雙碳目標下光伏儲能配置技術方案探討

安科瑞 陳聰

摘要：為響應全球氣候變化挑戰(zhàn)，推動實現“雙碳”目標，文章基于光伏儲能技術設計了新能源光伏儲能配置技術方案，通過新能源光伏儲能配置模型設計，架構了光伏發(fā)電模塊、儲能模塊、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)的光伏儲能系統(tǒng)配置為例進行了實驗測試。實驗結果表明，該技術方案可提升能源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性、經濟性，明顯降低電能消耗與減少碳排放，為實現碳達峰和碳中和目標提供了切實可行的技術路徑，對推動全球能源結構優(yōu)化具有重要意義。

關鍵詞：“雙碳”目標；新能源；光伏儲能配置技術

0.引言

隨著全球氣候變化加劇與能源危機的深化，實現能源生產與消費可持續(xù)發(fā)展已成為當務之急。中國作為全球*大的能源消費國，已明確提出2030年碳達峰、2060年碳中和的“雙碳”目標，對能源結構優(yōu)化與新能源技術發(fā)展提出了更高要求。光伏儲能技術作為一種結合了太陽能光伏發(fā)電、電能存儲的新能源技術，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)模應用，因此優(yōu)化光伏儲能配置技術不僅可提高光伏發(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*效的光伏儲能配置模型，通過技術創(chuàng)新實現光伏儲能系統(tǒng)優(yōu)化，為達成“雙碳”目標貢獻力量。

1.光伏儲能概述

1.1光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電是一種將太陽能直接轉換為電能的技術，核心組件為光伏電池。光伏電池主要由半導體材料（通常是硅）構成，工作原理基于光電效應。當太陽光照射到光伏電池上時，光子能量被半導體材料吸收，使材料內部電子獲得足夠能量從價帶激發(fā)至導帶，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移動，形成電流。通過外部電路連接，電流可驅動電器設備或存儲于電池中以備不時之需。光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點包括清潔環(huán)保、運行成本低、維護簡便，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。光伏技術的發(fā)展與應用推廣，對推動全球能源結構轉型、實現碳減排目標具有重要意義。

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分之一，主要類型根據所用材料、結構設計的不同分為單晶硅、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換效率與長期穩(wěn)定性，可應用于商業(yè)、住宅光伏項目中，生產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)境下的表現更好。

1.2儲能技術概述

儲能技術是實現能源系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵技術，允許能源在生成時被儲存，以供未來使用，從而解決能源供需的時空不匹配問題。儲能技術按原理可分為機械儲能、化學儲能、電磁儲能、熱能儲存四大類。機械儲能包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等，主要是將電能轉換為機械能進行存儲；化學儲能包括鋰離子電池、鉛酸電池、流電池等，通過電化學反應實現能量的存儲、釋放，是當前應用廣泛的儲能技術；電磁儲能主要指*級電容器、超導磁儲能，通過電磁場存儲能量；熱能儲存包括太陽能熱發(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）存于介質內部，并在需要時釋放熱量。光伏儲能系統(tǒng)的集成技術關鍵是結合光伏發(fā)電系統(tǒng)與電能儲存設施，提升整體能效與可靠性。該技術主要涉及光伏組件能量捕獲，以及電能的轉換、儲存及智能管理，通過*效的光伏組件將太陽能轉換為直流電，隨后逆變器將直流電轉換為交流電，以供建筑物使用或送至電網。在此基礎上，電池儲能系統(tǒng)負責儲存過剩的電能，供非發(fā)電時段使用，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)與軟件實現，該系統(tǒng)能監(jiān)測環(huán)境條件、負載需求、儲能狀態(tài)，實時優(yōu)化能量分配與使用效率。

