“光儲直柔”在改造更新類未來社區(qū)低碳場景中的應用

朱一宇，沈 宇，朱祥宏（.浙江省建筑科學設計研究院有限公司城市更新研究中心，浙江 杭州 300；.浙江建筑特種技術工程有限公司，浙江 杭州 300）

中國提出的“雙碳”目標將對中國的經濟結構和居民生活方式產生深刻的變革，綠色清潔能源在未來 40 a 能源系統(tǒng)的比重也將逐步增加。未來社區(qū)作為共同富裕現代化基本單元，是以人民美好生活向往為中心，以數字社會高效組織生活場景為引領，聚焦人本化、生態(tài)化、數字化三維價值的幸福美好家園。低碳場景作為未來社區(qū)建設的九大場景之一，對于推動社區(qū)低碳化轉型、城市綠色化發(fā)展、地區(qū)碳達峰目標實現具有重要意義。“光儲直柔”技術將提高綠色清潔可再生能源在供電系統(tǒng)中的占比，為整個建筑行業(yè)實現碳中和提供了重要的路徑。

1 “光儲直柔”

“光儲直柔”是在建筑領域應用太陽能光伏、儲能、直流和柔性四項技術的簡稱，即在建筑中通過直流母線連接分布式光伏、儲能和可調用電負荷實現市電功率柔性控制。

“光”是分布式太陽能光伏。光伏技術這十幾年有了快速的迭代與進步。當前量產晶體硅組件的效率已經很容易達到 22% 以上，同時成本下降到過去的 1/10。推廣分布式太陽能光伏的條件已日趨成熟。

“儲”就是儲能，廣義上說有很多種方式，包括電化學儲能、儲熱、抽水蓄能等等。這里重點是指電化學儲能，如鋰電池儲能，尤其是利用電動車本身的電池。我國電動車每年的產銷量已達百萬輛，未來電動車實現雙向充放電，不僅能滿足電動車的交通工具屬性，也能夠成為電力在末端的儲能調節(jié)手段。

“直”就是低壓直流配電系統(tǒng)。隨著建筑中電源和負載的直流化程度越來越高，直流供配電是一種更合理的形式。電源側的分布式光伏、儲能電池等普遍輸出直流電。用電設備中傳統(tǒng)照明燈具正逐漸被 LED 替代，各種空調、冰箱、洗衣機、水泵等電機設備也更多考慮變頻的需求，此外還有各式各樣電腦、手機的數字設備，這些都是直流負載。直流供配電技術對于提高建筑能源系統(tǒng)效率、提升用戶安全性和使用便捷性、實現能源系統(tǒng)的智能控制，以及與電力系統(tǒng)的交互具有重要的作用。

“柔”就是柔性用電。一方面是電器設備根據直流母線電壓的波動動態(tài)調整輸出功率，也就是說當電器設備感知到外界電力供應處于高峰或緊張時，在滿足舒適條件的同時，設備自動降低功率運行；另一方面是通過光伏、儲能以及負荷三者的動態(tài)匹配，實現與電網的友好對接。光儲直柔技術能夠很好解決當下電力負荷峰值突出問題以及未來與高比例可再生能源發(fā)電形態(tài)相匹配的問題。

2 “光儲直柔”在低碳場景的應用分析

2.1 分布式太陽能光伏

老舊小區(qū)的屋頂受到建筑之間相互遮擋較小，屋頂的太陽輻照條件較好，非常適合布置太陽能光伏板。通過屋頂的節(jié)能改造，結合太陽能光伏板，能有效阻擋太陽對屋頂的直接照射，不僅能發(fā)電，還能隔熱降溫。結合海綿城市相關要求合理地引導雨水徑流，可以一次性解決屋頂的保溫、隔熱、排水、滲水等多種問題[1]。此外，建筑外墻、車棚、廊亭等也可以成為分布式太陽能的有效載體。

2.2 儲 能

改造更新類未來社區(qū)中一般可以采取分布式儲能和局部集中儲能相結合的措施，隨著電池技術迅速發(fā)展，可通過不同類型的電池組合滿足社區(qū)局部微電網的功率密度、能量密度要求，而且鋰電池已具備良好的經濟適用性。分布式儲能和局部集中儲能可以在實現“儲”場景同時，為實現“柔”場景提供基礎。

