双碳目标下光伏储能配置技术方案研究

摘要：为响应全球气候变化挑战，推动实现“双碳”目标，文章基于光伏储能技术设计了新能源光伏储能配置技术方案，通过新能源光伏储能配置模型设计，架构了光伏发电模块、储能模块、能量管理系统（EMS）核心模块来优化能源和减少碳排放，并以典型工业园区的光伏储能系统配置为例进行了实验测试。实验结果表明，该技术方案可提升能源系统的输出稳定性、经济性，明显降低电能消耗与减少碳排放，为实现碳达峰和碳中和目标提供了切实可行的技术路径，对推动全球能源结构优化具有重要意义。
关键词：“双碳”目标；新能源；光伏储能配置技术
0.引言

随着全球气候变化加剧与能源危机的深化，实现能源生产与消费可持续发展已成为当务之急。中国作为全球*大的能源消费国，已明确提出2030年碳达峰、2060年碳中和的“双碳”目标，对能源结构优化与新能源技术发展提出了更高要求。光伏储能技术作为一种结合了太阳能光伏发电、电能存储的新能源技术，能缓解传统能源的环境压力，提高能源利用率。光伏发电的不连续性、不稳定性限制着其大规模应用，因此优化光伏储能配置技术不仅可提高光伏发电稳定性、可靠性，还有助于提升光伏系统在能源市场中的竞争力。文章旨在探索高效的光伏储能配置模型，通过技术创新实现光伏储能系统优化，为达成“双碳”目标贡献力量。

1.光伏储能概述
1.1光伏发电概述
光伏发电是一种将太阳能直接转换为电能的技术，核心组件为光伏电池。光伏电池主要由半导体材料（通常是硅）构成，工作原理基于光电效应。当太阳光照射到光伏电池上时，光子能量被半导体材料吸收，使材料内部电子获得足够能量从价带激发至导带，形成自由电子和空穴。自由电子在电场的作用下向电池一侧移动，形成电流。通过外部电路连接，电流可驱动电器设备或存储于电池中以备不时之需。光伏发电系统优点包括清洁环保、运行成本低、维护简便，可部署在家庭屋顶、大型地面电站等多种规模和环境中。光伏技术的发展与应用推广，对推动全球能源结构转型、实现碳减排目标具有重要意义。
光伏组件是光伏发电系统的核心部分之一，主要类型根据所用材料、结构设计的不同分为单晶硅、多晶硅、薄膜光伏组件三种。单晶硅光伏组件因具有较高的转换效率与长期稳定性，可应用于商业、住宅光伏项目中，生产涉及将高纯度硅锭切割成薄片的过程；多晶硅光伏组件以成本效益高的特点受到市场欢迎，由硅材料被熔化并倒入模具中冷却形成，虽然效率稍低于单晶硅，但其制造过程的简便性使成本更加可控；薄膜光伏组件采用了全新的技术路线，如铜铟镓硒（CIGS）或镉碲（CdTe）材料，能在更薄的基底上形成光电层，光照弱环境下的表现更好。
1.2储能技术概述
储能技术是实现能源系统优化的关键技术，允许能源在生成时被储存，以供未来使用，从而解决能源供需的时空不匹配问题。储能技术按原理可分为机械储能、化学储能、电磁储能、热能储存四大类。机械储能包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等，主要是将电能转换为机械能进行存储；化学储能包括锂离子电池、铅酸电池、流电池等，通过电化学反应实现能量的存储、释放，是当前应用广泛的储能技术；电磁储能主要指超级电容器、超导磁储能，通过电磁场存储能量；热能储存包括太阳能热发电与工业余热回收系统，主要是吸收热能（如太阳热能）存于介质内部，并在需要时释放热量。光伏储能系统的集成技术关键是结合光伏发电系统与电能储存设施，提升整体能效与可靠性。该技术主要涉及光伏组件能量捕获，以及电能的转换、储存及智能管理，通过高效的光伏组件将太阳能转换为直流电，随后逆变器将直流电转换为交流电，以供建筑物使用或送至电网。在此基础上，电池储能系统负责储存过剩的电能，供非发电时段使用，解决光伏发电的间歇性问题。系统智能管理通过先进的控制系统与软件实现，该系统能监测环境条件、负载需求、储能状态，实时优化能量分配与使用效率。
2.基于“双碳”目标的新能源光伏储能配置技术方案设计
2.1基于“双碳”目标的新能源光伏储能配置模型设计
