未来分布式供能系统探索 ——介绍上海交大正能量太阳能建筑

上海交通大学副校长,国际能源问题研究中心主任黄震 上海交通大学机械与动力工程学院讲师胡小军  2014年12月19日

众所周知,杰里米·里夫金是美国历任总统顾问,也是著名的经济学家。他在《第三次工业革命》中提出了一个震撼人心的观点:21世纪每一栋建筑都将变成一座微型发电厂。具体而言,就是“曾经支撑起工业化生活方式的化石能源日渐枯竭,采用一种新的经济模式才能确保一个更具可持续性的未来;互联网技术和可再生能源将结合起来,为第三次工业革命创造强大的基础,第三次工业革命将改变世界。19世纪,第一次工业革命造就了密集的城市核心区、拔地而起的工厂;20世纪,第二次工业革命催生了城郊大片房地产业以及工业区的繁荣;21世纪,第三次工业革命将会把每一栋楼房转变成住房和微型发电厂。”

当下,很多人认为分布式发电是第三次工业革命的标志。如前所述,分布式能源和互联网的结合是第三次工业革命的基础,它主要包括以下几个方面:能源类型从化石能源向可再生能源转型;将每个住宅和工业建筑转化为微型发电厂;在每一栋建筑物以及基础设施中使用各类能源存储技术以保存间歇式能源;利用互联网技术将不同地区电力网转化为能源共享网络;将运输工具转向插电式以及燃料电池动力车,所用的电力可以通过共享的电网平台进行买卖。这也许就是分布式供能为未来世界、为第三次工业革命所提供的变化。分布式能源的核心关键是它可以在世界上每个角落都能方便地获取。这种能源不一定只是光伏,但光伏必定是分布式能源最重要的方式。

 

一、积极发展分布式光伏发电的意义

 

首先,目前我国仍然存在一些缺电、少电的地区需要提供支持,这可以通过自给自足的分布式光伏发电解决。

其次,分布式光伏发电可以满足我国东、西部不平衡的电力需求。比如,我国西部日照条件好,土地辽阔,适合集中式大型光伏电站,但西部经济相对欠发达,用电需求小,电网公司接入积极性不高;而东部地区电力需求大,能源供应少,电价高,如采用屋顶太阳能发电系统自给自用,则具有很强的经济性。那么,分布式光伏发电与用电季节高峰以及日用电高峰是否可以匹配?我们以熟悉的上海地区为例进行比较。如图1-a上海地区全市及居民用电季节因素典型曲线中可以看出,夏季为用电量高峰时期。而某家庭光伏系统的日均发电量与季节性用电高峰变化基本一致,也就是分布式光伏发电对季节性用电高峰具有积极的意义。由图1-b中也可以看出上海市区典型用电日负载曲线与家庭光伏系统日发电输出曲线变化基本一致。同样分布式光伏发电对日峰谷差也具有积极意义。

再有,分布式光伏发电在一定程度上能够促进电网的稳定。分布式发电大部分供建筑物自用,内部电力代替电网传输电力,减轻电网压力,用户侧并网优势明显;光伏屋顶电站数量增多,气象变化不利影响相互抵消,屋顶光伏越多,电网会越稳定。

此外,分布式光伏发电产业的发展还可以带动系统集成产业的兴起及相关电网广域监控和微功率的调节,进一步带动能源存储、建筑能源一体化、建筑节能等产业。

最后,分布式光伏发电这种节点式、横向、市际的能源基础设施的改变可以带动社会生活方式改变。

图1用电需求季节性峰谷差和日峰谷差统计

 

二、上海交大正能量太阳能建筑

很多人认为采用太阳能建筑实现分布式光伏发电的造价会非常昂贵,但事实并非如此。交大太阳能示范建筑“日上江村”的建成就对此给予了一个积极的回应。我们组织了交大十余个院系,近百名老师、同学参与了“日上江村”的设计、建造等工作。其中包括建筑、结构、太阳能光伏设备、暖通、水、智能控制等,甚至还包括了市场、媒体等推广工作。整个团队花费近两年的时间,同时还获得了近30家各行业公司的支持,完成了这样一座太阳能智能建筑。这其中融入了建筑节能、智能控制、生态循环等理念,同时还可以实现快速、批量化的生产建设。该建筑采用了江南民居风格,室内设计考虑了折叠拼接式家具,通过该建筑展示了太阳能的、生态的、正能量的、同未来生活接轨的包括一些智能家居、智能控制、物联网等未来建筑理念。

