安科瑞 劉秋霞

摘要：為響應(yīng)全球氣候變化挑戰(zhàn)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳"目標(biāo)，文章基于光伏儲(chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)了新能源光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案，通過新能源光伏儲(chǔ)能配置模型設(shè)計(jì)，架構(gòu)了光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、能量管理系統(tǒng)（EMS）核心模塊來優(yōu)化能源和減少碳排放，并以典型工業(yè)園區(qū)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)配置為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)方案可提升能源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，明顯降低電能消耗與減少碳排放，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑，對(duì)推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：“雙碳"目標(biāo)；新能源；光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)

0.引言

隨著全球氣候變化加劇與能源危機(jī)的深化，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急。中國作為全球*大的能源消費(fèi)國，已明確提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳"目標(biāo)，對(duì)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新能源技術(shù)發(fā)展提出了更高要求。光伏儲(chǔ)能技術(shù)作為一種結(jié)合了太陽能光伏發(fā)電、電能存儲(chǔ)的新能源技術(shù)，能緩解傳統(tǒng)能源的環(huán)境壓力，提高能源利用率。光伏發(fā)電的不連續(xù)性、不穩(wěn)定性限制著其大規(guī)模應(yīng)用，因此優(yōu)化光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)不僅可提高光伏發(fā)電穩(wěn)定性、可靠性，還有助于提升光伏系統(tǒng)在能源市場中的競爭力。文章旨在探索*效的光伏儲(chǔ)能配置模型，通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化，為達(dá)成“雙碳"目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

1.光伏儲(chǔ)能概述

1.1光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電是一種將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，核心組件為光伏電池。光伏電池主要由半導(dǎo)體材料（通常是硅）構(gòu)成，工作原理基于光電效應(yīng)。當(dāng)太陽光照射到光伏電池上時(shí)，光子能量被半導(dǎo)體材料吸收，使材料內(nèi)部電子獲得足夠能量從價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶，形成自由電子和空穴。自由電子在電場的作用下向電池一側(cè)移動(dòng)，形成電流。通過外部電路連接，電流可驅(qū)動(dòng)電器設(shè)備或存儲(chǔ)于電池中以備不時(shí)之需。光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)包括清潔環(huán)保、運(yùn)行成本低、維護(hù)簡便，可部署在家庭屋頂、大型地面電站等多種規(guī)模和環(huán)境中。光伏技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用推廣，對(duì)推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)具有重要意義。

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分之一，主要類型根據(jù)所用材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同分為單晶硅、多晶硅、薄膜光伏組件三種。單晶硅光伏組件因具有較高的轉(zhuǎn)換效率與長期穩(wěn)定性，可應(yīng)用于商業(yè)、住宅光伏項(xiàng)目中，生產(chǎn)涉及將高純度硅錠切割成薄片的過程；多晶硅光伏組件以成本效益高的特點(diǎn)受到市場歡迎，由硅材料被熔化并倒入模具中冷卻形成，雖然效率稍低于單晶硅，但其制造過程的簡便性使成本更加可控；薄膜光伏組件采用了全新的技術(shù)路線，如銅銦鎵硒（CIGS）或鎘碲（CdTe）材料，能在更薄的基底上形成光電層，光照弱環(huán)境下的表現(xiàn)更好。

1.2儲(chǔ)能技術(shù)概述

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，允許能源在生成時(shí)被儲(chǔ)存，以供未來使用，從而解決能源供需的時(shí)空不匹配問題。儲(chǔ)能技術(shù)按原理可分為機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)存四大類。機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等，主要是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行存儲(chǔ)；化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子電池、鉛酸電池、流電池等，通過電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)、釋放，是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)；電磁儲(chǔ)能主要指*級(jí)電容器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能，通過電磁場存儲(chǔ)能量；熱能儲(chǔ)存包括太陽能熱發(fā)電與工業(yè)余熱回收系統(tǒng)，主要是吸收熱能（如太陽熱能）存于介質(zhì)內(nèi)部，并在需要時(shí)釋放熱量。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成技術(shù)關(guān)鍵是結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)與電能儲(chǔ)存設(shè)施，提升整體能效與可靠性。該技術(shù)主要涉及光伏組件能量捕獲，以及電能的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存及智能管理，通過*效的光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，隨后逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供建筑物使用或送至電網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存過剩的電能，供非發(fā)電時(shí)段使用，解決光伏發(fā)電的間歇性問題。系統(tǒng)智能管理通過**的控制系統(tǒng)與軟件實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能監(jiān)測環(huán)境條件、負(fù)載需求、儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)時(shí)優(yōu)化能量分配與使用效率。

