【学思集】重塑能源灵活性:电池储能系统的创新应用

文摘   2024-08-09 18:20   上海  


学思集 

Building energy fexibility with 

battery energy storage system

重塑能源灵活性:

电池储能系统的创新应用




  引言  

随着全球经济对能源需求的日益增长,传统化石燃料的短缺及其对环境造成的负面影响日益凸显。在此背景下,可再生能源尤其是太阳能和风能作为电力供应的主要来源,正经历着快速的发展。预计到2040年,总发电量的一半以上将由低碳能源供应,其中风能和太阳能光伏发电将发挥关键作用。然而,可再生能源的不稳定性和不可预测性对电力系统的稳定性构成了挑战,需要依赖电能储存(Electrical Energy Storage,EES)技术的支持。

建筑物内不同灵活性和储能方案的说明

通过在建筑中引入电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS),并与其他能源网络互联,可以构建更加高效的能源利用系统,提升建筑能源灵活性(Building Energy Flexibility,BEF)。此外,光伏发电、建筑节能与电池储能系统的结合不仅有助于减少建筑能耗,更是应对气候变化的重要策略。随着技术的不断进步和成本的持续降低,电池储能系统在建筑中的应用前景广阔,将在未来能源体系中发挥更加重要的作用,为实现可持续发展目标贡献力量。


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建筑能源需求与响应

Building energy demand and response


不同建筑类型在能源需求、灵活性和管理策略上各有特点。为了实现有效的需求响应(Demand response,DR)管理,需要针对不同建筑类型的特性制定相应的节能措施和响应策略。



公共建筑

公共建筑的能源需求主要集中在暖通空调系统,这一系统不仅能耗高,而且具有快速响应电力系统需求变化的能力。通过智能控制,公共建筑的暖通空调系统可以迅速调整负荷,为电力系统提供辅助储备,实现需求响应管理。




住宅建筑

住宅建筑的能源需求涉及两类灵活负荷。第一类是具有热惯性的负荷,如空调、制冷、空间和水加热系统;第二类是电力和能源服务需求在时间上分离的负荷,如洗碗机、洗衣机和滚筒式烘干机。通过调整这些设备的使用时间,可以实现能源需求的灵活调整。



工业建筑

工业建筑的能源需求则更为复杂,涉及生产负荷和辅助服务负荷。工业建筑适合采用可再生能源发电技术,并根据生产需要将用电量转移到夜间。同时,工业需求侧管理还涉及对电力密集型工业流程的控制,通过调整生产水平来实现负荷调节。


在建筑领域实施需求响应管理策略时,采用储能系统已成为不可或缺的环节。其中,电池储能系统凭借其高度的灵活性,展现出显著优势:它能在用电高峰时段释放电能,缓解电网压力,并在负荷低谷期吸收并储存电能,实现能源的优化配置

对改进的电力可再生能源战略进行分类

尽管电池技术面临寿命相对较短及初期投资成本较高的挑战,这往往是业主权衡考量的重要因素,但近年来,随着电池储能系统领域的迅猛发展,电动汽车、电池储能屋顶光伏的深度融合正引领着行业变革。与此相对应,光伏系统和电池价格的持续走低,将使电池储能系统更加经济实惠,更具吸引力。


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建筑能源灵活性的可再生能源发电与电池储

Renewable power generation and 

battery storage for BEF


可再生能源系统(Renewable energy systems,RES)在接入主电网时面临诸多挑战,包括其输出功率的不稳定性、间歇性,以及与用电需求的不匹配性,还有可能对电网的继电保护系统造成影响。为了解决这些问题并提高能源利用效率,建筑领域常采用蓄电池与可再生能源发电相结合的方式。典型的组合模式包括光伏-电池系统、风能-电池系统,以及光伏-风能-电池系统。


光伏-电池系统:

光伏-电池系统通过集成光伏组件、电源逆变器、电池存储设备及控制组件,显著提高了太阳辐射的利用率和建筑物的自供电能力。该系统能够储存光伏发电的昼夜剩余电量,在夜间或需求高峰时段提供电力,从而最大限度地实现光伏自发自用,减轻电网负担,并促进光伏电能的灵活交换。

与电网相连的光伏系统

风能-电池系统: 

风能-电池系统通过结合风力发电与电池储能技术,有效应对了风能发电的不确定性和间歇性挑战。在风能资源丰富地区,该系统能够提升风能对电网的贡献率,同时在风能贡献不足时由传统发电方式补充。电池储能系统的集成不仅缓解了风能预测难题,还优化了风力发电的使用效果,促进了电网稳定。


建筑物内不同灵活性和储能方案的说明


光伏-风能-电池系统:

光伏-风能-电池系统是一种综合利用太阳能和风能的混合能源解决方案,通过与电池储能系统相结合,有效解决了可再生能源的间歇性和不稳定性问题。这种系统不仅提高了能源的可靠性,还能在偏远地区独立运行,甚至作为应急电源使用。以光伏板、风力涡轮机、蓄电池储能系统为基础的混合能源系统正逐步得以推广,能够在负载需求超出可再生能源供应时放电,或在发电过剩时将电能转化为热能。

带蓄电池和蓄热装置的光伏-风能混合系统的能量流图

电动汽车系统: 

电动汽车(Electric Vehicles,EV)不仅作为存储设备在建筑物中发挥作用,还能通过"车-楼"(Vehicle-to-Building,V2B)和"楼-车"(Building-to-Vehicle,B2V),吸收可再生能源剩余能量,优化电网负荷,减少高峰需求,并对电力系统产生积极影响。此外,电动汽车的集成促进了净零能耗建筑(Net Zero Energy Building,NZEB)的实现,通过"楼-车-楼 "(V2B2)等新概念加快能源传输与可再生能源分配,显著降低建筑运营成本。



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挑战和机遇

Challenges and Opportunities

能源系统研究正面临电池与建筑老化这两大挑战,迫切需要通过创新的优化策略来延长其使用寿命并显著提升能效。与此同时,多评价指标的系统优化策略高复杂性所带来的灵活性增强分布式能源系统的智能控制,以及建筑能源模式与用户行为模式的深度融合,共同为节能建筑的发展开辟了多元化的新途径。

物联网、智能电表以及先进的电池储能系统模型等关键技术的广泛应用,不仅为建筑能源灵活性的提升提供了坚实的技术支撑,更在应对挑战的过程中,展现出了把握机遇、开创未来的广阔前景。


总结  

在探索能源未来的征途中,利用电池储能系统打造能源灵活性意义深远。随着可再生能源的蓬勃兴起,建筑能源需求日益复杂多变,而电池储能技术如同能源领域的“调节器”,不仅平衡了供需关系,还促进了可再生能源的高效利用。通过整合可再生能源发电与电池储能的协同效应,不仅能够灵活应对能源波动,还为实现建筑能源系统的智能化、绿色化奠定了坚实基础。

同时,面对技术、经济、环境等多重挑战,创新技术的应用不仅提升了能源系统的响应速度与效率,还为实现碳中和目标、推动全球能源转型提供了强大的技术支撑和无限可能。

撰文丨陈希

编辑丨陈希

审阅丨曾辉、徐燕

来源:Building energy fexibility with battery energy storage system: a comprehensive review,Discover Mechanical Engineering,2022



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