在“雙碳”目標指引下，未來(lái)的電力系統將轉型成為以可再生能源為主體的零碳電力系統。
“光儲直柔”建筑配電系統可有效解決電力系統零碳化轉型的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即增加分布式可再生能源發(fā)電的裝機容量和有效消納波動(dòng)的可再生能源發(fā)電量。
“光儲直柔”是在建筑領(lǐng)域應用光伏發(fā)電、儲能、直流配電和柔性用能四項技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它并非簡(jiǎn)單的將光伏、儲能、直流配電系統、智能電器等組合，上述技術(shù)也并非獨立存在，而是有機融合并構成一個(gè)整體來(lái)實(shí)現“柔性用能”，即實(shí)現建筑與電網(wǎng)之間的友好互動(dòng)。
“光”指的是建筑中的分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電設施。這些設施可以固定在建筑周?chē)鷧^域、建筑外表面或直接成為建筑的構件。
隨著(zhù)光伏組件和系統的成本不斷降低，以及光伏組件色彩、質(zhì)感、與建筑構件的結合形式越來(lái)越豐富，目前它已成為可再生能源在建筑中利用的最主要方式之一，與其它分布式發(fā)電設備（如分布式風(fēng)力發(fā)電機等）一起成為推廣低碳建筑的必然選擇。
根據能源局相關(guān)統計，我國分布式光伏的裝機容量增長(cháng)迅速，從2013年到2018年累計裝機容量從不到500萬(wàn)kW增長(cháng)到1.2億kW，預計在“雙碳”目標下，其增長(cháng)速度還將加快。
光伏裝機容量的爆發(fā)式增長(cháng)得益于組件效率的持續提升和成本的持續降低。大規模生產(chǎn)的單多晶電池平均轉換效率分別從2010年的17.5%和16.5%，提升至2018年的21.8%和19.2%，光伏組件效率近10年提升了6%。未來(lái)隨著(zhù)新技術(shù)的不斷突破和制作工藝的提升，其效率還將會(huì )不斷提高。
在光伏發(fā)電的成本方面，較傳統發(fā)電系統的經(jīng)濟性?xún)?yōu)勢也在不斷體現。我國光伏組件成本從2010年前后的約13元/Wp降低至近年來(lái)的1.5元/Wp。地面光伏電站在1200等效利用小時(shí)數下的平準化度電成本預計到2025年將會(huì )降到0.35元左右，逐漸具備與煤電競爭的能力。
建筑分布式光伏集綠色、經(jīng)濟、節能、時(shí)尚等優(yōu)勢于一身，與集中式光伏電站相比更具優(yōu)勢。
建筑分布式光伏建設時(shí)可通過(guò)建筑設計、施工同時(shí)進(jìn)行，或安裝在既有建筑屋面上，節省土地租賃等一系列建設維護費用。隨著(zhù)技術(shù)迭代和規?；瘧?，其組件效率和經(jīng)濟性將會(huì )進(jìn)一步提高。
“儲”指的是建筑中的儲能設備，包括電化學(xué)儲能、生活熱水蓄能、建筑圍護結構熱惰性蓄能等多種形式。
有效、安全、經(jīng)濟的儲能方式對于可再生能源的高效利用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。為了應對巨大的分布式儲能需求，應從“硬性”的儲能技術(shù)和“軟性”的儲能模式兩方面共同著(zhù)手，提出適用于不同應用場(chǎng)景的儲能解決方案。
近年來(lái)，電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展最為迅速，其具有響應速度快、效率高及安裝維護要求低等諸多優(yōu)勢?？捎糜诮ㄖδ艿男铍姵刂饕ㄤ囯x子電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等，電池技術(shù)呈現出成本減低和收益增加的趨勢。
當然，建筑儲能技術(shù)并非儲能電池技術(shù)的簡(jiǎn)單移植，如何與建筑使用場(chǎng)景特點(diǎn)結合來(lái)保證電池安全散熱，如何合理管理電池來(lái)匹配建筑負荷特性，都是儲能電池應用于建筑場(chǎng)景所必須解決的關(guān)鍵。
除了“硬技術(shù)”外，針對現有技術(shù)的模式創(chuàng )新（即軟模式）極有可能應對當前迫切的儲能需求提供實(shí)用、經(jīng)濟的解決方案。
比如，隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)的普及，具有雙向充放功能的充電樁可把電動(dòng)車(chē)作為建筑的移動(dòng)儲能使用；通過(guò)空調末端充分利用建筑物自身的熱容實(shí)現冷熱量?jì)Υ妫ㄈ鐭峄罨ㄖ到yTABS）；通過(guò)大地的熱慣性實(shí)現冷熱量?jì)Υ妫ㄈ绲卦礋岜茫┑取?
