從工商業(yè)到戶用，分布式光伏的應(yīng)用場(chǎng)景似乎大部分都與固定建筑物的屋頂相結(jié)合。如今，隨著技術(shù)的成熟與商業(yè)模式的不斷探索，分布式光伏的應(yīng)用正逐漸多樣化，北京交通大學(xué)新能源研究所的童亦斌副教授介紹了一個(gè)別具一格的案例——外墻分布式光伏及儲(chǔ)能應(yīng)用示范項(xiàng)目。
該示范項(xiàng)目包括100個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電裝置、300kWp光伏發(fā)電裝置、500kWh鋰電池儲(chǔ)能裝置、綜合智能監(jiān)控，以及電力電子和鋰電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。
先來(lái)看下實(shí)景圖：
圖一 北京交通大學(xué)建筑外墻光伏應(yīng)用實(shí)例
圖二 北京交通大學(xué)建筑外墻光伏應(yīng)用實(shí)例
童亦斌介紹道，這一案例主要是針對(duì)分布式光伏在城市建筑場(chǎng)景中的應(yīng)用，北京交通大學(xué)的情況具有很強(qiáng)的代表性。首先，北京交通大學(xué)的用電負(fù)荷在這幾年實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，從2013年3000萬(wàn)度/年增長(zhǎng)到2016年4000萬(wàn)度電，主要原因是空調(diào)的推廣使用，配電系統(tǒng)增容壓力大;其次，空調(diào)負(fù)荷快速增長(zhǎng)，配電系統(tǒng)短時(shí)容量超限和利用率普遍偏低的矛盾廣泛存在。從圖四數(shù)據(jù)可以看出，夏季尖峰時(shí)段空調(diào)負(fù)荷超過(guò)30% ，部分變壓器的負(fù)荷率接近90%，但年均負(fù)荷率大多在30%左右;最后，由于北京市對(duì)電動(dòng)汽車(chē)采取的鼓勵(lì)措施，預(yù)計(jì)2018年之后電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷開(kāi)始快速增長(zhǎng)，這將進(jìn)一步增加配電壓力。與此同時(shí)，土地等條件約束，使得傳統(tǒng)增容方法的實(shí)施難度越來(lái)越高。
圖三 北京交通大學(xué)用電負(fù)荷變化
圖四 北京交通大學(xué)四季負(fù)荷均值典型日對(duì)比圖
在這樣的背景下，“如何進(jìn)一步發(fā)掘光伏的價(jià)值，利用分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能等新技術(shù)來(lái)解決這些困境，而不是簡(jiǎn)單地把線纜加粗、增加變壓器等傳統(tǒng)方法，也就是說(shuō)，光伏除了可以賺一些發(fā)電補(bǔ)貼，還可以發(fā)揮更多的應(yīng)用價(jià)值，這正是這一項(xiàng)目開(kāi)展的目的所在”，童亦斌介紹道。
總體方案
如果要充分發(fā)揮光伏發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，比簡(jiǎn)單的賣(mài)電復(fù)雜得多，涉及到電子電力技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)，未來(lái)還要考慮電動(dòng)汽車(chē)的問(wèn)題。
——變流器和多變換器分散接入系統(tǒng)控制技術(shù)
隨著越來(lái)越多的分布式發(fā)電、儲(chǔ)能接入到配電網(wǎng)，滲透率越來(lái)越高，對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高滲透接入之后，首先要解決的是設(shè)備及裝置之間的協(xié)同，把問(wèn)題推給配電網(wǎng)，不僅效果并不理想，實(shí)施成本還可能非常高。接下去的技術(shù)發(fā)展階段是充分融合，要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、分布式能源和電動(dòng)汽車(chē)充電等負(fù)荷有機(jī)融合的目標(biāo)，需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向、多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的合作。不論是光伏發(fā)電還是儲(chǔ)能，都需要利用變流器接入配電網(wǎng)，我們則主要關(guān)注和研究變流器和多變換器分散接入系統(tǒng)的控制技術(shù)，保證供電可靠性和供電質(zhì)量。
——光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)充電融合技術(shù)
光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)的融合是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。童亦斌認(rèn)為分布式光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)的普及是在未來(lái)配網(wǎng)面臨的重大挑戰(zhàn)，從北京交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷高峰非常集中，在早上上班高峰和中午上班的高峰。電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電，充電高峰與用電高峰疊加，造成“峰上加峰”，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和供電可靠性，增大線路網(wǎng)損。
