“光储直柔”在改造更新类未来社区低碳场景中的应用

朱一宇，沈 宇，朱祥宏（.浙江省建筑科学设计研究院有限公司城市更新研究中心，浙江 杭州 300；.浙江建筑特种技术工程有限公司，浙江 杭州 300）

中国提出的“双碳”目标将对中国的经济结构和居民生活方式产生深刻的变革，绿色清洁能源在未来 40 a 能源系统的比重也将逐步增加。未来社区作为共同富裕现代化基本单元，是以人民美好生活向往为中心，以数字社会高效组织生活场景为引领，聚焦人本化、生态化、数字化三维价值的幸福美好家园。低碳场景作为未来社区建设的九大场景之一，对于推动社区低碳化转型、城市绿色化发展、地区碳达峰目标实现具有重要意义。“光储直柔”技术将提高绿色清洁可再生能源在供电系统中的占比，为整个建筑行业实现碳中和提供了重要的路径。

1 “光储直柔”

“光储直柔”是在建筑领域应用太阳能光伏、储能、直流和柔性四项技术的简称，即在建筑中通过直流母线连接分布式光伏、储能和可调用电负荷实现市电功率柔性控制。

“光”是分布式太阳能光伏。光伏技术这十几年有了快速的迭代与进步。当前量产晶体硅组件的效率已经很容易达到 22% 以上，同时成本下降到过去的 1/10。推广分布式太阳能光伏的条件已日趋成熟。

“储”就是储能，广义上说有很多种方式，包括电化学储能、储热、抽水蓄能等等。这里重点是指电化学储能，如锂电池储能，尤其是利用电动车本身的电池。我国电动车每年的产销量已达百万辆，未来电动车实现双向充放电，不仅能满足电动车的交通工具属性，也能够成为电力在末端的储能调节手段。

“直”就是低压直流配电系统。随着建筑中电源和负载的直流化程度越来越高，直流供配电是一种更合理的形式。电源侧的分布式光伏、储能电池等普遍输出直流电。用电设备中传统照明灯具正逐渐被 LED 替代，各种空调、冰箱、洗衣机、水泵等电机设备也更多考虑变频的需求，此外还有各式各样电脑、手机的数字设备，这些都是直流负载。直流供配电技术对于提高建筑能源系统效率、提升用户安全性和使用便捷性、实现能源系统的智能控制，以及与电力系统的交互具有重要的作用。

“柔”就是柔性用电。一方面是电器设备根据直流母线电压的波动动态调整输出功率，也就是说当电器设备感知到外界电力供应处于高峰或紧张时，在满足舒适条件的同时，设备自动降低功率运行；另一方面是通过光伏、储能以及负荷三者的动态匹配，实现与电网的友好对接。光储直柔技术能够很好解决当下电力负荷峰值突出问题以及未来与高比例可再生能源发电形态相匹配的问题。

2 “光储直柔”在低碳场景的应用分析

2.1 分布式太阳能光伏

老旧小区的屋顶受到建筑之间相互遮挡较小，屋顶的太阳辐照条件较好，非常适合布置太阳能光伏板。通过屋顶的节能改造，结合太阳能光伏板，能有效阻挡太阳对屋顶的直接照射，不仅能发电，还能隔热降温。结合海绵城市相关要求合理地引导雨水径流，可以一次性解决屋顶的保温、隔热、排水、渗水等多种问题[1]。此外，建筑外墙、车棚、廊亭等也可以成为分布式太阳能的有效载体。

2.2 储 能

改造更新类未来社区中一般可以采取分布式储能和局部集中储能相结合的措施，随着电池技术迅速发展，可通过不同类型的电池组合满足社区局部微电网的功率密度、能量密度要求，而且锂电池已具备良好的经济适用性。分布式储能和局部集中储能可以在实现“储”场景同时，为实现“柔”场景提供基础。

未来电动汽车飞速发展，我国将至少拥有 3 亿辆以上的电动小汽车。按照目前的配置，这些车辆每辆配置 50～70 kW·h蓄电池。如果这些车辆停靠时都与充电桩连接，而这些充电桩又接入邻近建筑的“光储直柔”配电系统，则就拥有150 亿 kW·h/d 的蓄电能。电动车的飞速发展必将成为消纳光伏发电的主力军[2]。

2.3 低压直流配电系统

在建筑配电领域，直流的特性使光伏等分布式能源的接入和协调控制更简单：实现“直”发“直”用，大大减少“逆变上网”“整流用电”环节，有效提高了发电用电效能。

借助改造更新供电设施改造机会，把原有供配电设备改造为直流型光储变换器、直交流并网设备、交直流配电柜，并增加直流保护/测量/控制装置，以及增加监控管理系统。生活中的很多数字设备其实都是直流负载，比如：手机、电脑等，都能直接使用直流电；可以借此机会，配合以旧换新政策，鼓励住户把空调、照明、冰箱、电扇、洗衣机等交流电器设备更新为直流电器设备，有效提高了太阳能发电的用电效能，减少碳排放[3]。

2.4 柔性用电

通过对建筑配电系统的直流改造，使得居民家中末端AC-DC、DC-DC 或者用电设备的功率可以接受母电电压的控制，从而实现柔性调节。

同时，居民家用设备往往也具有可中断、可调节的特性。空调和供热系统可以利用建筑围护结构的蓄热性能和人对温度波动的适应性来进行短期负荷功率调节，为电力系统提供一定程度的灵活性；电冰箱、洗衣机、洗碗机、电/热泵热水器等也都具有延时启动、错峰工作的功能。

