光伏零碳建筑,光储直柔政策暖风频吹,BIPV复合增速或达102%

发布时间:

2022-08-25 00:00

日前,国网江苏省电力有限公司牵头申报的住建部科学技术项目“基于光储直柔的电力生产运营用房零碳建筑”立项。

该项目通过在我国冬冷夏热地区,选择电力生产运营用房建筑场景,从建筑本体的“既有建筑零碳改造”及电气系统的“光储直柔建筑可再生能源就地消纳”两种实施路径,同时开展零碳建筑建设。

预计到2023年底,项目研发团队将建成国内首个光储直柔电力生产运营用房零碳建筑。

值得注意的是,就在本周,科技部等九部门印发的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中也提出发展光储直柔,包括研究光储直柔供配电关键设备与柔性化技术,建筑光伏一体化技术体系,区域-建筑能源系统源网荷储用技术及装备。

政策推动、分布式光伏快速增长 BIPV订单或持续放量

什么是“光储直柔”?顾名思义,“光”、“储”分别指分布式光伏、分布式储能应用于建筑场景内外部,成为其配电系统重要组成部分;“直”指的是将建筑配用电网由交流电改为直流电;“柔”则为柔性用电,即建筑用电设备需具备中断调节能力。

“光储直柔技术调节柔性负荷的用电曲线与光伏发电曲线相匹配,提升了建筑能耗的灵活调节能力,提高了可再生能源的就地消纳率和用电能效。”江苏电力科学研究院员工张宸宇指出。

而随着我国“双碳”进程持续推进,针对“光储直柔”的顶层设计已陆续推出。

国务院此前发布的《2030年前碳达峰行动方案》,以及今年3月住建部发布的《关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知》、《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》,均涉及光储直柔发展。

地方层面,上海也已发布《上海市绿色建筑“十四五”规划》,提出探索建设“光储直柔”建筑。

机构指出,随着绿色建筑落地措施有望陆续出台、分布式光伏装机量快速增长,BIPV订单有望持续放量。国泰君安测算,2025年BIPV市场空间可达1023亿元,新增装机23.7GW,5年复合增速高达102%。

短期来看,兴业证券认为,更为关键的是BIPV产品如何实现快速放量,产能和渠道是实现短期快速放量的重要壁垒。

中长期来看,光伏组件成本和技术则将成为主要竞争壁垒。

一方面,电池技术升级及组件成本下降是BIPV得以大规模应用的基础条件;另一方面,拥有低成本优势的BIPV解决方案将拥有更多的市场份额。

“光储直柔”建筑是啥建筑?“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能,作为建筑配用电系统重要组成部分;“直”指建筑配用电网的形式发生改变,从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网;“柔”则是指建筑用电设备应具备可中断、可调节的能力,使建筑用电需求从刚性转变为柔性。日常生活中用的电都是交流电,而光伏等可再生能源发出来的电为直流电,常见的光伏建筑都会安装逆变器,以便将直流电转变为交流电,供日常使用。转换过程中,就会造成电量的损失。所以与常规光伏建筑相比,光伏直流建筑具备电能利用率高(提高6-8%)、节能优势明显、设备投资少,投资回收期短(省去逆变、变压等设备,节省设备初投资约10%)等优势。而且建筑上应用直流配电,可获得显著改善系统性能,安全性显著提高,电源品质提高等优势。分析“光储直柔”建筑对于城市电网的作用,有以下几项内容:1)削减夏季空调负荷峰值:空调是导致夏季负荷峰值的主要原因之一。如果能够充分挖掘空调系统的灵活性,一方面配置蓄冷、蓄冰、蓄电等储能设施,另一方面结合建筑的用能需求和负荷特性优化空调的运行调度策略,则有可能大幅降低夏季空调的负荷峰值。2)缓解电网增容压力:电力负荷增容快的原因一方面是空调等建筑用电负荷的增长,另一方面是电动汽车的数量增长。光储直柔建筑电能不仅可为室内所用,还可以连接邻近停车场的充电桩。深圳市电网曾经有过计算,假设延续近年增速到“十四五”末期深圳市建筑用电峰值负荷达2 500万kW,如果通过发展“光储直柔”新型建筑配用电系统削减50%的建筑用电峰值,则可以减小电网投资50亿~60亿元。3)增强电网供电可靠性:在用户侧增加分布式电源,利用直流微电网接入简单、调控灵活的优势,能够有效地提升用电的可靠性,并且配合峰谷电价、需求响应等激励政策,还能够降低用户的用电成本。发展“光储直柔”新型建筑配用电系统,充分利用两部制电价和峰谷电价差,可从用户侧进一步降低用能费用。光储直柔碳中和技术想象空间大,应用场景以及空间非常巨大。中国建筑旗下子公司中建科技集团投入大量科研经费、与清华大学成立“未来城市联合实验室”共同研究“光储直柔”核心技术,并形成多项代表性示范工程。“光储直柔”技术包括光伏发电、直流配电、双向充电、柔性控制四个阶段的一种新型能源技术,初步预计或可为建筑运行减碳约25%。

