中國儲能網(wǎng)訊：作者：夏陽1(圖片), 金光1, 張立1, 劉智慧1, 郭少朋1,2(圖片)
單位：1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院；2.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
引用：夏陽,金光,張立等.基于建筑能源系統(tǒng)的混合儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(06):2169-2180.
Doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0215
摘 要 由于用戶負(fù)荷需求的多元化和不確定性，單一類型的儲能技術(shù)已不能滿足高品質(zhì)的建筑供能需要。通過耦合不同類型儲能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)的混合儲能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文在建筑能源應(yīng)用背景下，首先介紹了混合儲能技術(shù)的原理，從建筑用能需求角度梳理了混合儲能技術(shù)的研究進(jìn)程，指出了現(xiàn)階段混合儲能的主要研究方向。其次基于混合儲能的幾種常見匹配方式，綜述了熱能、燃?xì)饣瘜W(xué)能和電能等多類型能源混合存儲技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)典型案例介紹了相應(yīng)混合儲能的系統(tǒng)組成、運(yùn)行策略和系統(tǒng)特點(diǎn)，說明建筑用戶的多能用能需求如何得到滿足。最后對混合儲能系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性情況進(jìn)行分析，提出了評估混合儲能系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)和影響其經(jīng)濟(jì)性的主要因素。
關(guān)鍵詞 混合儲能；建筑能源系統(tǒng)；匹配方式；性能；經(jīng)濟(jì)性
由于用戶側(cè)能源需求的日益多元化，單一電、熱、冷、氣系統(tǒng)已無法滿足多類型要求。在建筑能源系統(tǒng)中實(shí)施多能互補(bǔ)技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能、提高能源綜合利用率有著重要意義。通過引入合適的儲能設(shè)備，構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)，可以顯著減少能源供給波動，提高能源穩(wěn)定性，降低太陽能等可再生能源帶來的不穩(wěn)定問題。不同于單一儲能系統(tǒng)的單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)運(yùn)行，混合儲能技術(shù)通過組合不同類型的能源轉(zhuǎn)換和儲存設(shè)備，將多類型能源間的聯(lián)系進(jìn)一步加深，擴(kuò)大了不同類型能源的交互，實(shí)現(xiàn)了多種能量流動和協(xié)調(diào)運(yùn)行。已有眾多研究對混合儲能技術(shù)開展了深入分析，文獻(xiàn)建立了包含電-熱儲能設(shè)備的零碳多能源系統(tǒng)模型，綜合考慮了儲能設(shè)備老化、綜合需求響應(yīng)和運(yùn)行風(fēng)險等影響因素對其優(yōu)化，得到了最優(yōu)的容量規(guī)劃和運(yùn)行性能。文獻(xiàn)為探究P2G(power-to-gas)與DRPs(demand response programs)協(xié)同對多載波系統(tǒng)運(yùn)行的影響，基于EH(energy hub)概念建立了包含電-熱-氣儲能設(shè)備的混合儲能模型，結(jié)果表明，考慮P2G技術(shù)并結(jié)合蓄熱蓄電，可使EH運(yùn)行成本降低7.3%。文獻(xiàn)建立涵蓋電-熱-冷-氣四種儲能，風(fēng)光清潔能源發(fā)電機(jī)組、冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和相關(guān)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型，并就其多能源調(diào)度問題進(jìn)行研究。本文針對建筑用能系統(tǒng)，分析了用戶需求和供能關(guān)系，通過總結(jié)近年來相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了混合儲能技術(shù)在建筑能源系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析了混合儲能系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性，以期為混合儲能技術(shù)在建筑能源系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。
1 混合儲能技術(shù)