2.基于“雙碳”目標的新能源光伏儲能配置技術方案設計

2.1基于“雙碳”目標的新能源光伏儲能配置模型設計

基于“雙碳”目標的新能源光伏儲能配置模型設計旨在實現能源系統(tǒng)的碳排放減少與效率提升。該模型結合光伏發(fā)電*效能源轉換與電池儲能的調節(jié)能力，以優(yōu)化能源生產與消費的整體性能。設計過程中，先通過對光伏發(fā)電量與用電需求的預測，確定所需儲能容量與配置。再利用算法優(yōu)化光伏組件與儲能系統(tǒng)動態(tài)匹配，以確保在不同環(huán)境條件和負載需求下能源的穩(wěn)定供應。模型還集成了智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時監(jiān)控環(huán)境數據、系統(tǒng)狀態(tài)、電網需求，通過控制策略調節(jié)光伏發(fā)電與儲能釋放，可提升系統(tǒng)響應速度與運行效率。該配置模型不僅能使碳排放大幅減少，也能增強能源系統(tǒng)的可靠性、經濟性。

2.2關鍵技術選型

在基于“雙碳”目標的光伏儲能配置技術方案中，應先選擇*效能的單晶硅光伏組件，以提高太陽能的轉換效率。針對儲能系統(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、可靠的能量存儲解決方案。逆變器選擇側重于具有高轉換效率、良好電網互操作性的型號，以支持無縫能量轉換與電網集成。引入**的EMS來優(yōu)化光伏發(fā)電、電池儲能之間的交互，該系統(tǒng)能實現對能源產出、消耗的控制，優(yōu)化設備運行狀態(tài)，減少能源浪費。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，還需集成現代化的監(jiān)控系統(tǒng)與自動化保護裝置，以實時監(jiān)控系統(tǒng)性能，在異常情況下迅速響應。

2.3核心功能模塊設計

核心功能模塊設計是保證系統(tǒng)效率和可靠性的關鍵，主要包括光伏發(fā)電模塊、儲能模塊、EMS等核心模塊。

2.3.1光伏發(fā)電模塊

光伏發(fā)電模塊設計注重*效能的能量轉換與持久的運行性能。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，以增強耐環(huán)境性能與光捕獲能力。電池板后部加裝優(yōu)化設計的反射板，可進一步提升光線利用率。整個模塊電氣連接設計采用低阻抗高導電路徑，提高電能傳輸效率。模塊集成智能監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)控每塊電池板的性能，包括溫度、輸出電壓、電流，通過數據分析進行預防性維護、故障快速定位，從而降低維護成本，延長系統(tǒng)整體壽命。這種設計不僅可提升系統(tǒng)的電能生產效率，還能優(yōu)化操作與維護的便捷性，使光伏發(fā)電模塊在多種應用場景中均能發(fā)揮穩(wěn)定效能。

2.3.2儲能模塊

儲能模塊設計確保能量的*效存儲與快速釋放，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，非常適合與光伏系統(tǒng)集成使用。電池單元采用模塊化設計，便于根據系統(tǒng)容量需求進行靈活配置及未來擴展。電池管理系統(tǒng)（BMS）是儲能模塊的關鍵部分，主要負責監(jiān)控電池的充電狀態(tài)、電壓、溫度等關鍵參數，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)的安全運行。BMS通過算法優(yōu)化，實現對電池健康狀況的實時診斷與預測性維護，降低維護成本，提升系統(tǒng)可靠性[5]。儲能模塊包括*效的熱管理系統(tǒng)，確保電池在理想溫度范圍內運行，提升能量存儲效率與系統(tǒng)的整體性能。儲能模塊設計需充分考慮與光伏系統(tǒng)的協同效應，以有效平衡生產與消費的能量差異，支持能源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3.3能量管理系統(tǒng)