电动汽车作为“光储直柔”中“储”的重要组成部分，同时也是“柔”的重要组成部分。电动汽车蓄电量大，同时具备可调节性，定时充电等功能，具备合理选择充电时间的条件，在母线电压过低时，可以从汽车电池中取电，反向为建筑供电[2]。

3 “光储直柔”在义驾山广场改造中的应用

3.1 项目背景

按未来社区建设的要求，规划将义驾山停车场改造成社区的公共服务中心和文化广场。利用广场的钢构架、文化展示馆、立体绿化的改造来实现低碳场景。利用“光储直柔”技术建设太阳能光伏、太阳能立体绿化灌溉、太阳能直流供电、太阳能-电动自行车储能和集中储能等系统。

3.1.1 太阳能光伏系统

应用基于 Rhino＋Grasshopper 平台的 Ladybug 日照分析工具，对该太阳能光伏系统布置区域进行日照分析，计算结果显示，该区域全年日照小时数在 1 400 ～ 2 800 h 之间，全年太阳辐照强度在 860 ～ 1 400 kWh/m2之间，全年日照小时数以及全年太阳辐照强度相对较小区域出现在社区文化展示馆的左侧区域。

根据以上计算分析结果，本项目选用弱光性能较好的碲化镉薄膜太阳能光伏系统，单块面板 1.92 m2，共设置52 块，装机容量 12.48 kW。碲化镉具有高弱光性，表现在99% 以上的波长 ＜826 nm 的可见光可被一微米厚的吸收层吸收；在可见光范围内，碲化镉材料的吸光系数达到105 cm-1以上。在黎明、傍晚以及雨雪天气这种低照度情况下碲化镉也能正常发电[4]。

为了验证碲化镉薄膜太阳能光伏板的弱光性能，在系统安装完成后，进行了为期一周的现场测试，测试依据为GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中第五章太阳能光伏系统测试方法，测量指标为光电转换效率。测试结果见表 1。

表1 义驾山广场碲化镉薄膜太阳能光伏系统现场测试结果

测试结果表明，碲化镉确实在弱光环境下有较好的光电转换效率，并且部分阴雨天的光电转换效率大于晴天，从而验证了碲化镉薄膜太阳能光伏板具有良好的弱光性能。

此外，该系统在进行太阳能发电的同时，能营造舒适的室外环境，成为居民夏季纳凉的休闲场所，还能成为义驾山广场的一道风景。

3.1.2 义驾山文化展示馆 — 太阳能直流供电示范区

根据展示馆全年太阳能辐照强度分析结果显示，展示馆屋面辐照强度较好，达到了全年辐照强度 800 kWh/m2以上。因此考虑对展示馆屋面和围护结构进行节能改造。屋面布置太阳能光伏瓦，屋面下方设置防水层、保温层并增加木梁支撑体系。同时对展示馆进行直流供电系统改造，增加直流供配电系统，其中空调系统、照明系统、办公类电子产品采用直流化产品，提高用能效率的同时充分利用太阳能光伏系统。

3.1.3 电动自行车储能系统 ＋ 集中式储能系统

团队考虑在义驾山广场的文化展示馆周边设置太阳能-电动自行车补能系统。该系统紧邻一侧的 110 m2太阳能光伏系统，所发的电能可以直接为电动自行车进行充电，惠及周边居民。安排设置合理的充电时间，消纳光伏发电的同时，实现免费绿电充电和柔性用电。

如图 2 所示，义驾山文化展示馆附近区域还设置集中式储能系统，对多余的太阳能光伏发电电量进行消纳、调节，根据用能负荷曲线，能为整个“光储直柔”系统实现柔性调节。

图2 义驾山广场“光储直柔”系统示意图

3.1.4 太阳能立体绿化灌溉系统

义驾山广场的南侧是义驾山垃圾分类投放点。为了消除这个垃圾分类投放点对义驾山广场整体环境的影响，团队考虑利用立体绿化对垃圾分类投放点进行遮挡。立体绿化不仅从视觉上对垃圾分类投放点进行了遮挡，也起到调节室外舒适度的作用。

立体绿化日常维护需要提升灌溉。团队考虑将立体绿化布置在太阳能光伏系统附近，并利用太阳能光伏发电来直接驱动提升水泵进行灌溉。并在太阳能光伏板上设置雨水收集系统，收集雨水用于灌溉。该灌溉系统能合理设定灌溉时间，是一套节水节能的灌溉系统。

4 结 语

“光储直柔”是实现建筑碳中和的重要手段。在建设低碳场景的同时，积极推进“光储直柔”，通过“直发直用，余电上网”的方式提高用电效率，是改造更新类未来社区实现双碳目标的重要路径之一。同时提出以下具体建议。

（1）合理选用“光储直柔”技术。在改造更新类未来社区中推广“光储直柔”要考虑合理性、实用性、经济性，做到既能保证“光储直柔”长期可靠运行，又能使得系统配置具有较好的性价比。

（2）适当给予政策激励和引导。“光储直柔”是实现碳中和的主要路径，所以在推广之初，政府应适当给予补贴，鼓励居民以及厂家积极参与到“光储直柔”的应用。

（3）创新商业模式。要设计探索多种多样的“光储直柔”商业模式吸引社会资本参与改造和运营。并积极地参与到“碳金融”和“碳交易”中去。