王 潔

（晶澳太陽能科技股份有限公司）

0 引言

工業(yè)行業(yè)是我國排行第二的碳排放行業(yè)，工業(yè)園區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要載體，但傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)不可避免地存在資源消耗大、碳排放量大等問題[1]。我國一直致力于推動工業(yè)園區(qū)走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳發(fā)展之路，并出臺相關(guān)支持政策，零碳工業(yè)園區(qū)應(yīng)運(yùn)而生，且近年來數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大、綠色發(fā)展水平不斷提高。2021年1月，國內(nèi)首個“碳中和”園區(qū)-金風(fēng)科技亦莊智慧園區(qū)舉行認(rèn)證儀式[2]；同年10月，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯官方宣布全球首個零碳產(chǎn)業(yè)園正式落地內(nèi)蒙古[3]；2023年9月，正泰新能源首次對外開放展示其零碳工廠布局……雖然這些零碳園區(qū)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)各不相同，但零碳實現(xiàn)路徑都不可避免地依賴用能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，即高比例綠色電力的供應(yīng)和消納[4-5]。當(dāng)前，綠電的產(chǎn)生主要方式是風(fēng)力發(fā)電和屋頂光伏發(fā)電，但風(fēng)機(jī)的建設(shè)占地面積較大，容易對生態(tài)環(huán)境造成破壞[6]。因此，零碳工業(yè)園區(qū)搭建新型電力系統(tǒng)最主要的途徑是屋頂光伏發(fā)電+配套儲能，儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微網(wǎng)系統(tǒng)等發(fā)展必不可少的支撐技術(shù)之一。然而，目前園區(qū)建設(shè)更多關(guān)注的是最大比例使用綠色電力，以幫助園區(qū)最終實現(xiàn)零碳排放。其實，產(chǎn)生綠電的光伏設(shè)備的運(yùn)行效率、配套儲能的峰谷優(yōu)化能力，都會通過提升新能源消納能力、降低園區(qū)運(yùn)營成本、為園區(qū)參與綠電交易提供保障等途徑助力園區(qū)的零碳建設(shè)。

基于此，本文將結(jié)合園區(qū)場址所在地的氣候條件分析光伏建設(shè)方案，同時研究儲能系統(tǒng)技術(shù)路線選擇和電池類型選擇，提升儲能系統(tǒng)移峰填谷效果，優(yōu)化電網(wǎng)消納能力，以提升綠電系統(tǒng)運(yùn)營效率。最后，基于園區(qū)零碳屬性和投資回報考慮，針對綠電交易面臨的困境，為園區(qū)參與綠電交易提供布局方案。全面、系統(tǒng)性地提出零碳工業(yè)園區(qū)綠色電力的建設(shè)方案，為推進(jìn)我國零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)提供理論依據(jù)和方案建議。

1 園區(qū)應(yīng)用屋頂光伏及配套儲能的優(yōu)勢

1）節(jié)省土地資源，對環(huán)境影響小。不同于風(fēng)力發(fā)電，園區(qū)內(nèi)光伏發(fā)電主要依靠屋頂光伏，有效利用屋頂面積的同時不會破壞城市生態(tài)環(huán)境，且不會產(chǎn)生光污染。

2）太陽能收集效率高。工業(yè)園區(qū)一般設(shè)在郊區(qū)，建筑物四周無高樓大廈的遮擋，同時工業(yè)園區(qū)屋頂面積一般較大，光伏組件對太陽能的收集過程不易受影響。

3）一定程度降低建筑能耗。光伏組件可充當(dāng)室外與建筑屋頂間的過渡層，提高建筑保溫、隔熱性能，一定程度降低建筑的資源、能源消耗[7]。

4）分布式光伏發(fā)展迅速，技術(shù)成熟，為工業(yè)園區(qū)應(yīng)用所面臨的問題和挑戰(zhàn)提供堅實的技術(shù)支撐。

5）儲能系統(tǒng)響應(yīng)靈活，可以有效輔助電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，削峰填谷，減少棄光。