EMS的設計關鍵是實現光伏發(fā)電與儲能之間的*效能量調配與優(yōu)化管理。EMS采用算法、人工智能技術來監(jiān)測、控制、優(yōu)化光伏系統(tǒng)的能量生產與消耗。系統(tǒng)核心是一個集成的軟件平臺，實時收集來自光伏模塊、儲能單元的數據，包括電壓、電流、溫度、光照強度等參數[6]。通過EMS，能計算出實時的能量產出與需求預測，自動調節(jié)儲能設備的充放電策略，盡可能地利用可再生能源，并減少對傳統(tǒng)電網依賴。EMS包含需求響應管理，可根據電網的負載需求、峰谷電價自動優(yōu)化光伏系統(tǒng)運行模式，如在電價高峰時段增加儲能釋放，以降低電費成本，提高經濟回報。EMS還具備故障診斷、預警功能，能及時發(fā)現系統(tǒng)潛在問題并進行預警，確保系統(tǒng)運行的可靠性、安全性。通過智能化、自動化的能量管理，EMS不僅可提升光伏儲能系統(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。

3.測試與應用

3.1實驗設計

為驗證基于“雙碳”目標的光伏儲能配置技術方案的效能與實用性，實驗設計選擇某個典型的工業(yè)園區(qū)部署實驗模型，設計對比實驗，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，能直觀展現光伏儲能系統(tǒng)在減少工業(yè)能耗及碳排放方面的效果。實驗組安裝包括*效單晶硅光伏面板、鋰離子電池儲能單元、**的EMS在內的設計光伏儲能系統(tǒng)，對照組使用園區(qū)現有的常規(guī)電力系統(tǒng)，不采用任何儲能技術。數據收集將對兩組的電能消耗、峰值需求、電費支出、碳排放進行持續(xù)監(jiān)測，特別關注光伏系統(tǒng)產電量、儲能單元充放電效率、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據與系統(tǒng)表現，評估指標包括能源利用率、經濟性分析、碳排放量等，比較兩組的能源消耗與產出、電費、運維成本、碳足跡，旨在展示光伏儲能系統(tǒng)在工業(yè)應用中的優(yōu)勢。

3.2實驗結果

實驗結果如表1所示，基于“雙碳”目標的光伏儲能配置技術方案顯示出較強的性能優(yōu)勢。實驗組年平均電能消耗比對照組降低了20%，峰值電力需求減少了25%。在電費方面，實驗組通過使用峰谷電價策略、儲能系統(tǒng)的優(yōu)化調度，實現年電費節(jié)省30%。碳排放量方面，實驗組年碳排放減少了35%。光伏系統(tǒng)全年共產生了1200MW·h電能，85%直接供應園區(qū)使用，剩余15%存儲于電池中，用于高需求、低光照時段的供電。儲能單元充放電效率維持在90%以上，確保能量*效利用。EMS通過數據監(jiān)控、智能算法，平衡能源供需，優(yōu)化能源使用效率。結果表明，光伏儲能系統(tǒng)不僅可提高能源使用效率和經濟性，還有助于減少碳排放，支持“雙碳”目標的實現。

表1實驗結果

4.安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、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，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現與上級調度系統(tǒng)和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經濟運行。

4.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

實現整個微電網系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(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)數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數據進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現經濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網系統(tǒng)組成、基礎參數、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5.硬件及其配套產品

6.結論

文章研究針對“雙碳”目標優(yōu)化設計了光伏儲能配置技術方案，包括模型設計、關鍵技術選型、核心功能模塊。在實驗測試階段，對比實驗數據顯示，該技術方案提高了能源利用效率，降低了碳排放，驗證了方案的實際應用價值與環(huán)境效益。研究成果不僅為實現碳達峰、碳中和目標提供了強有力的技術支持，也為全球應對氣候變化、推動能源結構轉型提供了新思路與解決方案。

參考文獻

[1]劉志方.基于“雙碳”目標的新能源光伏儲能配置技術方案研究

[2]燕春風.光伏發(fā)電并網對配電網的影響及解決方案[J].光源與照明,2023(11):129-131.

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022年05版