“光储直柔”在现代工农业园区中的应用分析

周宏宇，肖经龙

（湖南省建筑科学研究院有限责任公司, 长沙 410011）

1 原理与意义

1.1 系统原理

“光储直柔”（photovoltaics, energy storage,direct current and flexibility，PEDF）指利用光伏、风能、生物能等可再生能源发电，用蓄电池、生物储能、空气压缩储能等方式进行能量储能、在建筑园区推广直流电器、直流输配电和利用柔性能源控制而构建达到双碳和绿色建筑目标的适新型建筑园区能源系统。

该系统利用在建筑表面铺设光伏板或现代工农业园区内装设风力发电装置，充分利用光、风、生物能等可再生能源，通过储能实现园区能量蓄存和调节，通过传输和设备的直流化实现园区内能源的高效利用，最后通过电网和园区内能源的高效配合，使园区对外界能源的需求量具有弹性，最终实现柔性用能。“光储直柔”将现代工农业园区从传统供电系统中“负荷”角色转变为现代电力系统中具备能源再生、能源消耗自给、能量调解储备功能并反向补充电网的“四位一体”的综合体，也是实现绿色低碳园区的重要途径。

1.2 “光储直柔”在现代工农业园区中应用的意义

现代工农业园区一般位于城乡接合部或相对地广人稀的农村地区，具有规模适度、产业集中、绿色发展、布局自由等特点，大部分园区土地价格便宜、日照条件优（或满足风力发电、生物发电条件）、新建建筑量大，非常适合布置“光储直柔”系统。一直以来，常规的园区能源体系以满足园区正常运营的能源要求（供暖、降温、排风等）为基本任务，园区仅作为能源消费者的角色，节能方面也仅仅以“省”为基本方法，通过控制技术实现更少的使用能源。当前，在“双碳”目标指引下，园区能源体系将面临更严苛的发展条件，需在节能的基础上追求更高的低碳目标。低碳化要求园区不再依靠传统的化石能源，而应该向建筑用能自给自足、自动平衡的方向发展；建筑将不仅仅作为能源消耗者，还应该充分利用自身条件，实现能源生产、能源储存、能源安全高效使用和柔性用电。

在现代工农业园区推广和应用“光储直柔”，有以下意义：

1）实现双碳目标，“光储直柔”初步预计可为建筑运行减碳约35%；2）提高园区供电可靠性和安全性，提高供电效率；

3）有效利用园区建筑外墙、屋面和空地装设新能源设备，节省能耗甚至反哺城乡电网；

4）新能源供电、高效储能和柔性交互使得园区从传统能源消耗的角色转变为“零负荷”能源系统。

2 对现代工农业园区中系统构建的探讨

现代“光储直柔”能源系统在建筑领域应用光伏（风能、生物能）、储能、直流和柔性4 项技术，与建筑传统供配电系统相比具有显著的差别，一方面是源、储、荷的布局从分离到融合；另一方面是终端建筑的用电需求也将从原来的刚性需求（用户用多少、电网供多少）转变为柔性需求（可中断、可调节）。另外，低压直流配电技术的应用使建筑供配电系统简单化，促进能效提升、可靠性提高和能量智能化控制的发展。怎么依据现代建筑新特点搭建“光储直柔”体系是这一新技术亟待解决的重大课题，该体系不是简单应用光能技术或某项单一能源技术，也不是“光、储、直、柔”4 方面的简单组合。搭建“光储直柔”体系必须通过各方面的共同努力，才能实现建筑能源系统能源生产、能源消耗、能源储存、科学交互“四位一体”综合体。尤其在现代化工农业园区中，更应该因地制宜，获取能源的方式不应仅限于光伏，还应该考虑生物能、风能等。

第一，能源获取方式。应该充分利用现代工农业园区远离城市、地域广阔和自然条件优良的特点，根据园区所在地区条件采取最适宜的新能源。光伏、风力、生物发电，应遵循因地制宜、因物制宜、灵活布置的原则。发展光伏、风力和生物能等可再生能源需要大批量的土地面积，相关能源生产和储能设备也需要大量安装空间，而现代化工农业园区恰好满足了这一要求，能为新能源的获取提供足够的场地。国家相关部门根据我国城乡建筑面积情况对建筑光伏装机容量进行充分调研后发现，光伏发电在最近30年内将产生数倍的增长[1]。对城乡接合地和农村的大量调查数据也充分说明，现代工农业园区所在的位置非常适合新能源系统的布局和建设。

第二，风力、光伏能源最大的缺陷是供能波动幅度大，因此，因地制宜地根据园区动植物情况布置一定体量的生物能是解决该问题的一种补充方式。同时，利用园区可用面积大的特点布置蓄电池储能、空气压缩储能等也是一个方面。当前电力能源体系中最常用的储能方式包含蓄热/蓄冷、化学电池、飞轮、抽水蓄能、氢、压缩空气等，这些储能方式解决的场景不同，需要的条件也不同。在现实使用中，必须对现场条件进行全面调研和分析，采取最经济合理的储能方式。随着蓄电池技术的不断发展，其容量越来越大、充电时间越来越短、安全性能也得到很大提升，要求的安装条件也不再苛刻，是未来建筑中最简单便捷的一个储能方向。

