中国光储直柔建筑战略发展路径研究（二期）

中国光储直柔建筑发展战略路径研究 （二期） ResearchontheStrategicPathofPEDFBuildingsinChina(PhaseII) 子课题1：建筑光伏利用模式与柔性评价方法 Task1：Building-integratedPhotovoltaic UtilizationPatternsandFlexibilityEvaluationMethods 清华大学 2023年12月15⽇ TsinghuaUniversityDec15,2023 1 致谢 本研究由清华大学统筹撰写，由能源基金会提供资金支持。 ACKNOWLEDGEMENT ThisreportisaproductofTsinghuaUniversityandisfundedbyEnergyFoundationChina. 免责声明 -若无特别声明，报告中陈述的观点仅代表作者个人意见，不代表能源基金会的观点。能源基金会不保证本报告中信息及数据的准确性，不对任何人使用本报告引起的后果承担责任。 -凡提及某些公司、产品及服务时，并不意味着它们已为能源基金会所认可或推荐，或优于未提及的其他类似公司、产品及服务。 Disclaimer -Unlessotherwisespecified,theviewsexpressedinthisreportarethoseoftheauthorsanddonotnecessarilyrepresenttheviewsofEnergyFoundationChina.EnergyFoundationChinadoesnotguaranteetheaccuracyoftheinformationanddataincludedinthisreportandwillnotberesponsibleforanyliabilitiesresultingfromorrelatedtousingthisreportbyanythirdparty. -Thementionofspecificcompanies,productsandservicesdoesnotimplythattheyareendorsedorrecommendedbyEnergyFoundationChinainpreferencetoothersofasimilarnaturethatarenotmentioned. 执行摘要 1.建筑分布式光伏的迅速发展与消纳问题 -建筑分布式光伏蓬勃发展。近几年我国光伏发电装机容量增长迅速，其中分布式光伏的占比越来越大，而建筑业作为主要能源消费者和用地占用者，其在分布式光伏利用方面具有巨大潜力。但是由于光伏发电有其固有的间歇性、周期性，其与建筑用电存在时间尺度上的不匹配，为了减小电网调节压力、提高可再生能源利用率，建筑光伏的利用模式有待深入研究。 -建筑光伏利用模式和柔性评价方法。随着光伏技术发展、光伏电池价格迅速下降，建筑开始大规模装配分布式光伏，随着分布式光伏发电占建筑用电比例的提高，需要进一步探究不同建筑场景的自身可再生电力利用模式，并分析储能、柔性调节等在其中发挥的作用。另一方面，从整个建筑角度出发，要发挥其与电力系统的协同作用，需要深刻认识建筑中的柔性可调资源，将建筑中的柔性可调资源纳入到从容量和功率角度出发的常规储能资源刻画体系中，有助于对不同柔性可调资源进行统一的量化评价，可以帮助形成建筑区域广义储能资源的设计方法。 2.分布式光伏发电与建筑用电匹配关系分析 -建筑用电的季节变化受到气象变化影响，周内和日内变化受到人员作息影响。如图1所示从季节变化看，不同建筑类型夏季7月的用电均高 于过渡季4月和10月的用电，冬季1月的用电与建筑的采暖形式有关； 从周内变化看，办公建筑周末用电低于工作日用电。如图2所示绝大多 数建筑的用电峰值出现时间较少，大于95%的峰值时间仅占全年的1%以下。