6）零碳工業(yè)園區(qū)中新能源配比一般遠(yuǎn)超負(fù)荷用量，利用配套儲能的方式，可幫助實現(xiàn)多余電力市場化交易，保證項目基本收益。

2 屋頂光伏建設(shè)方案

根據(jù)距項目所在地最近的、具有太陽輻射觀測資料的氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)分析氣象條件對光伏項目的影響。

根據(jù)《太陽能資源評估方法》（QXT89—2019），對于無太陽輻射觀測資料的代表氣象站，選擇距離代表氣象站最近、緯度與項目區(qū)域基本相同且氣候相似的國家基準(zhǔn)氣象站作為參考?xì)庀笳?，收集其相關(guān)太陽輻射觀測資料，利用氣候?qū)W方法推算代表氣象站的太陽輻射數(shù)據(jù)。

若距離最近的氣象站無太陽輻射觀測資料，可擴(kuò)大范圍，由區(qū)縣級氣象站擴(kuò)大到市級氣象站，采用區(qū)縣氣象站氣象數(shù)據(jù)分析氣象條件對工程規(guī)劃的影響，市級氣象站太陽輻射觀測資料分析太陽能資源條件對項目規(guī)劃的影響。

2.1 太陽能資源分析

在自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象中，大量的隨機(jī)變量都服從或近似服從正態(tài)分布，因此可采用統(tǒng)計學(xué)中的正態(tài)分布來研究太陽輻射資料。通過選取的氣象站近20年相同月份的太陽輻射量數(shù)據(jù)擬合正態(tài)分布曲線，選取高概率區(qū)間的實測值作為電站設(shè)計的基本計算參數(shù)，即每月對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)月輻射量和標(biāo)準(zhǔn)月日照時數(shù)，計算可知工程代表年太陽輻射總量。進(jìn)而根據(jù)中國氣象局制定的太陽能資源豐富程度評估標(biāo)準(zhǔn)可知該區(qū)域太陽能資源的豐富程度；同時，可根據(jù)氣象站提供的資料分析太陽輻射量和日照時數(shù)的月際變化、年際變化，以此推斷該區(qū)域太陽能輻射的穩(wěn)定程度。根據(jù)太陽能資源豐富程度和穩(wěn)定程度可推斷建設(shè)光伏電站的風(fēng)險大小。

2.2 主要?dú)庀髼l件影響

根據(jù)氣象站的數(shù)據(jù)資料并結(jié)合擬選場址區(qū)域的實際情況，進(jìn)行特殊氣候條件的初步影響分析并做出相應(yīng)措施。

（1）氣溫因素

光伏并網(wǎng)發(fā)電中將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷牟⒕W(wǎng)逆變器的工作環(huán)境溫度范圍為-30～+60℃，光伏組件的工作溫度范圍為-40～+85℃。參照氣象站提供的各類相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，分析氣溫條件對光伏組件的可靠運(yùn)行及安全性是否有影響。并網(wǎng)逆變器應(yīng)有一定采暖或保溫措施以保證在極端低溫下正常工作。在光伏組件的串并聯(lián)組合設(shè)計中，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H氣溫情況進(jìn)行相應(yīng)的溫度修正，以確保整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)在全年中有較高的運(yùn)行效率。

（2）風(fēng)速和風(fēng)向因素

根據(jù)氣象資料得知園區(qū)所在地近30年平均風(fēng)速、最大瞬時風(fēng)速以及主導(dǎo)風(fēng)向等，因為太陽能電池組件迎風(fēng)面積較大，組件支架設(shè)計必須考慮風(fēng)荷載的影響。

（3）風(fēng)沙因素

如果所在區(qū)域氣候干旱，植被稀少，在大風(fēng)季節(jié)里，極易出現(xiàn)沙塵天氣。沙塵天氣對大氣的影響較大，空氣中粉塵量會劇增，大氣透明度會大幅度降低，因此會阻擋和減弱太陽直射。沙塵天氣對光伏電站的發(fā)電量影響較大，故在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)采取有效的防沙措施和方便可行的日常清洗方法。

（4）雷暴因素

電池陣列均固定金屬支架之上，且陣列面積較大，因此雷電對光伏電站有一定的危害，電站應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件采取可靠的防雷接地措施。