基于“双碳”目标的新能源光伏储能配置模型设计旨在实现能源系统的碳排放减少与效率提升。该模型结合光伏发电高效能源转换与电池储能的调节能力，以优化能源生产与消费的整体性能。设计过程中，先通过对光伏发电量与用电需求的预测，确定所需储能容量与配置。再利用算法优化光伏组件与储能系统动态匹配，以确保在不同环境条件和负载需求下能源的稳定供应。模型还集成了智能管理系统，该系统能实时监控环境数据、系统状态、电网需求，通过控制策略调节光伏发电与储能释放，可提升系统响应速度与运行效率。该配置模型不仅能使碳排放大幅减少，也能增强能源系统的可靠性、经济性。
2.2关键技术选型
在基于“双碳”目标的光伏储能配置技术方案中，应先选择高效能的单晶硅光伏组件，以提高太阳能的转换效率。针对储能系统，采用锂离子电池，该类型电池具有高能量密度与较长的使用寿命，能提供更为稳定、可靠的能量存储解决方案。逆变器选择侧重于具有高转换效率、良好电网互操作性的型号，以支持无缝能量转换与电网集成。引入先进的EMS来优化光伏发电、电池储能之间的交互，该系统能实现对能源产出、消耗的控制，优化设备运行状态，减少能源浪费。为保证系统安全稳定运行，还需集成现代化的监控系统与自动化保护装置，以实时监控系统性能，在异常情况下迅速响应。
2.3核心功能模块设计
核心功能模块设计是保证系统效率和可靠性的关键，主要包括光伏发电模块、储能模块、EMS等核心模块。
2.3.1光伏发电模块
光伏发电模块设计注重高效能的能量转换与持久的运行性能。先选用高性能单晶硅材料作为主要光伏电池成分，其具有高光电转换效率、较低的光衰特性，适合长期稳定发电。电池组件采用半透明防反射玻璃、防水封装技术，以增强耐环境性能与光捕获能力。电池板后部加装优化设计的反射板，可进一步提升光线利用率。整个模块电气连接设计采用低阻抗高导电路径，提高电能传输效率。模块集成智能监测系统，能实时监控每块电池板的性能，包括温度、输出电压、电流，通过数据分析进行预防性维护、故障快速定位，从而降低维护成本，延长系统整体寿命。这种设计不仅可提升系统的电能生产效率，还能优化操作与维护的便捷性，使光伏发电模块在多种应用场景中均能发挥稳定效能。
2.3.2储能模块
储能模块设计确保能量的高效存储与快速释放，满足光伏系统因发电间歇性造成的能量供需不均问题。该模块选用先进锂离子电池，具有高能量密度、长寿命、优良的充放电性能等特点，非常适合与光伏系统集成使用。电池单元采用模块化设计，便于根据系统容量需求进行灵活配置及未来扩展。电池管理系统（BMS）是储能模块的关键部分，主要负责监控电池的充电状态、电压、温度等关键参数，通过控制充放电过程，不仅能延长电池寿命，还能确保系统的安全运行。BMS通过算法优化，实现对电池健康状况的实时诊断与预测性维护，降低维护成本，提升系统可靠性[5]。储能模块包括高效的热管理系统，确保电池在理想温度范围内运行，提升能量存储效率与系统的整体性能。储能模块设计需充分考虑与光伏系统的协同效应，以有效平衡生产与消费的能量差异，支持能源系统稳定运行。
2.3.3能量管理系统
EMS的设计关键是实现光伏发电与储能之间的高效能量调配与优化管理。EMS采用算法、人工智能技术来监测、控制、优化光伏系统的能量生产与消耗。系统核心是一个集成的软件平台，实时收集来自光伏模块、储能单元的数据，包括电压、电流、温度、光照强度等参数[6]。通过EMS，能计算出实时的能量产出与需求预测，自动调节储能设备的充放电策略，尽可能地利用可再生能源，并减少对传统电网依赖。EMS包含需求响应管理，可根据电网的负载需求、峰谷电价自动优化光伏系统运行模式，如在电价高峰时段增加储能释放，以降低电费成本，提高经济回报。EMS还具备故障诊断、预警功能，能及时发现系统潜在问题并进行预警，确保系统运行的可靠性、安全性。通过智能化、自动化的能量管理，EMS不仅可提升光伏储能系统的整体效能，也能为用户带来更智能、更便捷的能源管理体验。
3.测试与应用
3.1实验设计