如何根据当地气候、动植物情况、园区建筑特点、地形地貌、工业和交通设备等条件选择经济性合理、持续健康的调蓄方式，是当前工农业园区配备高效能源系统必须研究的重大问题。工农业园区应该充分利用生产时间可以自由调配的特点，在新能源发电高峰期安排生产，尽量减少储能设备的容量，储能设备储存的电量主要用于满足生活用电。

第三，光伏等可再生能源发电一般为直流电，而日常生活中用电为交流电，常见的光伏建筑会安装逆变器，将直流电转变为交流电供日常使用，但转换过程中，会造成电量的损失。与传统光伏交流建筑用电相比，直流建筑具备电能传输成本低、电能利用率高(提高7%～9%)、设备投资少，投资回收期短(节省了交流变压器、整流逆变装置)等优势，在建筑上应用直流配电，可显著改善系统性能，提高电源品质和安全性，有效破解新型的零碳电力系统要大规模发展风电光电所面临的光电安装空间和风电光电调控这两大难题，是调度各方面资源、以较低成本助力新型零碳电力系统建设的有效途径，也是实现建筑全面电气化和用电零碳化可采用的有效措施。当前，光伏、生物能等可再生能源输出电源为直流电，直流配电系统能直接使用；同时现代建筑机电设备中越来越多的高效设备逐步使用直流电器（如LED 照明、直流空调、直流电机、电动汽车、直流机械设备等）。因此，新建的现代工农业园区，应尽量配置低压直流配电系统，并大量采用新型直流设备，充分发挥直流输电和用电效率高、损耗小、控制简单、安全性高的优势。图1 为工农业园区直流系统结构示意图。

图1 工农业园区直流系统结构示意图

第四，将园区从原来电力系统内的刚性用电负载变为灵活的柔性负载是工农业园区“光储直柔”体系的终极目标。要实现园区柔性用能，需要达到以下3 个条件：首先，必须利用最新整流逆变技术和动态控制技术，实现园区与整个电力系统的动态交互。其次，园区侧负荷应该能够实时根据电网侧供电情况进行有效响应，在电网供电压力大时充分利用本身发电和储能系统满足园区自身负荷需求，甚至向电网侧反哺能源；在电网侧有剩余电能时，将自身发电能源和电网能源快速储存到园区储能系统中。最后，如何根据工农业园区的自身特点配置最经济合理的“光储直柔”系统是必须重点研究的课题。我国工农业园区分布范围广，各园区所处气候条件不同，工业园区使用的机械设备、运输设备各具特点，农业园区的产业特征也不一样。因此，必须充分调研其实际情况，采取最经济合理的能源获取方式、储存方式和使用方式，做到“源、储、网、荷”多方位的高效协调配合。传统工农业园区用电负荷大，尤其是白天工作时间段负荷尤为突出。现代工农业园区充分利用日照条件，在电网用电高峰时段充分利用自身新能源发电电量，电网用电低谷阶段甚至能储存一部分电能。现代工农业园区的柔性用电，将为区域电网稳定和节省园区企业能源开支做出贡献。

3 发展前景

“光储直柔”系统是建筑领域解决双碳要求和绿色建筑行之有效的重要途径，目前已获得国家、各部委等多个层面的政策支持和社会多方面的积极响应，具有广阔的发展前景[2]。国务院关于印发《2030 年前碳达峰行动方案的通知》明确指出：“建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔’建筑[3]。”住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中也指出：“十四五”期间要“建设以‘光储直柔’为特征的新型建筑电力系统，发展柔性用电建筑[4]。”一些地方也出台了相应政策支持光储直柔建筑的实际落地，深圳市福田区科技创新局前不久印发的《深圳市福田区支持战略性新兴产业和未来产业集群发展若干措施》对“光储直柔”项目落地提供经费支持，对完成并网及验收通过的实际投入200 万元以上且直流负载/总负载≥10%的“光储直柔”项目，按项目实际建设投入20%以内，一次性给予最高500 万元支持。政策支持为“光储直柔”体系的推广应用提供了特大支持，同时对“光储直柔”系统的关键理论、技术装备、工程应用等提出了迫切需求。作为面向碳中和目标的新兴技术，“光储直柔”需要在建筑场景的系统基本架构、支撑系统构建的关键设备、工程设计应用方法、系统运行调节控制、产品和系统技术标准等多方面建立起相应的完备技术体系。当前，在多个部门的支持下，国内多家单位已联合在“光储直柔”技术研发方面取得了一定突破，为实际工程的落地提供了有效支持[5]。

从“光储直柔”4 方面来看，这一新型建筑能源系统的发展还需要在多方面开展深入持续工作。当前，建筑的节能减排和绿色是建筑设计必须考虑的一个因素。将来，建筑不再是传统意思上的电网负荷，而应该是集能源生产、能量储存、用能调节、子母系统动态交互的多功能综合体，而“光储直柔”技术的不断创新和发展，将为实现这种新型建筑体奠定坚实的基础[6]。“光储直柔”体系在现代工农业园区中的应用，将更深层次解释和革新建筑体与外部能源网直接的互动关系，促进关键设备产品如直流电器、直流变换器等的研发，将工农业园区发展成为重要的可再生电力来源，对现有电网负荷进行合理补充。同时，也将推动整个能源系统的低碳发展，降低园区对电网的依赖，节省园区费用，具有巨大的市场前景。