“日上江村”具体实施情况如下:整体设计理念是“新能源、新江村、新生活”。首先体现江南传统民居与现代建筑技术的融合,期望分布式太阳能建筑不只是技术的体现,更重要的是服务于生活。设计初期就避免接受障碍,更有利于市场推广。采用屋面光伏、光热系统与建筑节能、智能家居控制系统相结合,实现正能量建筑。此外,挑选性价比最好的产品采用相关技术完成系统集成,建造一座大家买得起、好看、好用的建筑。从而瞄准市场规模化推广,实现质量、成本与工期的平衡。该建筑的基本参数为建筑面积:160 m2;建筑朝向:南偏东15度(根据地形限制设计);光伏系统:13 kW,光热:6 m2;空调系统:8 kW。整体建筑特点是一体化光伏发电,采用冷弯薄壁轻钢密肋体系;采暖MX、全热回收新风、智能排风暖通;太阳能热水与空调冷凝热回收热水;高效节能墙体、双层LOW-E、内外遮阳、外墙挂板通风;屋顶储能;自然采光、智能照明、日光照明;C-BUS智能家居控制以及雨水收集与生态循环系统。整个分布式供能建筑是多个学科相互协作的产物。在建造的过程中,我们建立了一个基于BIM的建筑信息系统设计平台,从而实现跨专业、跨学科的协同工作。由于分布式供能系统复杂,各个专业都能够通过该平台共享信息,同时检测系统之间可能出现的冲撞。

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图2 太阳能生态智慧江南民居-日上江村

 

目前整个“日上江村”的运行情况良好。2013年5月30日太阳能系统并网发电。2013年7月4日整体建筑落成。晴好天气条件下,10kW太阳能光伏日发电达50~60度电左右,截止到10月29日累计发电5781度,全年预计发电1.2~1.5万度电左右。照此情况运行,“日上江村”能完全满足家庭全年正常用电需求以及家庭夏季高峰期用电需求。对此,我们针对用电需求做了相应的计算,通过列出设备功率、运行时间等,得到了估算结果。其中,暖通耗电最高,一层、二层在高峰期约耗电14度左右,其它如室内照明、电器、厨具等耗电约9度左右。这样,即使在夏季高峰期满负荷运行每天共耗电20余度,而“日上江村”光伏系统夏季发电约为60度左右,电量自发自用绰绰有余。

“日上江村”建成以后受到如新闻联播、东方卫视、上海电视台、新华网、中新社、解放日报、东方早报、文汇报等近百家媒体的报导,也给予了很多的好评。我们也组织了社会各界的参观,让大家体验我们这个正能量建筑。

 

三、长三角地区分布式太阳能建筑的推广

 

众所周知,目前长三角地区分布式太阳能供能建筑面临着推广的重大机遇。首先,长三角地区是中国乃至世界最大的太阳能产业集聚地区。且本地区收入较高,民众环境意识相对超前,为我们推广分布式太阳能建筑提供了良好的基础。其次是面临新农村、城镇化、长三角国际城市群的重大发展机遇,尤其是近期太阳能产业政策密集出台,使得其前景光明。例如:2013年7月,国务院发布《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》;8月,国家发改委又先后发布了《分布式发电管理暂行管理办法》和《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》。明确鼓励各类电力用户建立分布式发电系统,强调了电网公司负责接入,电网企业保证多余电量的优先上网和全额收购,并按照全电量补贴,通过可再生能源发展基金予以支付等多项优惠措施。综合地区收入、城镇化发展、政策扶持等特点,在长三角地区推广分布式太阳能建筑具有非常光明的前景。

我们在设计、建造和推广分布式太阳能建筑的过程中,也获得了一些心得和体会。首先就是如果大规模推广分布式太阳能建筑,地方配套政策应尽快落实。其次,尽管政策明确了电网接入和电力收购由电力公司负责,但是实际推广操作中,依然面临着一系列问题,如多余电量上网申请的报批、报建等程序是否可操作,批复时间长短,报批成本是否可以支付等。第三,相关补贴政策已经出台,但补贴是否能够落实;第四,如何确保政策补贴的长效性;第五,由于民众对分布式太阳能建筑并不是特别熟悉,需要适时建立工程示范推广中心加大推广;第六,急需规范建筑设计标准,特别涉及安全及质量控制的标准(防风、防水、防遮挡);第七,严控光伏系统质量,采取措施确保光伏企业履行质量承诺;第八,加强分布式光伏建筑市场监管,防止一哄而上。

 
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