建筑能源系統(tǒng)在全國能源經(jīng)濟(jì)消費(fèi)中占比較重。根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報(bào)告(2020年)》，2018年全國建筑運(yùn)行階段能耗為10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的21.7%。由此可見，降低建筑能耗、推行建筑節(jié)能已經(jīng)成為我國改善能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵所在。
近年來隨著建筑能源系統(tǒng)中可再生能源的大量接入，構(gòu)建多能互補(bǔ)的建筑能源系統(tǒng)成為一種切實(shí)可行的解決方案。由于建筑能源系統(tǒng)體現(xiàn)出了明顯的峰谷差特點(diǎn)和多類型需求特點(diǎn)，再加上太陽能等可再生能源存在的間歇性和不穩(wěn)定性問題，常常需要在建筑能源系統(tǒng)中加入儲能設(shè)備以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證高質(zhì)量供能。傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)常采用單一儲能方式，無法同時滿足多類型能源需求的高品質(zhì)供給。因此，有必要將多種儲能技術(shù)統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)運(yùn)行，建立混合儲能系統(tǒng)，才能進(jìn)一步提高建筑能源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
混合儲能技術(shù)是指通過不同形式的儲能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同類型能量間的轉(zhuǎn)化與儲存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)中多種能量的流動與協(xié)調(diào)運(yùn)行。混合儲能的運(yùn)行狀態(tài)與其應(yīng)用場景息息相關(guān)，基于混合儲能在建筑能源系統(tǒng)中發(fā)揮的具體作用，本文對混合儲能的典型應(yīng)用場景總結(jié)如下。①提升供能質(zhì)量。由于用戶的多能用能需求和大量可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)接入，使得原有能源系統(tǒng)在供能時常面臨儲能設(shè)備響應(yīng)時間過長、輸電阻塞、電壓不穩(wěn)定及頻率波動較大等問題?；旌蟽δ芟到y(tǒng)通過協(xié)調(diào)多種儲能設(shè)備，平滑了能量波動，保證了能量供給的平穩(wěn)和連續(xù)。②提升供需平衡程度。保持能量的供需平衡對減少能源浪費(fèi)，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。文獻(xiàn)以城市為空間尺度，構(gòu)建了包含冷-熱的混合儲能系統(tǒng)，在成本最優(yōu)的約束條件下滿足了人們的電、熱用能需求。③削峰填谷。隨著電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差不斷增大，電網(wǎng)的調(diào)峰壓力也越來越重。混合儲能可以把用電谷期的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，提升儲能設(shè)備調(diào)峰能力的同時，也使得電力系統(tǒng)更加靈活。④可再生能源消納。由于風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，造成了風(fēng)光發(fā)電上網(wǎng)難的現(xiàn)象，造成了大量的棄風(fēng)、棄光?；旌蟽δ芡ㄟ^平滑風(fēng)光發(fā)電波動，減少了對配電網(wǎng)的沖擊，提升了可再生能源發(fā)電消納率。
同時，由于混合儲能系統(tǒng)的種類繁多，儲能設(shè)備又受高成本和使用生命周期的制約，基于建筑的實(shí)際條件選擇適宜的混合儲能設(shè)備變得至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮的主要因素為用戶用能特點(diǎn)和建筑外部環(huán)境。就現(xiàn)有階段來說，儲能設(shè)備仍面臨成本過高的問題，因此混合儲能在應(yīng)用過程中更主要的是面臨一些對用能有特殊要求的場所，如醫(yī)院、科研院所計(jì)算中心等，用電過程中的電壓波動、頻率波動、功率因數(shù)、斷電等意外情況會對用電設(shè)備產(chǎn)生不可逆的影響，因此該類區(qū)域?qū)┠苜|(zhì)量要求較高；又如我國的“三北”地區(qū)，風(fēng)光等可再生能源豐富，但由于人口稀少，基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，對可再生能源發(fā)電的消納能力明顯不足。為消納這些棄風(fēng)、棄光，就可以應(yīng)用混合儲能對風(fēng)光發(fā)電的強(qiáng)消納能力來滿足人們的需求。
