中国光储直柔建筑战略发展路径研究（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-integrated PhotovoltaicUtilization Patterns and FlexibilityEvaluation Methods 清华大学 Tsinghua UniversityDec15,2023 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 Thisreport is a product of Tsinghua University and is funded by EnergyFoundation China. 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 -Unless otherwise specified, the views expressed in this report are those oftheauthors and do not necessarily represent the views of EnergyFoundationChina.Energy Foundation China does not guarantee theaccuracy of the information and data included in this report and will not beresponsible for any liabilitiesresultingfrom or related to using this reportby any third party. -The mention of specific companies, products and services does not implythat they are endorsed or recommended by Energy Foundation China inpreference to others of a similar nature that are not mentioned. 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。 -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。 -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。 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。 -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。 -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。 -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。 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。 -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，但是要实现建筑的灵活调节，需要较大的储能投入；而对于电动汽车，其日耗电仅占总电池容量10%，电池容量相对比较富余，但是同时电动汽车需要比较大的充电功率，随着车辆电气化的推进会给电网带来较大负担。因此建筑与电动汽车可以优势互补，建筑可以为电动汽车提供富余的配电容量满足其充电功率需求，而电动汽车可以为建筑提供富余的储能容量，两者可以实现协同配合。 -对于暖通空调系统，室内设定参数、室内末端、输配系统和冷热源系统 等有一定的柔性调节潜力。如图11对于室内设定参数，温度、湿度、二氧化碳浓度等都有允许的波动范围，利用其波动特点和建筑本体的惯性，可以实现建筑用能调节；对于输配系统，管网中的冷热水也有一定的蓄能能力；对于冷热源系统，可以为其配套主动的蓄能方式。总体而言，对于供冷工况从分体空调到半集中空调，再到集中空调+蓄冷系统，其可利用柔性调节能力逐渐变强；而对于供暖工况，从对流末端到辐射+对流末端，到辐射末端，再到蓄热系统，其柔性调节能力逐渐变强。 -各类可储能电器设备也是重要的虚拟储能形式。全球锂离子电池市场中消费电子产品占比达到了33%~40%，为主要应用板块。因此电器设备拥有海量的分散式蓄电池资源，对其进行深入研究可以挖掘出巨大的等效储能潜力。图12给出了常见电器设备功率、能耗范围。 5.各柔性用能资源量化描述方法 -建立“等效电池模型”对广义储能进行统一刻画。利用等效储能的主要目的是为了减少传统储能的装机容量，因此需要将其纳入传统储能的设计评价体系。给出虚拟储能的“等效电池模型”定义，参数包括折算的等效充电功率、等效放电功率、等效储电量和等效综合效率。图13对比了三类建筑区域虚拟储能资源和各类传统储能技术，建筑区域虚拟储能资源 的等效时间常数T主要为分钟-天的量级。考虑等效折算系数后各类可利用储能成本的大致范围如图14，其仍显著低于蓄电池。 -电动汽车+充电桩的实际可调度虚拟储能能力，受到车辆行为、电池安全、充放电系统功能和策略等的影响。对于常见的功率不可调单向充电桩，其一连接就以车辆允许的最大功率充电，一般不具有功率上调的能力；其等效储电量为电量可调节的上限值与实际值之差（即图15(a)中黄区域面积与时长t的比值）。于功率可调的单向充电桩，其充电功率可根据指令，在0至额定功率之间连续调节；与图15(a)相比相同时长t内黄区域面积更大，等效储电量更大。对于功率可调的双向充电桩，其功率可降低至放电功率，理论上可在保证电池安全的前提下调度所有的电量；如图15(c)，黄色区域面积进一步增大，等效储电量折算系数也相应增大。 -暖通空调系统一般包含冷热源、输配系统和末端三个环节，各环节均有冷热蓄存能力。冷热源可配有蓄冷/热水罐、蓄冰槽等冷热蓄存设备；输配系统带有载冷/热的工质，具有一定的热容量；末端能够不同程度地利用建筑热容，室内温湿度参数允许在人员可