2.基于“雙碳"目標(biāo)的新能源光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1基于“雙碳"目標(biāo)的新能源光伏儲(chǔ)能配置模型設(shè)計(jì)

基于“雙碳"目標(biāo)的新能源光伏儲(chǔ)能配置模型設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的碳排放減少與效率提升。該模型結(jié)合光伏發(fā)電*效能源轉(zhuǎn)換與電池儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)能力，以優(yōu)化能源生產(chǎn)與消費(fèi)的整體性能。設(shè)計(jì)過程中，先通過對(duì)光伏發(fā)電量與用電需求的預(yù)測，確定所需儲(chǔ)能容量與配置。再利用算法優(yōu)化光伏組件與儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹配，以確保在不同環(huán)境條件和負(fù)載需求下能源的穩(wěn)定供應(yīng)。模型還集成了智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)、電網(wǎng)需求，通過控制策略調(diào)節(jié)光伏發(fā)電與儲(chǔ)能釋放，可提升系統(tǒng)響應(yīng)速度與運(yùn)行效率。該配置模型不僅能使碳排放大幅減少，也能增強(qiáng)能源系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

2.2關(guān)鍵技術(shù)選型

在基于“雙碳"目標(biāo)的光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案中，應(yīng)先選擇*效能的單晶硅光伏組件，以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用鋰離子電池，該類型電池具有高能量密度與較長的使用壽命，能提供更為穩(wěn)定、可靠的能量存儲(chǔ)解決方案。逆變器選擇側(cè)重于具有高轉(zhuǎn)換效率、良好電網(wǎng)互操作性的型號(hào)，以支持無縫能量轉(zhuǎn)換與電網(wǎng)集成。引入**的EMS來優(yōu)化光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能之間的交互，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)能源產(chǎn)出、消耗的控制，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，減少能源浪費(fèi)。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，還需集成現(xiàn)代化的監(jiān)控系統(tǒng)與自動(dòng)化保護(hù)裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)性能，在異常情況下迅速響應(yīng)。

2.3核心功能模塊設(shè)計(jì)

核心功能模塊設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)效率和可靠性的關(guān)鍵，主要包括光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、EMS等核心模塊。

2.3.1光伏發(fā)電模塊

光伏發(fā)電模塊設(shè)計(jì)注重*效能的能量轉(zhuǎn)換與持久的運(yùn)行性能。先選用高性能單晶硅材料作為主要光伏電池成分，其具有高光電轉(zhuǎn)換效率、較低的光衰特性，適合長期穩(wěn)定發(fā)電。電池組件采用半透明防反射玻璃、防水封裝技術(shù)，以增強(qiáng)耐環(huán)境性能與光捕獲能力。電池板后部加裝優(yōu)化設(shè)計(jì)的反射板，可進(jìn)一步提升光線利用率。整個(gè)模塊電氣連接設(shè)計(jì)采用低阻抗高導(dǎo)電路徑，提高電能傳輸效率。模塊集成智能監(jiān)測系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控每塊電池板的性能，包括溫度、輸出電壓、電流，通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、故障快速定位，從而降低維護(hù)成本，延長系統(tǒng)整體壽命。這種設(shè)計(jì)不僅可提升系統(tǒng)的電能生產(chǎn)效率，還能優(yōu)化操作與維護(hù)的便捷性，使光伏發(fā)電模塊在多種應(yīng)用場景中均能發(fā)揮穩(wěn)定效能。

2.3.2儲(chǔ)能模塊

儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)確保能量的*效存儲(chǔ)與快速釋放，滿足光伏系統(tǒng)因發(fā)電間歇性造成的能量供需不均問題。該模塊選用**鋰離子電池，具有高能量密度、長壽命、優(yōu)良的充放電性能等特點(diǎn)，非常適合與光伏系統(tǒng)集成使用。電池單元采用模塊化設(shè)計(jì)，便于根據(jù)系統(tǒng)容量需求進(jìn)行靈活配置及未來擴(kuò)展。電池管理系統(tǒng)（BMS）是儲(chǔ)能模塊的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的充電狀態(tài)、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，通過控制充放電過程，不僅能延長電池壽命，還能確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。BMS通過算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池健康狀況的實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測性維護(hù)，降低維護(hù)成本，提升系統(tǒng)可靠性[5]。儲(chǔ)能模塊包括*效的熱管理系統(tǒng)，確保電池在理想溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，提升能量存儲(chǔ)效率與系統(tǒng)的整體性能。儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)需充分考慮與光伏系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)，以有效平衡生產(chǎn)與消費(fèi)的能量差異，支持能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.3能量管理系統(tǒng)