发展“光储直柔”的重要性 

 

中国工程院院士——江亿院士指出,受到环境条件、相关政策等种种制约,核电、水电及生物质燃料发电均有发展上限,因此建筑新增用电最好全部由风电、光电来提供。“风电、光电属于低密度能源,需要大量安装空间。这些土地在西北荒漠等地并不难找,但从边远地区集中长途输电到东部负荷密集区,面临巨大调峰难题。因此不必一味舍近求远,利用城乡建筑屋顶空间,以及其他可接受太阳辐射的建筑外表面,发展分布式光伏是很好的选择。”

江亿院士进一步指出,基于上述减排路径,建筑功能也要相应变化——由单纯的能源消费者,转为支持大规模风光接入的贡献者,集用能、产能、蓄能“三位一体”,从而协助消纳风电、光电,解决风光的间歇性、波动性问题。

 

 

提出问题后,关键点在于如何实现?

江亿提出一种“光储直柔”新型配电系统的概念。具体包括:利用建筑表面,发展光伏发电;连接邻近停车场的智能充电桩,并在建筑内部配置部分蓄电池,形成较大蓄电能力;建筑内部采用直流配电,通过直流电压变化传递对负载用电的需求;变过去刚性用电方式为柔性,使建筑用电与风电光电联动。“风、光发电多即多用,并蓄存多余电力。在发电少、不发电的情况下,则靠蓄电装置、电动汽车的电池和负载调节维持建筑运行。由此,构成一个容量巨大的分布式虚拟蓄能系统,平衡电源与需求变化。”

 

“光储直柔”的基本原理见下图,配电系统与外电网通过 AC/DC 整流变换器连接。依靠系统内配置的蓄电池、与系统通过智能充电桩连接的电动汽车电池、以及建筑内各种用电装置的需求侧响应用电方式,AC/DC 可以通过调整其输出到建筑内部直流母线的电压来 改变每个瞬间系统从交流外网引入的外电功率。当所连接的电动汽车足够多,且自身也配置了足够的蓄电池时,任何一个瞬间从外接的交流网取电功率都有可能根据要求实现零到最大功率之间的任意调节,而与当时建筑内实际的用电量无直接关系。

这样,各个采用了“光储直柔”配电方式的建筑就可以直接接受风电光电基地的统一调度,每个瞬间根据风光电基地当时的风电光电功率分配各座建筑从外网的取电功率,调度各“光储直柔”建筑的 AC/DC, 按照这一要求的功率从外电网取电。如果“光储直柔”建筑具有足够的蓄能能力及可调节能力,完全按照风电光电基地调度分配的瞬态功率来从外电网取电,则可以认为这座建筑消费的电力完全来自于风电光电,而与外电网电力中风电光电的占比无关。

技术优势:

 “光、储、直、柔”建筑新型供配电系统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。

太阳能光伏发电是未来主要的可再生电源之一, 而体量巨大的建筑外表面是发展分布式光伏的空间资源。2018年建筑面积超过600亿m²,屋顶面积超过100亿m² ,估计可安装超过800GW的屋顶光伏,年发电量超8000亿kWh。因此,把太阳能的利用纳入建筑的总体设计,把太阳能设施作为建筑的一部分,把建筑、技术和美学融为一体,是未来建筑和能源系统的融合发展趋势。