将建筑内的最大用电功率作为基准，可以计算出建筑的峰值功率等效利用小时数，这一数值通常集中在2000至3500小时之间，从建筑实际用电特征来看建筑侧配电容量的充分利用仍存在一定的优化空间。 1 商业 (b)商业 办公 办公 住宅 住宅 归一化用电 (a) 归一化用电 归一化用电 1.1-1.74.1-4.77.1-7.710.7-10.141.14.17.110.7 (a) 3502h 2820h 图1典型建筑逐小时用电曲线：(a)不同季节四个典型周曲线；(b)不同季节四个典型日曲线 (b) 3502h 2514h 2285h 图2典型建筑年用电功率延时曲线和峰值功率等效利用小时数：(a)不同气候区商业建筑；(b)北京不同类型建筑 -光伏发电与建筑用电曲线形状上的不匹配关系以日内不匹配为主导。采 用不匹配系数刻画光伏发电与建筑用电曲线的形状差异，先将发电与用电曲线除以各自的平均值进行标准化，标准化用电曲线减去发电曲线得到的不保障用电部分进行滑动平均分解，可以得到日、周、季节三个不同时间尺度的不匹配系数。由于光伏发电与建筑用电均存在明显的以日为周期的波动，不同典型建筑的不匹配系数均以日不匹配系数为主导。如图3不同气候区商业建筑的年不匹配系数接近，但是不同时间尺度分 解成分的占比略有差异；办公、商业等日间用电为主的建筑不匹配系数较小，而公寓以夜间用电为主不匹配系数最大。 (a)(b) 0.440.440.440.410.44 0.5 不匹配系数 不匹配系数 0.4 0.3 0.2 0.1 0 严寒寒冷夏热冬冷温和夏热冬暖日不匹配周不匹配季不匹配 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.61 0.440.44 0.44 商业办公餐厅公寓日不匹配周不匹配季不匹配 图3典型建筑不同时间尺度不匹配系数计算结果：(a)不同气候区商业建筑；(b)北京不同类型建筑 -用光伏自消纳率与自保障率组成的匹配性图同时刻画供需在时间和规 只出不进 净输出 （产能建筑） 净消纳 自消纳率(%) 只进不出 自保障率(%) 模上的匹配性。自消纳率为光伏发电中被建筑消纳的比例，而自保障率为光伏发电被建筑消纳部分占建筑总用电的比例。构建自消纳率、自保障率组成的二维图如图4。关注逐时的光伏发电与建筑用电关系时，横坐标为100%表明任何时刻光伏都能被建筑消纳，对应了“只进不出”型建筑；纵坐标为100%表明任何时刻光伏都能保障建筑用电，对应了“只出不进”型建筑；横纵坐标均为100%时表明光伏可以保障全部用电同时光伏也能被全部消纳，对应了“不进不出”型建筑；此外的其他情况下建筑与电网双向互动，为“有进有出”型建筑。“有进有出”型建筑在增加储能或采用柔性调节时，如果忽略造成的损耗，光伏发电建筑用电比值的变化较小，因此状态点将沿着其与原点的连线向右上角移动。 图4用自消纳率-自保障率二维图反映发电用电匹配关系 3.分布式光伏消纳模式分类研究 -不同光伏发电占比下达到消纳极限所需的储能容量存在差异。如图5(a) 增加储能或柔性调节，可以使建筑与电网实现单向交互或成为孤岛型建筑。如图5(b)展示了增加储能时商业建筑光伏消纳状态点的变化情况，其中标准化储能容量为真实储能容量除以年平均用电功率单位为小时。当发电用电比小于1时，光伏消纳的极限是完全自消纳，由于商业建筑日间用电较多，增加少量储能即可趋近于“只进不出”型；而当发电用电比大于1时，消纳的极限是光伏完全保障建筑用电，由于光伏发电仅在日间，要完全保障夜间用电仍需要较大的储能容量，因此实现“只出不进”型建筑储能需求较大。 (a) 只出不进 PRE=42 不进不出 (b) PRE=4 2 1 1/2 1/4 自消纳率 标准化储能容量(h) 1 自保障率 自保障率 储能/柔性调节 净输出 净零 净消纳 1/2 1/4 只进不出 自消纳率 图5不同发电用电比下增加储能/柔性调节使建筑与电网单向互动或成为孤岛型建筑：(a)示意图；(b)商业建筑案例 -城市建筑一般光伏发电占比较低，可通过增加储能或柔性调节成为“只 进不出”型建筑。