为验证基于“双碳”目标的光伏储能配置技术方案的效能与实用性，实验设计选择某个典型的工业园区部署实验模型，设计对比实验，以展示该方案优势。工业园区因其较高且稳定的能耗特征，是理想的测试环境，能直观展现光伏储能系统在减少工业能耗及碳排放方面的效果。实验组安装包括高效单晶硅光伏面板、锂离子电池储能单元、先进的EMS在内的设计光伏储能系统，对照组使用园区现有的常规电力系统，不采用任何储能技术。数据收集将对两组的电能消耗、峰值需求、电费支出、碳排放进行持续监测，特别关注光伏系统产电量、储能单元充放电效率、系统总体能效。测试周期为1年，以获取四季的综合性能数据与系统表现，评估指标包括能源利用率、经济性分析、碳排放量等，比较两组的能源消耗与产出、电费、运维成本、碳足迹，旨在展示光伏储能系统在工业应用中的优势。
3.2实验结果
实验结果如表1所示，基于“双碳”目标的光伏储能配置技术方案显示出较强的性能优势。实验组年平均电能消耗比对照组降低了20%，峰值电力需求减少了25%。在电费方面，实验组通过使用峰谷电价策略、储能系统的优化调度，实现年电费节省30%。碳排放量方面，实验组年碳排放减少了35%。光伏系统全年共产生了1200MW·h电能，85%直接供应园区使用，剩余15%存储于电池中，用于高需求、低光照时段的供电。储能单元充放电效率维持在90%以上，确保能量高效利用。EMS通过数据监控、智能算法，平衡能源供需，优化能源使用效率。结果表明，光伏储能系统不仅可提高能源使用效率和经济性，还有助于减少碳排放，支持“双碳”目标的实现。 4.安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统
4.1概述
Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。
4.2应用场景
适用于工商业储能电站、新能源配储电站。
4.3系统结构 4.4系统功能
（1）实时监管
对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。
（2）智能监控
对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。 （3）功率预测
对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。 （4）电能质量
实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。 （5）可视化运行
实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。 （6）优化控制
通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。 （7）收益分析
用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。 （8）能源分析
通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。 （9）策略配置
微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。 5.硬件及其配套产品 6.结论
文章研究针对“双碳”目标优化设计了光伏储能配置技术方案，包括模型设计、关键技术选型、核心功能模块。在实验测试阶段，对比实验数据显示，该技术方案提高了能源利用效率，降低了碳排放，验证了方案的实际应用价值与环境效益。研究成果不仅为实现碳达峰、碳中和目标提供了强有力的技术支持，也为全球应对气候变化、推动能源结构转型提供了新思路与解决方案。
参考文献
[1]刘志方.基于“双碳”目标的新能源光伏储能配置技术方案研究
[2]燕春风.光伏发电并网对配电网的影响及解决方案[J].光源与照明,2023(11):129-131.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版