零碳工業園區綠色電力建設方案研究

王 潔

（晶澳太陽能科技股份有限公司）

0 引言

工業行業是我國排行第二的碳排放行業，工業園區是經濟發展、產業轉型升級的重要載體，但傳統工業園區不可避免地存在資源消耗大、碳排放量大等問題[1]。我國一直致力于推動工業園區走生態優先、綠色低碳發展之路，并出臺相關支持政策，零碳工業園區應運而生，且近年來數量不斷增加，規模不斷擴大、綠色發展水平不斷提高。2021年1月，國內首個“碳中和”園區-金風科技亦莊智慧園區舉行認證儀式[2]；同年10月，內蒙古自治區鄂爾多斯官方宣布全球首個零碳產業園正式落地內蒙古[3]；2023年9月，正泰新能源首次對外開放展示其零碳工廠布局……雖然這些零碳園區內的產業結構各不相同，但零碳實現路徑都不可避免地依賴用能結構的優化，即高比例綠色電力的供應和消納[4-5]。當前，綠電的產生主要方式是風力發電和屋頂光伏發電，但風機的建設占地面積較大，容易對生態環境造成破壞[6]。因此，零碳工業園區搭建新型電力系統最主要的途徑是屋頂光伏發電+配套儲能，儲能技術是智能電網、能源互聯網、可再生能源接入、分布式發電、微網系統等發展必不可少的支撐技術之一。然而，目前園區建設更多關注的是最大比例使用綠色電力，以幫助園區最終實現零碳排放。其實，產生綠電的光伏設備的運行效率、配套儲能的峰谷優化能力，都會通過提升新能源消納能力、降低園區運營成本、為園區參與綠電交易提供保障等途徑助力園區的零碳建設。

基于此，本文將結合園區場址所在地的氣候條件分析光伏建設方案，同時研究儲能系統技術路線選擇和電池類型選擇，提升儲能系統移峰填谷效果，優化電網消納能力，以提升綠電系統運營效率。最后，基于園區零碳屬性和投資回報考慮，針對綠電交易面臨的困境，為園區參與綠電交易提供布局方案。全面、系統性地提出零碳工業園區綠色電力的建設方案，為推進我國零碳工業園區建設提供理論依據和方案建議。

1 園區應用屋頂光伏及配套儲能的優勢

1）節省土地資源，對環境影響小。不同于風力發電，園區內光伏發電主要依靠屋頂光伏，有效利用屋頂面積的同時不會破壞城市生態環境，且不會產生光污染。

2）太陽能收集效率高。工業園區一般設在郊區，建筑物四周無高樓大廈的遮擋，同時工業園區屋頂面積一般較大，光伏組件對太陽能的收集過程不易受影響。

3）一定程度降低建筑能耗。光伏組件可充當室外與建筑屋頂間的過渡層，提高建筑保溫、隔熱性能，一定程度降低建筑的資源、能源消耗[7]。

4）分布式光伏發展迅速，技術成熟，為工業園區應用所面臨的問題和挑戰提供堅實的技術支撐。

5）儲能系統響應靈活，可以有效輔助電網調峰調頻，削峰填谷，減少棄光。

6）零碳工業園區中新能源配比一般遠超負荷用量，利用配套儲能的方式，可幫助實現多余電力市場化交易，保證項目基本收益。

2 屋頂光伏建設方案

根據距項目所在地最近的、具有太陽輻射觀測資料的氣象站提供的氣象數據分析氣象條件對光伏項目的影響。

根據《太陽能資源評估方法》（QXT89—2019），對于無太陽輻射觀測資料的代表氣象站，選擇距離代表氣象站最近、緯度與項目區域基本相同且氣候相似的國家基準氣象站作為參考氣象站，收集其相關太陽輻射觀測資料，利用氣候學方法推算代表氣象站的太陽輻射數據。

若距離最近的氣象站無太陽輻射觀測資料，可擴大范圍，由區縣級氣象站擴大到市級氣象站，采用區縣氣象站氣象數據分析氣象條件對工程規劃的影響，市級氣象站太陽輻射觀測資料分析太陽能資源條件對項目規劃的影響。