如图6，左侧蓝色线段为数值为1的等自消纳率线，右侧蓝色线段为数值为1的等自保障率线。其将建筑光伏消纳模式分为了 4类，左上角区域代表了光伏完全自消纳的“只进不出”型建筑，右上角区域代表了建筑用电完全自保障的“只出不进”型建筑，下方区域代表了建筑与电网双向互动的“有进有出”型建筑，上方的红色线段代表了不需要与外电网互动的“不进不出”型建筑。净消纳建筑要实现“只进不出”所需的标准化储能容量与光伏发电占比呈正相关。 不进不出-电力孤岛，交通场站、岛礁、边疆等 只出不进-农村 自保障率=1 又进又出-当前主要模式，余电上网 自消纳率=1 只进不出-城市建筑 储能容量需求 光伏发电与建筑用电比 图6增加储能/柔性调节使净消纳建筑成为“只进不出”型建筑 -单位面积能耗强度低、楼层较少的建筑可以转变为“只出不进”型建筑。 其可以成为向外界稳定输出电力的分布式电源，与示意图图7(a)右上区域对应。如图7(b)所示，当光伏发电建筑用电比大于1时，若光伏发电量增加建筑实现“只出不进”所需的储能容量降低，但是降低到一定程度后变化速度放缓，光伏发电占比极大时同样需要一定量的储能才能实现“只出不进”。因为光伏发电存在日内的间歇性，光伏发电量较多时仍然需要投入一定储能才能满足夜间等时段的电力需求。 (a) 不进不出-电力孤岛，交通场站、岛礁、边疆等 (b) 自消纳率=98% 标准化储能容量(h) 只出不进-农村 储能容量需求 只进不出-城市建筑 又进又出-当前主要模式，余电上网 光伏发电与建筑用电比 自保障=98% 仍需投入储能满足夜间等电力需求 发电用电比(-) 图7(a)增加储能/柔性调节使净输出建筑成为“只出不进”型建筑；(b)发电用电比较大时实现98%自保障率所需储能容量 -要保障孤岛型建筑正常运行，需要克服光伏发电与建筑用电间的季节不 不进不出-电力孤岛，交通场站、岛礁、边疆等 匹配问题，这需要配置容量较大的长周期储能。如图8(a)，当光伏发电建筑用电比接近1时建筑为净零能耗建筑，增加储能可以使得建筑自消纳率、自保障率都变为1，成为“不进不出”的孤岛型建筑。如图8(b)一年用电量为1840万kWh的海南建筑要构建孤岛电力系统，需要~20万kWh储能容量，所需储能容量巨大。在实际应用中，需要根据不同情况和需求，采用灵活的用电方式、选择合适的储能技术来满足孤岛型建筑的电力需求，以保证建筑在合理的成本投入下能够获得可靠的电力供应。 (a) (b) *孤岛：完全自给，储能容量需求高 只进不出-城市建筑 又进又出-当前主要模式，余电上网 只出不进-农村 储能容量需求 充分挖掘等效储能资源、设置一定电池容量时 光伏发电与建筑用电比 图8(a)增加储能/柔性调节实现孤岛型建筑；(b)年用电量为1840万kWh的海南建筑实现孤岛运行所需储能容量 4.建筑柔性用能资源特征调研与分析 -有效挖掘虚拟储能潜力，可大幅减少传统储能投资，满足可再生能源发 展对于储能的迫切需求。现有储能技术各自具有优势和局限，单一技术无法满足所有调蓄需求。用户侧的虚拟储能资源根据终端实际使用需求，通常可分为电能储存和热能存储，如图9所示。对于电能存储，电动汽车已超过消费电子产品成为主要应用板块。因此，带有智能充放电系统的电动汽车和各类可储能电器设备是最具潜力的终端电力虚拟储能。对于热能存储，暖通空调系统占建筑运行能耗的30%~80%，且通常具有冷热蓄存能力。上述三类虚拟储能资源都与建筑区域能源系统的规划设计和运行调控密切相关。 本体 冷热电池 电器 … 冷热类 电池类 扫地机 带蓄电设备 蓄电池电动车 蓄冷 蓄热 相变材料 围护结构 图9用户侧储能/等效储能 -随着电动汽车占比迅速提高，电动汽车以充电桩作为接口，可以为建筑提供可观的储能能力。如图10对于建筑来说其配电容量等效利用小时数较少，存在配电容量的富余，但