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北京交通大学创新项目:外墙分布式光伏+储能

作者:臧超 来源:光伏們 发布时间:2018-04-24 浏览:
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中国储能网讯:从工商业到户用,分布式光伏的应用场景似乎大部分都与固定建筑物的屋顶相结合。如今,随着技术的成熟与商业模式的不断探索,分布式光伏的应用正逐渐多样化,北京交通大学新能源研究所的童亦斌副教授介绍了一个别具一格的案例——外墙分布式光伏及储能应用示范项目。

该示范项目包括100个电动汽车充电装置、300kWp光伏发电装置、500kWh锂电池储能装置、综合智能监控,以及电力电子和锂电池实验平台等。

先来看下实景图:

图一 北京交通大学建筑外墙光伏应用实例

图二 北京交通大学建筑外墙光伏应用实例

童亦斌介绍道,这一案例主要是针对分布式光伏在城市建筑场景中的应用,北京交通大学的情况具有很强的代表性。首先,北京交通大学的用电负荷在这几年实现了快速增长,从2013年3000万度/年增长到2016年4000万度电,主要原因是空调的推广使用,配电系统增容压力大;其次,空调负荷快速增长,配电系统短时容量超限和利用率普遍偏低的矛盾广泛存在。从图四数据可以看出,夏季尖峰时段空调负荷超过30% ,部分变压器的负荷率接近90%,但年均负荷率大多在30%左右;最后,由于北京市对电动汽车采取的鼓励措施,预计2018年之后电动汽车充电负荷开始快速增长,这将进一步增加配电压力。与此同时,土地等条件约束,使得传统增容方法的实施难度越来越高。

图三 北京交通大学用电负荷变化

图四 北京交通大学四季负荷均值典型日对比图

在这样的背景下,“如何进一步发掘光伏的价值,利用分布式光伏发电和储能等新技术来解决这些困境,而不是简单地把线缆加粗、增加变压器等传统方法,也就是说,光伏除了可以赚一些发电补贴,还可以发挥更多的应用价值,这正是这一项目开展的目的所在”,童亦斌介绍道。

总体方案

如果要充分发挥光伏发电的技术优势,比简单的卖电复杂得多,涉及到电子电力技术、储能技术、光伏发电技术,未来还要考虑电动汽车的问题。

——变流器和多变换器分散接入系统控制技术

随着越来越多的分布式发电、储能接入到配电网,渗透率越来越高,对传统配电网产生严峻的挑战。高渗透接入之后,首先要解决的是设备及装置之间的协同,把问题推给配电网,不仅效果并不理想,实施成本还可能非常高。接下去的技术发展阶段是充分融合,要实现电网、分布式能源和电动汽车充电等负荷有机融合的目标,需要多个专业方向、多个相关领域的合作。不论是光伏发电还是储能,都需要利用变流器接入配电网,我们则主要关注和研究变流器和多变换器分散接入系统的控制技术,保证供电可靠性和供电质量。

——光伏发电和电动汽车充电融合技术

光伏发电和电动汽车的融合是未来技术发展的一大趋势。童亦斌认为分布式光伏发电和电动汽车的普及是在未来配网面临的重大挑战,从北京交通大学实验监测数据的分析结果不难发现,电动汽车充电负荷高峰非常集中,在早上上班高峰和中午上班的高峰。电动汽车无序充电,充电高峰与用电高峰叠加,造成“峰上加峰”,严重影响电能质量和供电可靠性,增大线路网损。



示范项目

该项目的目标主要是针对配电容量和供电质量的约束,在已经建设电动汽车充电有序引导的系统前提下,研究如何利用光伏发电和储能,一方面解决光伏发电自身的问题,另外一方面解决充电的问题。

童亦斌介绍,由于学校既有建筑屋顶资源有限,最多只能建设约350kWp光伏发电,这就促使我们探索一些新的分布式光伏建设方式,在拓展光伏发电建设条件的基础上,进一步面增加光伏发电的附加价值。通过多种方案对比,最后选择了学校的一栋宿舍楼,其光照条件非常好,由于外墙比较难看,考虑在南立面安装光伏电池,不仅可以改善和美化建筑外观,同时还能发电,并起到很好的科普宣传效果。

和屋顶光伏一样,BAPV的设计方案也需要兼顾外观、实施难度、成本和发电效率等因素,但外观的重要性会特别受到关注。在这个项目的设计中,我们比选了多个方案,而真正打动用户的,是利用光伏电池板遮盖凌乱的空调室外机。在总体方案确定后,就需要对框梁的荷载进行认真校核,对墙体混凝土的强度进行检测,以确保光伏电池板安装后的安全。在支架设计上,首先考虑安全,采取螺栓锚固和拉索紧固结合的方式;其次是要满足外观设计的要求;最后在这个项目则是考虑空调安装维护需求、夏季空调出风温度对发电效率的影响,以及支架重量和悬臂长度对墙体载荷和承载力的影响等。

  • 组件选型:250Wp多晶硅

  • 荷载和强度:框梁荷载校核、墙体强度

  • 检测支架设计:单一固定倾角(14.5°)、螺栓锚固+拉索、空调的影响(安装、检修和排风)

  • 其它:参照光伏发电系统相关设计规范

实施效果

2015年9月典型日/2017年6月典型日

这个项目2016年6月6日并网发电,截止到2018年4月16日已经累计发电15.0万kWh,由于倾角没有采取发电效率最高的设计(主要是荷载和强度约束),发电量略低于屋顶光伏发电系统。宿舍楼光伏渗透率较高(>40%),对负荷特性产生很大的调节作用,中午时段削峰效果明显(大于30%),多点分散接入情况下,系统仍能稳定运行,达到了预期效果。另外,监测结果也发现,光伏高渗透率接入情况下,日峰谷差相比之前有所增大(增大约20%),下午时段取代中午成为新的压力点,不难得出结论,单纯依靠光伏发电,对负荷特性的调节效果仍比较有限。

随着分布式光伏的进一步发展,未来配电网也会面临类似的情况,负荷和光伏带来巨大的峰谷差和快速的功率波动,完全依靠电网去解决用户侧产生的问题,从效果和成本上分析,都不尽合理。今后,随着分布式光伏发电渗透率的提高,电动汽车充电负荷的增长,利用储能,直接在用户端进行峰谷调节、负荷特性优化、光伏消纳以及就地平衡和协同融合等,在效果、效率和灵活性等方面具有更加显著的技术优势和应用价值。

随着分布式光伏的发展,像上述案例中的项目也将越来越多的出现在各投资企业的商业模式中,这不仅是光伏行业的发展,也是我国电力体制的不断完善,而如何实现多种技术的融合发展将成为下一阶段突破的主要目标。

关键字:分布式光伏 储能

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