2.1 太陽能資源分析

在自然現象和社會現象中，大量的隨機變量都服從或近似服從正態分布，因此可采用統計學中的正態分布來研究太陽輻射資料。通過選取的氣象站近20年相同月份的太陽輻射量數據擬合正態分布曲線，選取高概率區間的實測值作為電站設計的基本計算參數，即每月對應的標準月輻射量和標準月日照時數，計算可知工程代表年太陽輻射總量。進而根據中國氣象局制定的太陽能資源豐富程度評估標準可知該區域太陽能資源的豐富程度；同時，可根據氣象站提供的資料分析太陽輻射量和日照時數的月際變化、年際變化，以此推斷該區域太陽能輻射的穩定程度。根據太陽能資源豐富程度和穩定程度可推斷建設光伏電站的風險大小。

2.2 主要氣象條件影響

根據氣象站的數據資料并結合擬選場址區域的實際情況，進行特殊氣候條件的初步影響分析并做出相應措施。

（1）氣溫因素

光伏并網發電中將直流電逆變為交流電的并網逆變器的工作環境溫度范圍為-30～+60℃，光伏組件的工作溫度范圍為-40～+85℃。參照氣象站提供的各類相關氣象數據，分析氣溫條件對光伏組件的可靠運行及安全性是否有影響。并網逆變器應有一定采暖或保溫措施以保證在極端低溫下正常工作。在光伏組件的串并聯組合設計中，需根據當地的實際氣溫情況進行相應的溫度修正，以確保整個太陽能發電系統在全年中有較高的運行效率。

（2）風速和風向因素

根據氣象資料得知園區所在地近30年平均風速、最大瞬時風速以及主導風向等，因為太陽能電池組件迎風面積較大，組件支架設計必須考慮風荷載的影響。

（3）風沙因素

如果所在區域氣候干旱，植被稀少，在大風季節里，極易出現沙塵天氣。沙塵天氣對大氣的影響較大，空氣中粉塵量會劇增，大氣透明度會大幅度降低，因此會阻擋和減弱太陽直射。沙塵天氣對光伏電站的發電量影響較大，故在系統設計中應采取有效的防沙措施和方便可行的日常清洗方法。

（4）雷暴因素

電池陣列均固定金屬支架之上，且陣列面積較大，因此雷電對光伏電站有一定的危害，電站應根據當地氣候條件采取可靠的防雷接地措施。

（5）積雪因素

太陽能電池板最低點距屋頂的距離選取主要考慮以下因素：① 高于當地最大積雪深度；②防止泥和沙濺上太陽能電池板；③高于當地洪水水位；④防止動物破壞。

3 儲能建設方案

3.1 技術路線選擇

儲能系統能夠將電能轉換為化學能、勢能、電磁能等形式進行儲存，并在需要時重新轉換為電能予以釋放。在電網中采用儲能系統能夠有效實現需求側管理、消除峰谷差、平滑負荷及提高電網運行的可靠性和穩定性等功能，是零碳工業園區實現綠電自發自用必不可少的系統之一。

根據電能轉化后的形態，可以將儲能分為電化學、機械、電磁、相變儲能四大類。各種儲能技術在其能量密度和功率密度方面均具有不同的表現，很少能有一種儲能技術可以完全勝任電力系統的各應用場景。因此，必須兼顧雙方需求，選擇與電力系統匹配的儲能方式。在現有儲能技術中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能可實現大功率、大容量電能儲存，但是對建站選址要求較高。電化學儲能技術對建設場址要求靈活，且當前電池儲能技術眾多，可根據實際應用情景要求綜合考慮選擇比較適宜的。

工業園區儲能系統定位為電網側儲能系統，主要功能包括削峰填谷、調頻調壓等輔助服務。接入電網側大規模儲能對儲能系統有其特殊要求：①循環壽命長。②響應速度快。③充放電效率高。④安全性好。⑤成本適中。⑥配置靈活，安裝建設便捷，可擴容性好等。相較其他儲能技術路線，電化學儲能單位造價也較低，將是未來儲能的主要選擇。