EMS的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與儲(chǔ)能之間的*效能量調(diào)配與優(yōu)化管理。EMS采用算法、人工智能技術(shù)來監(jiān)測、控制、優(yōu)化光伏系統(tǒng)的能量生產(chǎn)與消耗。系統(tǒng)核心是一個(gè)集成的軟件平臺(tái)，實(shí)時(shí)收集來自光伏模塊、儲(chǔ)能單元的數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、溫度、光照強(qiáng)度等參數(shù)[6]。通過EMS，能計(jì)算出實(shí)時(shí)的能量產(chǎn)出與需求預(yù)測，自動(dòng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)備的充放電策略，盡可能地利用可再生能源，并減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴。EMS包含需求響應(yīng)管理，可根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)載需求、峰谷電價(jià)自動(dòng)優(yōu)化光伏系統(tǒng)運(yùn)行模式，如在電價(jià)高峰時(shí)段增加儲(chǔ)能釋放，以降低電費(fèi)成本，提高經(jīng)濟(jì)回報(bào)。EMS還具備故障診斷、預(yù)警功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在問題并進(jìn)行預(yù)警，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性。通過智能化、自動(dòng)化的能量管理，EMS不僅可提升光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體效能，也能為用戶帶來更智能、更便捷的能源管理體驗(yàn)。

3.測試與應(yīng)用

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于“雙碳"目標(biāo)的光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案的效能與實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇某個(gè)典型的工業(yè)園區(qū)部署實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以展示該方案優(yōu)勢。工業(yè)園區(qū)因其較高且穩(wěn)定的能耗特征，是理想的測試環(huán)境，能直觀展現(xiàn)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在減少工業(yè)能耗及碳排放方面的效果。實(shí)驗(yàn)組安裝包括*效單晶硅光伏面板、鋰離子電池儲(chǔ)能單元、**的EMS在內(nèi)的設(shè)計(jì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)照組使用園區(qū)現(xiàn)有的常規(guī)電力系統(tǒng)，不采用任何儲(chǔ)能技術(shù)。數(shù)據(jù)收集將對(duì)兩組的電能消耗、峰值需求、電費(fèi)支出、碳排放進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，特別關(guān)注光伏系統(tǒng)產(chǎn)電量、儲(chǔ)能單元充放電效率、系統(tǒng)總體能效。測試周期為1年，以獲取四季的綜合性能數(shù)據(jù)與系統(tǒng)表現(xiàn)，評(píng)估指標(biāo)包括能源利用率、經(jīng)濟(jì)性分析、碳排放量等，比較兩組的能源消耗與產(chǎn)出、電費(fèi)、運(yùn)維成本、碳足跡，旨在展示光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，基于“雙碳"目標(biāo)的光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案顯示出較強(qiáng)的性能優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)組年平均電能消耗比對(duì)照組降低了20%，峰值電力需求減少了25%。在電費(fèi)方面，實(shí)驗(yàn)組通過使用峰谷電價(jià)策略、儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)年電費(fèi)節(jié)省30%。碳排放量方面，實(shí)驗(yàn)組年碳排放減少了35%。光伏系統(tǒng)全年共產(chǎn)生了1200MW·h電能，85%直接供應(yīng)園區(qū)使用，剩余15%存儲(chǔ)于電池中，用于高需求、低光照時(shí)段的供電。儲(chǔ)能單元充放電效率維持在90%以上，確保能量*效利用。EMS通過數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能算法，平衡能源供需，優(yōu)化能源使用效率。結(jié)果表明，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可提高能源使用效率和經(jīng)濟(jì)性，還有助于減少碳排放，支持“雙碳"目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析及錄波展示，并對(duì)電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對(duì)重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.硬件及其配套產(chǎn)品

6.結(jié)論

文章研究針對(duì)“雙碳"目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)了光伏儲(chǔ)能配置技術(shù)方案，包括模型設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)選型、核心功能模塊。在實(shí)驗(yàn)測試階段，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)方案提高了能源利用效率，降低了碳排放，驗(yàn)證了方案的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與環(huán)境效益。研究成果不僅為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也為全球應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了新思路與解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022年05版