未來電動汽車飛速發(fā)展，我國將至少擁有 3 億輛以上的電動小汽車。按照目前的配置，這些車輛每輛配置 50～70 kW·h蓄電池。如果這些車輛?？繒r都與充電樁連接，而這些充電樁又接入鄰近建筑的“光儲直柔”配電系統(tǒng)，則就擁有150 億 kW·h/d 的蓄電能。電動車的飛速發(fā)展必將成為消納光伏發(fā)電的主力軍[2]。

2.3 低壓直流配電系統(tǒng)

在建筑配電領域，直流的特性使光伏等分布式能源的接入和協(xié)調控制更簡單：實現“直”發(fā)“直”用，大大減少“逆變上網”“整流用電”環(huán)節(jié)，有效提高了發(fā)電用電效能。

借助改造更新供電設施改造機會，把原有供配電設備改造為直流型光儲變換器、直交流并網設備、交直流配電柜，并增加直流保護/測量/控制裝置，以及增加監(jiān)控管理系統(tǒng)。生活中的很多數字設備其實都是直流負載，比如：手機、電腦等，都能直接使用直流電；可以借此機會，配合以舊換新政策，鼓勵住戶把空調、照明、冰箱、電扇、洗衣機等交流電器設備更新為直流電器設備，有效提高了太陽能發(fā)電的用電效能，減少碳排放[3]。

2.4 柔性用電

通過對建筑配電系統(tǒng)的直流改造，使得居民家中末端AC-DC、DC-DC 或者用電設備的功率可以接受母電電壓的控制，從而實現柔性調節(jié)。

同時，居民家用設備往往也具有可中斷、可調節(jié)的特性?？照{和供熱系統(tǒng)可以利用建筑圍護結構的蓄熱性能和人對溫度波動的適應性來進行短期負荷功率調節(jié)，為電力系統(tǒng)提供一定程度的靈活性；電冰箱、洗衣機、洗碗機、電/熱泵熱水器等也都具有延時啟動、錯峰工作的功能。

電動汽車作為“光儲直柔”中“儲”的重要組成部分，同時也是“柔”的重要組成部分。電動汽車蓄電量大，同時具備可調節(jié)性，定時充電等功能，具備合理選擇充電時間的條件，在母線電壓過低時，可以從汽車電池中取電，反向為建筑供電[2]。

3 “光儲直柔”在義駕山廣場改造中的應用

3.1 項目背景

按未來社區(qū)建設的要求，規(guī)劃將義駕山停車場改造成社區(qū)的公共服務中心和文化廣場。利用廣場的鋼構架、文化展示館、立體綠化的改造來實現低碳場景。利用“光儲直柔”技術建設太陽能光伏、太陽能立體綠化灌溉、太陽能直流供電、太陽能-電動自行車儲能和集中儲能等系統(tǒng)。

3.1.1 太陽能光伏系統(tǒng)

應用基于 Rhino＋Grasshopper 平臺的 Ladybug 日照分析工具，對該太陽能光伏系統(tǒng)布置區(qū)域進行日照分析，計算結果顯示，該區(qū)域全年日照小時數在 1 400 ～ 2 800 h 之間，全年太陽輻照強度在 860 ～ 1 400 kWh/m2之間，全年日照小時數以及全年太陽輻照強度相對較小區(qū)域出現在社區(qū)文化展示館的左側區(qū)域。

根據以上計算分析結果，本項目選用弱光性能較好的碲化鎘薄膜太陽能光伏系統(tǒng)，單塊面板 1.92 m2，共設置52 塊，裝機容量 12.48 kW。碲化鎘具有高弱光性，表現在99% 以上的波長 ＜826 nm 的可見光可被一微米厚的吸收層吸收；在可見光范圍內，碲化鎘材料的吸光系數達到105 cm-1以上。在黎明、傍晚以及雨雪天氣這種低照度情況下碲化鎘也能正常發(fā)電[4]。