（5）積雪因素

太陽能電池板最低點距屋頂?shù)木嚯x選取主要考慮以下因素：① 高于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度；②防止泥和沙濺上太陽能電池板；③高于當(dāng)?shù)睾樗唬虎芊乐箘游锲茐摹?/p>

3 儲能建設(shè)方案

3.1 技術(shù)路線選擇

儲能系統(tǒng)能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、電磁能等形式進(jìn)行儲存，并在需要時重新轉(zhuǎn)換為電能予以釋放。在電網(wǎng)中采用儲能系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)需求側(cè)管理、消除峰谷差、平滑負(fù)荷及提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性等功能，是零碳工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)綠電自發(fā)自用必不可少的系統(tǒng)之一。

根據(jù)電能轉(zhuǎn)化后的形態(tài)，可以將儲能分為電化學(xué)、機(jī)械、電磁、相變儲能四大類。各種儲能技術(shù)在其能量密度和功率密度方面均具有不同的表現(xiàn)，很少能有一種儲能技術(shù)可以完全勝任電力系統(tǒng)的各應(yīng)用場景。因此，必須兼顧雙方需求，選擇與電力系統(tǒng)匹配的儲能方式。在現(xiàn)有儲能技術(shù)中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能可實現(xiàn)大功率、大容量電能儲存，但是對建站選址要求較高。電化學(xué)儲能技術(shù)對建設(shè)場址要求靈活，且當(dāng)前電池儲能技術(shù)眾多，可根據(jù)實際應(yīng)用情景要求綜合考慮選擇比較適宜的。

工業(yè)園區(qū)儲能系統(tǒng)定位為電網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)，主要功能包括削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓等輔助服務(wù)。接入電網(wǎng)側(cè)大規(guī)模儲能對儲能系統(tǒng)有其特殊要求：①循環(huán)壽命長。②響應(yīng)速度快。③充放電效率高。④安全性好。⑤成本適中。⑥配置靈活，安裝建設(shè)便捷，可擴(kuò)容性好等。相較其他儲能技術(shù)路線，電化學(xué)儲能單位造價也較低，將是未來儲能的主要選擇。

3.2 電池類型選擇

鉛酸及鉛炭電池系統(tǒng)充放電倍率較低，無法完全滿足園區(qū)應(yīng)用需求；全釩液流電池能量密度低，占地面積大，屬于能量型電池，系統(tǒng)配置容量很大才具有經(jīng)濟(jì)性；鈉硫電池目前只有日本公司可以提供工程化產(chǎn)品，運(yùn)維受限；釩液流電池循環(huán)壽命較高、安全性較高，但價格較貴，效率較低。鋰離子電池國內(nèi)技術(shù)成熟，廠家眾多，可以滿足園區(qū)應(yīng)用條件和應(yīng)用目的?，F(xiàn)階段，主流的鋰電池儲能技術(shù)有三種：磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池?，F(xiàn)對三種鋰電池技術(shù)性能進(jìn)行分析對比，見下表，應(yīng)綜合權(quán)衡儲能電池的技術(shù)性能、使用壽命、工程業(yè)績、技術(shù)先進(jìn)性和成熟度、環(huán)保及環(huán)境友好型等指標(biāo)做出適合于園區(qū)建設(shè)的選擇。

表 三種鋰電池技術(shù)性能對比

4 綠電交易布局

零碳工業(yè)園區(qū)的建設(shè)存在一定經(jīng)濟(jì)投入，多余綠電參與現(xiàn)貨交易是提高收益率、縮短投資回收期且符合社會綠色發(fā)展大趨勢的選擇。綠色電力交易是以風(fēng)電、光伏等綠色電力產(chǎn)品為標(biāo)的物，在電力中長期市場機(jī)制框架內(nèi)設(shè)立的交易品種，能夠全面反映綠色電力的電能價值和環(huán)境價值，并提供相應(yīng)的綠色電力消費(fèi)認(rèn)證。

