建筑集成光储系统中的储能配置和运用要点研究.pdf
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1、2023 年第 10 期2023 年 10 月 中国建筑能耗研究报告(2020)数据显示:2018 年建筑运行阶段能耗 1.0109吨标准煤,占全国能源消费总量的 21.7%。为降低建筑能耗,实现环境可持续发展,光储系统在建筑中的应用具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。文献1介绍了储能技术在分布式发电领域的应用现状,并对其具体应用模式进行了总结;文献2介绍了一个利用蓄电池对大型储能系统进行峰谷电价平抑的案例;文献3分析了光伏、储能和直流配电等在低碳建筑能源系统中的技术可行性;文献4提出了在分布式光伏并网系统中应用混合储能系统,并以此来更好地平抑光伏出力波动;文献5提出了一种用于直流微电网的储能
2、系统优化配置方案,该方案对储能系统功率分配可控性和可调度性提升有积极效果。作为微网系统的重要组成部分,储能装置可有效减少弃光现象,使系统供电稳定性和运行经济性大大提高6。合理的储能系统配置不仅能保障系统供电可靠性,还能最大限度地为系统创造收益以及提高资源利用率。建筑储能在类型选择、容量配置和装置布置等方面与常规的储能电站有很大的不同,而且目前针对建筑储能的相关标准十分缺乏。目前建筑储能市场中使用较多的是电化学储能技术,其使用规范仍有不足之处7,储能电池及其管理系统的设计、运行以及维护等方面的标准均不完善8-9。与大规模的储能电站相比,建筑中的储能系统对安全性、环保性及经济性方面有着更高的要求。
3、因此,对建筑集成光储系统中的储能部分进行科学合理的设计,对整个系统的可靠经济运行具有重要意义。本文从建筑储能类型选择、建筑储能容量配置和建筑储能装置布置三方面对建筑光储系统中储能的配置和运用要点进行讨论。收稿日期:2023-07-07第一作者简介:田品慧,1997 年生,女,河北沧州人,在读硕士研究生,主要从事分布式发电技术、储能方面的研究。建筑集成光储系统中的储能配置和运用要点研究田品慧,朱显浩,朱永强(华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)摘要:在建筑中配置光伏发电和储能系统袁 可以使其从单纯的耗能建筑向集能源生产尧 消耗尧 调节功能于一体的载体转变遥 为了完善当前建筑储能配
4、置体系袁 提出了光伏建筑在选择储能技术时需要把握安全可靠性尧 经济性尧 环保性等原则袁 从建筑储能类型选择尧 储能容量配置和储能装置布置 3 方面介绍了建筑光储系统中储能部分的配置和运用要点遥首先袁 根据建筑实际情况选择了合适的储能类型曰 其次袁 介绍了 3 种常见应用场景下的电池容量设计思路曰 再次袁 提出了储能装置布置应遵循的原则曰 最后袁 结合实际建筑案例对上述配置和要点的应用进行了分析袁 旨在为储能系统在光伏建筑中的推广提供有益的参考遥关键词:建筑储能曰 设计要点曰 类型选择曰 容量配置曰 装置布置中图分类号:TM726文献标志码:A文章编号:2095-0802-(2023)10-00
5、37-04Configuration and Application Rules of Energy Storage in Building Integrated PVand Storage SystemTIAN Pinhui,ZHU Xianhao,ZHU Yongqiang(Department of Electrical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:The configuration of photovoltaic power generation and
6、energy storage systems in buildings can transform them frommere energy-consuming buildings to carriers that integrate energy production,consumption and regulation functions.In order toimprove the current building energy storage configuration system,it was proposed that photovoltaic buildings need to
7、 grasp theprinciples of safety and reliability,economy and environmental protection when choosing energy storage technology,and theconfiguration and application points of the energy storage part of the building photovoltaic storage system were introduced fromthree aspects:energy storage type selecti
8、on,energy storage capacity configuration and energy storage device arrangement.Firstly,the suitable energy storage type was selected according to the actual situation of the building;secondly,the battery capacitydesign ideas for three common application scenarios were introduced;subsequently,the pri
