區可用面積大的特點布置蓄電池儲能、空氣壓縮儲能等也是一個方面。當前電力能源體系中最常用的儲能方式包含蓄熱/蓄冷、化學電池、飛輪、抽水蓄能、氫、壓縮空氣等，這些儲能方式解決的場景不同，需要的條件也不同。在現實使用中，必須對現場條件進行全面調研和分析，采取最經濟合理的儲能方式。隨著蓄電池技術的不斷發展，其容量越來越大、充電時間越來越短、安全性能也得到很大提升，要求的安裝條件也不再苛刻，是未來建筑中最簡單便捷的一個儲能方向。

如何根據當地氣候、動植物情況、園區建筑特點、地形地貌、工業和交通設備等條件選擇經濟性合理、持續健康的調蓄方式，是當前工農業園區配備高效能源系統必須研究的重大問題。工農業園區應該充分利用生產時間可以自由調配的特點，在新能源發電高峰期安排生產，盡量減少儲能設備的容量，儲能設備儲存的電量主要用于滿足生活用電。

第三，光伏等可再生能源發電一般為直流電，而日常生活中用電為交流電，常見的光伏建筑會安裝逆變器，將直流電轉變為交流電供日常使用，但轉換過程中，會造成電量的損失。與傳統光伏交流建筑用電相比，直流建筑具備電能傳輸成本低、電能利用率高(提高7%～9%)、設備投資少，投資回收期短(節省了交流變壓器、整流逆變裝置)等優勢，在建筑上應用直流配電，可顯著改善系統性能，提高電源品質和安全性，有效破解新型的零碳電力系統要大規模發展風電光電所面臨的光電安裝空間和風電光電調控這兩大難題，是調度各方面資源、以較低成本助力新型零碳電力系統建設的有效途徑，也是實現建筑全面電氣化和用電零碳化可采用的有效措施。當前，光伏、生物能等可再生能源輸出電源為直流電，直流配電系統能直接使用；同時現代建筑機電設備中越來越多的高效設備逐步使用直流電器（如LED 照明、直流空調、直流電機、電動汽車、直流機械設備等）。因此，新建的現代工農業園區，應盡量配置低壓直流配電系統，并大量采用新型直流設備，充分發揮直流輸電和用電效率高、損耗小、控制簡單、安全性高的優勢。圖1 為工農業園區直流系統結構示意圖。

圖1 工農業園區直流系統結構示意圖

第四，將園區從原來電力系統內的剛性用電負載變為靈活的柔性負載是工農業園區“光儲直柔”體系的終極目標。要實現園區柔性用能，需要達到以下3 個條件：首先，必須利用最新整流逆變技術和動態控制技術，實現園區與整個電力系統的動態交互。其次，園區側負荷應該能夠實時根據電網側供電情況進行有效響應，在電網供電壓力大時充分利用本身發電和儲能系統滿足園區自身負荷需求，甚至向電網側反哺能源；在電網側有剩余電能時，將自身發電能源和電網能源快速儲存到園區儲能系統中。最后，如何根據工農業園區的自身特點配置最經濟合理的“光儲直柔”系統是必須重點研究的課題。我國工農業園區分布范圍廣，各園區所處氣候條件不同，工業園區使用的機械設備、運輸設備各具特點，農業園區的產業特征也不一樣。因此，必須充分調研其實際情況，采取最經濟合理的能源獲取方式、儲存方式和使用方式，做到“源、儲、網、荷”多方位的高效協調配合。傳統工農業園區用電負荷大，尤其是白天工作時間段負荷尤為突出。現代工農業園區充分利用日照條件，在電網用電高峰時段充分利用自身新能源發電電量，電網用電低谷階段甚至能儲存一部分電能。現代工農業園區的柔性用電，將為區域電網穩定和節省園區企業能源開支做出貢獻。

3 發展前景

“光儲直柔”系統是建筑領域解決雙碳要求和綠色建筑行之有效的重要途徑，目前已獲得國家、各部委等多個層面的政策支持和社會多方面的積極響應，具有廣闊的發展前景[2]。國務院關于印發《2030 年前碳達峰行動方案的通知》明確指出：“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[3]。”住房和城鄉建設部印發的《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》中也指出：“十四五”期間要“建設以‘光儲直柔’為特征的新型建筑電力系統，發展柔性用電建筑[4]。”一些地方也出臺了相應政策支持光儲直柔建筑的實際落地，深圳市福田區科技創新局前不久印發的《深圳市福田區支持戰略性新興產業和未來產業集群發展若干措施》對“光儲直柔”項目落地提供經費支持，對完成并網及驗收通過的實際投入200 萬元以上且直流負載/總負載≥10%的“光儲直柔”項目，按項目實際建設投入20%以內，一次性給予最高500 萬元支持。政策支持為“光儲直柔”體系的推廣應用提供了特大支持，同時對“光儲直柔”系統的關鍵理論、技術裝備、工程應用等提出了迫切需求。作為面向碳中和目標的新興技術，“光儲直柔”需要在建筑場景的系統基本架構、支撐系統構建的關鍵設備、工程設計應用方法、系統運行調節控制、產品和系統技術標準等多方面建立起相應的完備技術體系。當前，在多個部門的支持下，國內多家單位已聯合在“光儲直柔”技術研發方面取得了一定突破，為實際工程的落地提供了有效支持[5]。

從“光儲直柔”4 方面來看，這一新型建筑能源系統的發展還需要在多方面開展深入持續工作。當前，建筑的節能減排和綠色是建筑設計必須考慮的一個因素。將來，建筑不再是傳統意思上的電網負荷，而應該是集能源生產、能量儲存、用能調節、子母系統動態交互的多功能綜合體，而“光儲直柔”技術的不斷創新和發展，將為實現這種新型建筑體奠定堅實的基礎[6]。“光儲直柔”體系在現代工農業園區中的應用，將更深層次解釋和革新建筑體與外部能源網直接的互動關系，促進關鍵設備產品如直流電器、直流變換器等的研發，將工農業園區發展成為重要的可再生電力來源，對現有電網負荷進行合理補充。同時，也將推動整個能源系統的低碳發展，降低園區對電網的依賴，節省園區費用，具有巨大的市場前景。