4.1 面臨困境及解決辦法

目前，全國電力市場交易規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大；風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模擴(kuò)大；新型電力系統(tǒng)建設(shè)朝數(shù)字化方向發(fā)展，電力系統(tǒng)可控對象從以源為主擴(kuò)展到“源網(wǎng)荷儲”各環(huán)節(jié)，控制規(guī)模呈指數(shù)級增長，但綠電市場化仍面臨一定困境。2021年至今，新能源電力參與現(xiàn)貨市場，但結(jié)算價格劇烈波動，最終結(jié)算價格在基準(zhǔn)價上下浮動40%以內(nèi)。主要有以下原因：①新能源發(fā)電出力與電力現(xiàn)貨市場價格負(fù)相關(guān)，即新能源大發(fā)的時候現(xiàn)貨價格低，新能源小發(fā)的時候現(xiàn)貨價格高；②新能源發(fā)電出力預(yù)測與氣象條件息息相關(guān)，目前技術(shù)水平僅能覆蓋15日導(dǎo)致大量電量進(jìn)入價格波動劇烈的現(xiàn)貨市場。

當(dāng)前形勢下，園區(qū)布局面對價格波動劇烈的困境，才能有效提高交易業(yè)務(wù)的價值。解決方法如下：

1）簽訂長期PPA協(xié)議（購電協(xié)議）。新能源發(fā)電方可與電力用戶或售電公司簽訂15～25年長期PPA協(xié)議，雙方以確定的價格形成方式交易電量。

2）配備交易團(tuán)隊。建立具備電力現(xiàn)貨交易、算法、數(shù)字化能力的團(tuán)隊，通過收集發(fā)電/用電負(fù)荷、電網(wǎng)運(yùn)行方式、歷史價格、氣象等信息，精準(zhǔn)預(yù)測發(fā)用電負(fù)荷及電價，通過交易策略優(yōu)化，控制風(fēng)險、提高新能源與儲能收益。不斷迭代將策略能力沉淀在自身開發(fā)的輔助交易決策平臺，通過對電力供需及價格的長期預(yù)測，指導(dǎo)新能源與儲能投資。

3）委托代理公司。委托外部成熟電力交易代理公司，同時逐步提升本公司電力交易能力，至少具備評價交易策略、監(jiān)控交易行為、復(fù)盤交易結(jié)果的能力。

4.2 未來發(fā)展方向

目前電力交易仍處于初級到中級階段過渡期，市場存續(xù)交易水平良莠不齊，主要還是開展資源型電力交易工作，以雙邊協(xié)商為主要的電力交易盈利手段。隨著電力市場化改革深入，電力交易會更復(fù)雜、交易頻次增加、交易評價難度將提升，資源型電力交易能力將難以支撐。未來，交易的技術(shù)性和專業(yè)性特點凸顯，市場、技術(shù)、營銷與金融多維融合，交易量價有機(jī)配合，因此需要建立以算法為核心的新能源發(fā)電交易能力。

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，單獨(dú)的發(fā)用電企業(yè)難以支撐新能源裝機(jī)的大幅增長，新能源發(fā)電出力的波動性、隨機(jī)性和一致性將對電網(wǎng)帶來極大挑戰(zhàn)，源網(wǎng)荷儲一體化（虛擬電廠）是目前比較經(jīng)濟(jì)解決上述問題的方式，園區(qū)可盡早布局虛擬電廠項目。

5 結(jié)束語

開展零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)是近年來推動我國工業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的新理念、新模式，也是我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要助力。綠電建設(shè)是零碳工業(yè)園區(qū)必不可少的一部分，本文全面、系統(tǒng)提出包括綠電交易在內(nèi)的綠色電力建設(shè)方案，未來零碳工業(yè)園區(qū)發(fā)展需著力打造集虛擬電廠、綠電交易、碳交易、綜合能源服務(wù)平臺等功能在內(nèi)的數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高比例可再生智慧能源發(fā)電、儲能和用電的高效協(xié)調(diào)管理，同時參與市場化電力交易與區(qū)域智能能源調(diào)配，推動零碳園區(qū)智慧化、數(shù)字化高質(zhì)量發(fā)展。