3.2 電池類型選擇

鉛酸及鉛炭電池系統充放電倍率較低，無法完全滿足園區應用需求；全釩液流電池能量密度低，占地面積大，屬于能量型電池，系統配置容量很大才具有經濟性；鈉硫電池目前只有日本公司可以提供工程化產品，運維受限；釩液流電池循環壽命較高、安全性較高，但價格較貴，效率較低。鋰離子電池國內技術成熟，廠家眾多，可以滿足園區應用條件和應用目的。現階段，主流的鋰電池儲能技術有三種：磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池。現對三種鋰電池技術性能進行分析對比，見下表，應綜合權衡儲能電池的技術性能、使用壽命、工程業績、技術先進性和成熟度、環保及環境友好型等指標做出適合于園區建設的選擇。

表 三種鋰電池技術性能對比

4 綠電交易布局

零碳工業園區的建設存在一定經濟投入，多余綠電參與現貨交易是提高收益率、縮短投資回收期且符合社會綠色發展大趨勢的選擇。綠色電力交易是以風電、光伏等綠色電力產品為標的物，在電力中長期市場機制框架內設立的交易品種，能夠全面反映綠色電力的電能價值和環境價值，并提供相應的綠色電力消費認證。

4.1 面臨困境及解決辦法

目前，全國電力市場交易規模進一步擴大；風電、光伏發電裝機規模擴大；新型電力系統建設朝數字化方向發展，電力系統可控對象從以源為主擴展到“源網荷儲”各環節，控制規模呈指數級增長，但綠電市場化仍面臨一定困境。2021年至今，新能源電力參與現貨市場，但結算價格劇烈波動，最終結算價格在基準價上下浮動40%以內。主要有以下原因：①新能源發電出力與電力現貨市場價格負相關，即新能源大發的時候現貨價格低，新能源小發的時候現貨價格高；②新能源發電出力預測與氣象條件息息相關，目前技術水平僅能覆蓋15日導致大量電量進入價格波動劇烈的現貨市場。

當前形勢下，園區布局面對價格波動劇烈的困境，才能有效提高交易業務的價值。解決方法如下：

1）簽訂長期PPA協議（購電協議）。新能源發電方可與電力用戶或售電公司簽訂15～25年長期PPA協議，雙方以確定的價格形成方式交易電量。

2）配備交易團隊。建立具備電力現貨交易、算法、數字化能力的團隊，通過收集發電/用電負荷、電網運行方式、歷史價格、氣象等信息，精準預測發用電負荷及電價，通過交易策略優化，控制風險、提高新能源與儲能收益。不斷迭代將策略能力沉淀在自身開發的輔助交易決策平臺，通過對電力供需及價格的長期預測，指導新能源與儲能投資。

3）委托代理公司。委托外部成熟電力交易代理公司，同時逐步提升本公司電力交易能力，至少具備評價交易策略、監控交易行為、復盤交易結果的能力。

4.2 未來發展方向

目前電力交易仍處于初級到中級階段過渡期，市場存續交易水平良莠不齊，主要還是開展資源型電力交易工作，以雙邊協商為主要的電力交易盈利手段。隨著電力市場化改革深入，電力交易會更復雜、交易頻次增加、交易評價難度將提升，資源型電力交易能力將難以支撐。未來，交易的技術性和專業性特點凸顯，市場、技術、營銷與金融多維融合，交易量價有機配合，因此需要建立以算法為核心的新能源發電交易能力。

隨著新型電力系統的建設，單獨的發用電企業難以支撐新能源裝機的大幅增長，新能源發電出力的波動性、隨機性和一致性將對電網帶來極大挑戰，源網荷儲一體化（虛擬電廠）是目前比較經濟解決上述問題的方式，園區可盡早布局虛擬電廠項目。

5 結束語

開展零碳工業園區建設是近年來推動我國工業可持續、高質量發展的新理念、新模式，也是我國實現雙碳目標的重要助力。綠電建設是零碳工業園區必不可少的一部分，本文全面、系統提出包括綠電交易在內的綠色電力建設方案，未來零碳工業園區發展需著力打造集虛擬電廠、綠電交易、碳交易、綜合能源服務平臺等功能在內的數字化管理系統，實現高比例可再生智慧能源發電、儲能和用電的高效協調管理，同時參與市場化電力交易與區域智能能源調配，推動零碳園區智慧化、數字化高質量發展。