“直”指的是建筑低壓直流配電系統。直流設備連接至建筑的直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)通過(guò)AC/DC變換器與外電網(wǎng)連接。
隨著(zhù)建筑中電源、負載等各類(lèi)設備的直流化程度越來(lái)越高，建筑直流配電系統對于提高建筑的能源利用效率、實(shí)現能源系統的智能控制、提高供電可靠性、增加與電力系統的交互、提升用戶(hù)使用安全性和便捷性等方面均具有較大優(yōu)勢。
構建直流電器生態(tài)是推廣“光儲直柔”系統的基礎。雖然目前直流電器的產(chǎn)業(yè)化能力比較薄弱，但許多設備廠(chǎng)家均在直流電器方面進(jìn)行的一定布局，直流家電及直流系統專(zhuān)利申請呈總體上升趨勢。此外，各種直流電器的智能控制策略也亟待開(kāi)發(fā)，以實(shí)現基于“光儲直柔”系統原理的電器柔性用能調節。
除直流智能電器外，建筑級電網(wǎng)中的各類(lèi)配電設備也是“光儲直柔”系統發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。
隨著(zhù)直流配電技術(shù)的不斷成熟，推出直流建筑相關(guān)標準的呼聲越來(lái)越高?！睹裼媒ㄖ绷髋潆姽こ碳夹g(shù)導則》（建標工[2017]135號）已啟動(dòng)編制，已于2022年初發(fā)布并啟動(dòng)2.0版編制工作。標準重在從建筑電氣設計工作者的角度出發(fā)，解決低壓直流配電當前面臨的主要問(wèn)題，并與既有的國標《民用建筑電氣設計標準》（GB51348-2019）形成相互補充。
《民用建筑直流配電工程技術(shù)導則》與國標《民用建筑電氣設計標準》（GB51348-2019）的關(guān)聯(lián)
“柔”指的是柔性用電，也是“光儲直柔”系統的最終目的。柔性建筑的概念是由國際能源署IEA EBC Annex 67課題（2014-2020）系統提出：在滿(mǎn)足正常使用的條件下，通過(guò)各類(lèi)技術(shù)使建筑對外界能源的需求量具有彈性，以應對大量可再生能源供給帶來(lái)的不確定性。
隨著(zhù)建筑光伏、儲能系統、智能電器等融入建筑直流配電系統，建筑將不再是傳統意義上的用電負載，而將兼具發(fā)電、儲能、調節、用電等功能。
柔性建筑實(shí)現的“用電負荷可控”這一特性對于電網(wǎng)的運行調節具有重大意義。為鼓勵建筑柔性用能技術(shù)的發(fā)展，多省市已出臺需求側響應補償政策及示范。
從技術(shù)角度上看，柔性用電的實(shí)現方式更加簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、可靠。其直流母線(xiàn)電壓可以在較大范圍的電壓帶內變化，而非傳統直流微網(wǎng)的“恒定直流母線(xiàn)電壓”策略。主要通過(guò)AC/DC控制母線(xiàn)電壓，以母線(xiàn)電壓為信號引導各末端設備進(jìn)行功率調節，有利于適應復雜多樣的建筑終端設備和用戶(hù)需求。
為了更直觀(guān)的展示“光儲直柔”系統的工作原理，根據其系統的拓撲結構和控制策略，模擬典型建筑在一天內的電力供需情況，如下圖：
該建筑由公寓房和商鋪組成，負載包括家用電器/照明、商鋪電器/照明、商戶(hù)中央空調、充電樁、景觀(guān)照明噴泉等。若以火力為主的電力供給，負載均不能調節，只能通過(guò)電網(wǎng)供給側的調節來(lái)滿(mǎn)足電力需求。
若采用“光儲直柔”建筑配電系統，可安裝分布式光伏約500m2（90kWp），負載可拆分為不可調負載（152kW）、可切斷負載（4kW）、可削減負載-電動(dòng)車(chē)充電樁（210kW）和可削減負載-中央空調（150kW），配備1200kWh的儲能系統（約一日總用電量的29%）。
此時(shí)，電網(wǎng)可以完全按照風(fēng)光電1:1的零碳電力結構供給，分布式光伏可按最大功率發(fā)電，儲能系統可續存日間電力供給夜間使用，因此可完全實(shí)現“零碳運行”。
“光儲直柔”系統將給電力系統的設計和運行帶來(lái)巨大變革，從傳統的“自上而下”（集中電站發(fā)電，并通過(guò)電網(wǎng)輸配給各終端用戶(hù)）轉變?yōu)椤白韵露稀保ǜ鹘K端用戶(hù)自身具有發(fā)電能力，分布式發(fā)電首先自消納，若有剩余再傳輸至上一級電網(wǎng)）。
“光儲直柔”系統將成為電力系統中可調度的柔性用能節點(diǎn)。對于目前以火電為主的電力系統，“光儲直柔”建筑可實(shí)現“削峰填谷”（消納夜間谷電，減少日間取電）；對于未來(lái)以風(fēng)光電為主的電力系統，“光儲直柔”建筑則可實(shí)現增加可再生能源的利用率。
發(fā)展“光儲直柔”系統，對于解決電力負荷峰值突出問(wèn)題，以及未來(lái)與高比例可再生能源發(fā)電相匹配的問(wèn)題均具有重要意義。需要開(kāi)展更深入的研究來(lái)揭示其系統中的各組成部分對建筑用能柔性的影響，從而給出最大化柔性的技術(shù)指導方案