示范項(xiàng)目
該項(xiàng)目的目標(biāo)主要是針對(duì)配電容量和供電質(zhì)量的約束，在已經(jīng)建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電有序引導(dǎo)的系統(tǒng)前提下，研究如何利用光伏發(fā)電和儲(chǔ)能，一方面解決光伏發(fā)電自身的問(wèn)題，另外一方面解決充電的問(wèn)題。
童亦斌介紹，由于學(xué)校既有建筑屋頂資源有限，最多只能建設(shè)約350kWp光伏發(fā)電，這就促使我們探索一些新的分布式光伏建設(shè)方式，在拓展光伏發(fā)電建設(shè)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步面增加光伏發(fā)電的附加價(jià)值。通過(guò)多種方案對(duì)比，最后選擇了學(xué)校的一棟宿舍樓，其光照條件非常好，由于外墻比較難看，考慮在南立面安裝光伏電池，不僅可以改善和美化建筑外觀，同時(shí)還能發(fā)電，并起到很好的科普宣傳效果。
和屋頂光伏一樣，BAPV的設(shè)計(jì)方案也需要兼顧外觀、實(shí)施難度、成本和發(fā)電效率等因素，但外觀的重要性會(huì)特別受到關(guān)注。在這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們比選了多個(gè)方案，而真正打動(dòng)用戶的，是利用光伏電池板遮蓋凌亂的空調(diào)室外機(jī)。在總體方案確定后，就需要對(duì)框梁的荷載進(jìn)行認(rèn)真校核，對(duì)墻體混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，以確保光伏電池板安裝后的安全。在支架設(shè)計(jì)上，首先考慮安全，采取螺栓錨固和拉索緊固結(jié)合的方式;其次是要滿足外觀設(shè)計(jì)的要求;最后在這個(gè)項(xiàng)目則是考慮空調(diào)安裝維護(hù)需求、夏季空調(diào)出風(fēng)溫度對(duì)發(fā)電效率的影響，以及支架重量和懸臂長(zhǎng)度對(duì)墻體載荷和承載力的影響等。
組件選型：250Wp多晶硅
荷載和強(qiáng)度：框梁荷載校核、墻體強(qiáng)度
檢測(cè)支架設(shè)計(jì)：?jiǎn)我还潭▋A角(14.5°)、螺栓錨固+拉索、空調(diào)的影響(安裝、檢修和排風(fēng))
其它：參照光伏發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范
實(shí)施效果
2015年9月典型日/2017年6月典型日
這個(gè)項(xiàng)目2016年6月6日并網(wǎng)發(fā)電，截止到2018年4月16日已經(jīng)累計(jì)發(fā)電15.0萬(wàn)kWh，由于傾角沒(méi)有采取發(fā)電效率最高的設(shè)計(jì)(主要是荷載和強(qiáng)度約束)，發(fā)電量略低于屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。宿舍樓光伏滲透率較高(>40%)，對(duì)負(fù)荷特性產(chǎn)生很大的調(diào)節(jié)作用，中午時(shí)段削峰效果明顯(大于30%)，多點(diǎn)分散接入情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期效果。另外，監(jiān)測(cè)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，光伏高滲透率接入情況下，日峰谷差相比之前有所增大(增大約20%)，下午時(shí)段取代中午成為新的壓力點(diǎn)，不難得出結(jié)論，單純依靠光伏發(fā)電，對(duì)負(fù)荷特性的調(diào)節(jié)效果仍比較有限。
隨著分布式光伏的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)配電網(wǎng)也會(huì)面臨類(lèi)似的情況，負(fù)荷和光伏帶來(lái)巨大的峰谷差和快速的功率波動(dòng)，完全依靠電網(wǎng)去解決用戶側(cè)產(chǎn)生的問(wèn)題，從效果和成本上分析，都不盡合理。今后，隨著分布式光伏發(fā)電滲透率的提高，電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的增長(zhǎng)，利用儲(chǔ)能，直接在用戶端進(jìn)行峰谷調(diào)節(jié)、負(fù)荷特性優(yōu)化、光伏消納以及就地平衡和協(xié)同融合等，在效果、效率和靈活性等方面具有更加顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。
隨著分布式光伏的發(fā)展，像上述案例中的項(xiàng)目也將越來(lái)越多的出現(xiàn)在各投資企業(yè)的商業(yè)模式中，這不僅是光伏行業(yè)的發(fā)展，也是我國(guó)電力體制的不斷完善，而如何實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的融合發(fā)展將成為下一階段突破的主要目標(biāo)。