9、nciples to be followed for thearrangement of energy storage devices were proposed;finally,the application of the above-mentioned configuration and pointswere analyzed in the light of actual building cases,aiming to provide useful references for the promotion of energy storage systemsin photovoltaic
10、buildings.Key words:building energy storage;design elements;type selection;capacity configuration;installation layout(总第 217 期)能源产业372023 年第 10 期2023 年 10 月1建筑储能类型选择不同的储能技术具有各自不同的优缺点,在实际应用中应针对不同的场景和需求来选择储能类型10。文献11提出,对于光储建筑中的储能系统,由于大量分布式电源和运行特性复杂的负荷的接入,以及其分布于建筑内部的特点,建筑对储能性能和消防安全的要求远高于常规的储能电站。根据国家标准
11、GB/T 513682019 建筑光伏系统应用技术标准 中相关规定,建筑集成光储系统宜选择电化学储能。电化学储能技术具有受自然环境影响小、建设周期较短、使用灵活等优势,是未来储能技术的主要发展方向。综上所述,对建筑集成光储系统的储能类型进行选择时,电化学储能是首要之选。在对建筑中使用的电化学储能电池类型进行选择时,需要考虑安全性、经济性、地理条件限制、储能寿命、环保性等因素。其中钠离子电池、磷酸铁锂电池和全钒液流电池在城市建筑储能中占据着重要地位。3 种储能电池的性能参数对比如表 1 所示。表 13 种储能电池的性能参数比较表3 种电池中全钒液流电池安全性最高、循环寿命最长、全生命周期度电成本
12、最低,但存在初始投资成本高、能量密度低的缺点,因此更适用于较大规模的储能场景;小型化和用户侧储能对电池体积和重量有一定要求,能量密度更高的磷酸铁锂电池和钠离子电池更具优势,钠离子电池与磷酸铁锂电池相比,初始投资成本较低,但性能上有一定差距,适用于对经济性要求较高的储能场景;目前磷酸铁锂电池在储能领域占比超过 94%,已形成相对完备的上下游产业链,而且磷酸铁锂电池是锂离子电池中安全性最高的储能电池,在小型化和用户侧储能应用领域有较大优势。2建筑储能容量配置随着储能技术的不断成熟,越来越多的储能装置开始应用到建筑中。当储能容量设置得过小时,不能满足系统对其充放电调节能力的要求;当储能容量设置得过大
13、时,会造成设备性能过剩,增加设备成本。合理设置储能容量,可以降低网络损耗、改善电压质量、提高系统稳定性和经济性12-14。在对建筑储能系统进行容量配置时,首先要对项目地基本信息进行搜集,获取项目地的电价及补贴政策;完成后,还需调查用户的用电情况及用电规律;最后,依据调研结果,统筹不同利用场景,进行容量配置设计。本文主要介绍 3 种常见应用场景下的电池容量设计逻辑:自发自用、峰谷电价、停电备用。2.1自发自用当所在地区电价较高或者对光伏并网给予的补贴较低甚至无补贴时,安装光储系统可以大幅降低用电费用。该情景下所希望达到的目标是光储系统能够完全覆盖用户用电,但在实际中很难实现。因此综合考虑投资成本
14、和建筑用电情况,可以根据平均日用电量来确定储能电池的容量。设计思路如图 1 所示。注:DOD 为放电深度。图 1自发自用场景下储能容量设计思路图2.2峰谷电价当所在地区存在峰谷电价政策,假设峰谷电价的结构如图 2 所示,图中 17:0021:00 为用电高峰期。在用电量少的时段,建筑用电可通过光伏系统来满足。在用电高峰时段,为了降低用电费用,储能系统需要承担至少一半的用电量。假设处于高峰期时平均日用电量为 20 kW h,则设计思路如图 3 所示。类别钠离子电池 磷酸铁锂电池 全钒液流电池能量密度/(W h kg-1)100 耀 150120 耀 16015 耀 50能量转换效率/%84 耀
15、9086 耀 9075循环次数/次2 000 耀 5 000 3 000 耀 6 000 12 000 耀 20 000响应时间/ms约10约10约100安全性一般一般高理论初始投资成本/(元 W-1 h-1)1.1 耀 1.41.5 耀 2.04.0 耀 5.0全生命周期度电成本/(元 kW-1 h-1)0.60 耀 0.800.56 耀 0.750.42 耀 0.53环保性好好好图 3峰谷电价场景下储能容量设计思路图平均用电量8 kW h/d5 kW 光伏储能系统平均发电量 15 kW h/d晚间平均用电量5 kW h/d电池有效电量5 kW h电池标称电量考虑 DOD、充放电效率需留有余
16、量白天自发自用用电高峰时长 4 h高峰时平均用电量 20 kW h/d需电池供电量10 kW h电池有效电量10 kW h电池标称电量考虑 DOD、充放电效率需留有余量图 2峰谷电价结构图低谷;平段;高峰。0:00 2:006:0015:0017:0021:00 24:00时刻382023 年第 10 期2023 年 10 月2.3停电备用该场景主要适用于电网不稳定或含有重要负荷的情况。在电网处于正常供电的情况下,储能电池优先处于充电状态;在电网处于停电状态时,需要光伏发电和储能系统共同保证重要负荷的正常运行。在进行电池容量配置时,需要考虑离网条件下需要储能电池单独承担的电量值。因此离网状态下
17、的建筑用电总功率和离网时间是非常重要的参数。设计思路如图 4 所示。图 4停电备用场景下储能容量设计思路图3建筑储能装置布置为了能够更好地发挥储能对建筑配电系统的积极作用,合理地选择储能装置的位置也十分重要。储能装置布置时需综合考虑安全性、可靠性、美观性。3.1安全性电化学储能逐渐成为建筑储能中的领先者,但随着其大规模应用,安全性问题也逐渐显现15-17。根据电化学储能电站设计标准(征求意见稿)和 用户侧储能系统建设运行规范 可知,电化学储能装置布置时需考虑以下 6 点。1)应根据安装环境、设备性能要求和当地实际情况确定储能设备安装位置,宜采用室内布置。2)储能装置的位置尽量选在空间开阔的地方
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