為了驗證碲化鎘薄膜太陽能光伏板的弱光性能，在系統(tǒng)安裝完成后，進行了為期一周的現場測試，測試依據為GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中第五章太陽能光伏系統(tǒng)測試方法，測量指標為光電轉換效率。測試結果見表 1。

表1 義駕山廣場碲化鎘薄膜太陽能光伏系統(tǒng)現場測試結果

測試結果表明，碲化鎘確實在弱光環(huán)境下有較好的光電轉換效率，并且部分陰雨天的光電轉換效率大于晴天，從而驗證了碲化鎘薄膜太陽能光伏板具有良好的弱光性能。

此外，該系統(tǒng)在進行太陽能發(fā)電的同時，能營造舒適的室外環(huán)境，成為居民夏季納涼的休閑場所，還能成為義駕山廣場的一道風景。

3.1.2 義駕山文化展示館 — 太陽能直流供電示范區(qū)

根據展示館全年太陽能輻照強度分析結果顯示，展示館屋面輻照強度較好，達到了全年輻照強度 800 kWh/m2以上。因此考慮對展示館屋面和圍護結構進行節(jié)能改造。屋面布置太陽能光伏瓦，屋面下方設置防水層、保溫層并增加木梁支撐體系。同時對展示館進行直流供電系統(tǒng)改造，增加直流供配電系統(tǒng)，其中空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、辦公類電子產品采用直流化產品，提高用能效率的同時充分利用太陽能光伏系統(tǒng)。

3.1.3 電動自行車儲能系統(tǒng) ＋ 集中式儲能系統(tǒng)

團隊考慮在義駕山廣場的文化展示館周邊設置太陽能-電動自行車補能系統(tǒng)。該系統(tǒng)緊鄰一側的 110 m2太陽能光伏系統(tǒng)，所發(fā)的電能可以直接為電動自行車進行充電，惠及周邊居民。安排設置合理的充電時間，消納光伏發(fā)電的同時，實現免費綠電充電和柔性用電。

如圖 2 所示，義駕山文化展示館附近區(qū)域還設置集中式儲能系統(tǒng)，對多余的太陽能光伏發(fā)電電量進行消納、調節(jié)，根據用能負荷曲線，能為整個“光儲直柔”系統(tǒng)實現柔性調節(jié)。

圖2 義駕山廣場“光儲直柔”系統(tǒng)示意圖

3.1.4 太陽能立體綠化灌溉系統(tǒng)

義駕山廣場的南側是義駕山垃圾分類投放點。為了消除這個垃圾分類投放點對義駕山廣場整體環(huán)境的影響，團隊考慮利用立體綠化對垃圾分類投放點進行遮擋。立體綠化不僅從視覺上對垃圾分類投放點進行了遮擋，也起到調節(jié)室外舒適度的作用。

立體綠化日常維護需要提升灌溉。團隊考慮將立體綠化布置在太陽能光伏系統(tǒng)附近，并利用太陽能光伏發(fā)電來直接驅動提升水泵進行灌溉。并在太陽能光伏板上設置雨水收集系統(tǒng)，收集雨水用于灌溉。該灌溉系統(tǒng)能合理設定灌溉時間，是一套節(jié)水節(jié)能的灌溉系統(tǒng)。

4 結 語

“光儲直柔”是實現建筑碳中和的重要手段。在建設低碳場景的同時，積極推進“光儲直柔”，通過“直發(fā)直用，余電上網”的方式提高用電效率，是改造更新類未來社區(qū)實現雙碳目標的重要路徑之一。同時提出以下具體建議。

（1）合理選用“光儲直柔”技術。在改造更新類未來社區(qū)中推廣“光儲直柔”要考慮合理性、實用性、經濟性，做到既能保證“光儲直柔”長期可靠運行，又能使得系統(tǒng)配置具有較好的性價比。

（2）適當給予政策激勵和引導?！肮鈨χ比帷笔菍崿F碳中和的主要路徑，所以在推廣之初，政府應適當給予補貼，鼓勵居民以及廠家積極參與到“光儲直柔”的應用。

（3）創(chuàng)新商業(yè)模式。要設計探索多種多樣的“光儲直柔”商業(yè)模式吸引社會資本參與改造和運營。并積極地參與到“碳金融”和“碳交易”中去。