基于相变储能的建筑光伏系统储能优化配置研究

程伟

摘要：我国城市化步伐加快，增加了建筑的能耗，不仅会带来能源方面的危机，还会造成对环境的污染，通过建筑微网的构建，对可再生资源进行消纳，能够使电网的压力得到缓解，而且具有低碳、清洁的特点。由于目前建筑光伏系统存在一些问题，所以，就需要在建筑光伏系统中考虑相变储能的加入。对于建筑物内温控负荷使用相变储能联合空调来满足其要求。本文主要介绍了基于相变储能的建筑光伏系统储能的优化，需求响应模型及优化调度策略。

关键词：相变储能   建筑光伏系统  储能优化配置   研究

建筑能耗是各行业中的耗能大户，在我国已经接近占总能耗的30%，如何有效的降低建筑能耗是目前人们关注的焦点之一。在节能的基础上如何使用可再生能源，降低建筑物传统能源消耗量是近几年人们的努力方向。城市化进程的加快，造成了建筑能耗的增长，也带来了能源危机，造成了环境的污染，为了解决这一问题，就需要借助建筑光伏系统，但是，建筑光伏系统存在一些问题，比如光伏出力值和用电系统的负荷不够匹配，弃光等。所以，建筑微网结构的构建有重要的意义和价值。

一、加入PCM的建筑光伏系统种类

建筑光伏微网的建立要以原有的用电系统为中心，该网比传统的光伏微网有优势的地方在于，除了有蓄电池，还使用了相变储能技术，其中，建筑照明和电器的电能由光伏系统提供，生活用水和采暖的热能由相变储能系统提供[1]。

1.1分布式光伏微网

建筑中的分布式光伏微网，除了有光伏电池板和蓄电池，还包括配电器等设备，工作方式灵活，不仅可以孤岛运行，还可以发电上网，控制和管理自身系统。在本文的研究中，对于建筑内的负荷要求是优先满足的，对于相变储能系统和蓄电池的充电是利用剩余电量进行，如果剩余电量仍然用不完，就可以进行发电上网，不仅能创造收益，还可以在系统发电量减少时，进行回购，使建筑内整个时间段的用电需求得到满足。

1. 1. 1 光伏系统的出力特点

因为光伏的出力容易受到地理位置和天气情况的影响，所以，它的特点就是不确定、会产生波动。系统可以实时监测到发电量，能够以此为依据绘制该系统的日处理曲线，该曲线像一条抛物线，主要还是因为该系统具有容易产生波动的特点，云层的遮挡也会对系统造成影響。一般情况下，早上日出后，光伏系统开始工作，出力程度随着时间的推移，光照强度加大而上升，一般在午后达到出力值的顶峰，之后开始下降，傍晚日落后出力值为零，在没有光照的夜晚，也是没有出力值的。如果光伏的出力和负荷曲线不匹配，就会发生弃光，而且是大量的。

1. 1. 2 蓄电池的充放电

光伏发电系统中，必须有蓄电池，主要作用是储蓄电能，可以对太阳能发电方式的不足进行弥补。但目前由于投资成本和政策等问题，限制了储能的广泛应用，为解决这一问题，有研究提出了储能共享模式。将储能装置应用到微电网中，采用下垂控制和功率分配是解决系统功率不平衡的常见策略。在本文的研究中，蓄电池主要是对光伏发电中产生的多余电量进行储存。蓄电池的荷电状态直接影响着它的充放电功能。

1.2相变储能模型

相变储能模型是通过相变材料的相变来储存或释放其中的热量。该模型的特点是，体积变化小、能量密度高、化学性能稳定、无毒安全、可以循环利用、对环境友好。

建筑光伏系统中加入PCM，可以在用电低谷或者光伏发电出现富余的时候，对电能进行储存;当光伏发电量不够、用电高峰时，相变储能系统可以对建筑的室内温度进行调节。在本文的研究中，使用的相变材料是月桂酸和癸酸这两种材料，复合比例是0.5比0.3，相变温度是18摄氏度，能够保证冬季室内的温度在11到17度之间，夏季温度在17到22度之间。

二、需求响应及优化

电力用户的电力消费习惯、模式的改变可以通过需求响应来实现，对于用电量供需不平衡能够很好地进行解决，降低供电系统的成本，电网的运行效率获得提高，对系统的资源进行优化，还可以对电网的运行和投资收益进行协调。需求响应主要是基于价格和基于激励这两种。需求响应如果是基于价格，主要是用户以电价的价格对自己用电的时间进行调整，降低自己的用电费用。基于激励则不同，主要是通过激励政策的制定，对用户进行激励，一旦供电系统出现问题，用户自主自觉地减少系统的用电负荷。

2.1分时电价的需求响应

分时电价主要是在一天的不同用电阶段实行不同的电价。需求响应引用的措施之一就是分时电价的使用，分时电价能够使电能在负荷高峰时的价值得以体现，通过分时电价，可以改变和调整用户的用电方式和时间，从而达到负荷曲线的改变。电价的合理定制是采用分

时电价需求响应的关键环节，用电高峰期，如果电价定得太高，会造成用户出现过度的响应，从而造成用电高峰时间负荷下降过快，用电低谷期负荷增加速度过快的情况，甚至会使系统出现峰谷倒置的问题。与此同理，如果用电高峰期，电价定得太低，又会出现用户响应过低的情况，不能实现削峰填谷。所以，用户的用电量取决于电价的制定和变化。电价弹性系数可以对电价和电量的变化量进行表达，主要分两种类型，一种是交叉弹性系数，另一种是自弹性系数。在本文的研究中，相变储能系统、空调可以以光伏系统的出力情况、用电时段对建筑的室内温度进行调节。

2.2需求响应的两种情况

2.2.1负荷值小于光伏系统出力值

不管是哪个用电时段，都要对室内温度使用空调来进行调节，此时的光伏系统供电为负荷，蓄电池需要使用富余的电量进行充电，蓄电池充满电时，可以给相变储能系统进行充电，蓄电池和相变储能系统都充满电了，就可以将富余的电量发电上网。

2.2.2负荷值大于光伏系统出力值

在用电高峰和用电平稳时段，主要有两种情况：第一，如果相变储能系统没有储存电量，对室内的温度就需要使用空调进行调节;如果是使用蓄电池供电，电量不够的情况下，就可以从系统回购。第二，如果相变储能系统储存有电量，对室内温度就应该使用相变储能系统进行调节。

结语：相变储能技术在建筑行业的应用，引起各方的关注，尤其是在建筑光伏系统储能中的应用，提高了供电的效率。本文主要研究了在建筑光伏系统中加入相变储能系统，通过需求响应模型的建立，降低了光伏系统的成本，优化了光伏系统的储能容量。

参考文献：

[1]李艳，胡志豪，随权，等.考虑风光热不确定性和相变储能系统的城市建筑微网电–热联合调度[J]. 电网技术，2019，43（10）：3687-3697.

[2]杨天蒙，韩震焘，史喆，等.能源互联网系统中复合储能协调优化配置方法研究[J].电测与仪表，2021，58（5）：8-13.