如圖1所示，建筑用能需求包括了冷熱需求、電需求和氣需求，分別對應(yīng)了建筑冷熱負(fù)荷、電負(fù)荷和氣負(fù)荷。其中，熱負(fù)荷由建筑用戶在冬季供暖和應(yīng)用生活熱水的過程中產(chǎn)生；冷負(fù)荷由建筑用戶在夏季供冷過程中產(chǎn)生；電負(fù)荷由建筑用戶在采暖通風(fēng)、房間照明和電氣設(shè)備使用過程中產(chǎn)生；氣負(fù)荷由建筑用戶在燃?xì)庠罹呤褂?，燃?xì)獍l(fā)電、供暖或制冷的過程中產(chǎn)生。
圖1 建筑用能需求和供能關(guān)系示意圖
從建筑能源系統(tǒng)的構(gòu)成角度分析，建筑能源系統(tǒng)由供能設(shè)備、輸能網(wǎng)絡(luò)、用戶和儲能設(shè)備組成。其中供能設(shè)備主要包括：①用于電-熱/冷能量耦合的電鍋爐，熱泵，壓縮式制冷機(jī)，吸收式制冷機(jī)等；②用于電-氣能量耦合的P2G設(shè)備；③用于氣-熱能量耦合的燃?xì)忮仩t；④用于電-熱-氣或電-熱-冷-氣能量耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其中主要的設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等。儲能設(shè)備主要包括：①用于儲電的蓄電池；②用于蓄熱/冷的蓄熱罐；③用于儲氣的儲氣罐。有時基于建筑條件和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也會使用管道儲存天然氣或氫氣。
由于建筑能源系統(tǒng)中對電和熱的需求最為明顯，儲電蓄熱設(shè)備發(fā)展也最成熟，早期對混合儲能的研究主要針對于電-熱混合儲能系統(tǒng)。文獻(xiàn)通過在綜合能源系統(tǒng)中引入電熱兩種儲能配置，驗(yàn)證了儲能設(shè)備在經(jīng)濟(jì)調(diào)度和消納棄風(fēng)方面的作用。文獻(xiàn)在建筑能源系統(tǒng)中引入電熱混合儲能系統(tǒng)，并對電熱儲能配置和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，確定了設(shè)備最優(yōu)容量。
P2G技術(shù)是一種將電力轉(zhuǎn)化成氣體燃料的技術(shù)，主要有兩步：第一步是利用電解槽電解水制得氫氣，第二步在催化劑的作用下，使電解得到的氫氣與二氧化碳反應(yīng)制備天然氣。作為清潔能源消費(fèi)和能量轉(zhuǎn)換的新途徑，P2G可以與氣轉(zhuǎn)電設(shè)備形成電-氣系統(tǒng)的雙向耦合。文獻(xiàn)通過應(yīng)用P2G系統(tǒng)，打破了電-氣系統(tǒng)耦合以往只能通過氣轉(zhuǎn)電設(shè)備單向耦合的局面，如圖2所示，P2G系統(tǒng)作為天然氣子系統(tǒng)的重要組成部分，可將系統(tǒng)中的富裕電能轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行存儲和運(yùn)輸，結(jié)合燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)形成電-氣系統(tǒng)的雙向耦合，協(xié)調(diào)了電網(wǎng)和氣網(wǎng)之間的運(yùn)行，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)接受風(fēng)、光可再生發(fā)電的能力。
圖2 電-氣雙向耦合示意圖
燃料電池由于其發(fā)電過程可實(shí)現(xiàn)高效率、小型化和零排放，通過與可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)儲能設(shè)備結(jié)合，對實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和建筑節(jié)能有著重要意義。文獻(xiàn)在建筑能源系統(tǒng)中安裝了光伏系統(tǒng)、蓄電池和儲氫罐，對位于斯洛文尼亞的一個試點(diǎn)建筑的能源系統(tǒng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明在合適的建筑外部環(huán)境下，儲氫成本降低時可實(shí)行建筑的近零能耗目標(biāo)。
此外，近年來隨著電動汽車的快速發(fā)展，也有研究建筑供能系統(tǒng)中納入以氫為燃料的電動汽車的相關(guān)研究。如圖3所示，風(fēng)光可再生能源發(fā)電系統(tǒng)提供電力驅(qū)動產(chǎn)生氫氣為電動汽車提供氫能，同時產(chǎn)生電力為建筑提供電能，既節(jié)約了管路建設(shè)成本，又減少了碳排放量。
圖3 電動汽車參與的建筑供能系統(tǒng)示意圖
在混合儲能的配置方面，目前存在兩種方案：①根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)提出IES(integrated energy system)模型，優(yōu)化儲能設(shè)備的容量和功率。如文獻(xiàn)在典型的工業(yè)鍋爐與熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)構(gòu)下，對蓄熱設(shè)備和儲電設(shè)備優(yōu)化，得到了最佳的儲能規(guī)模。但這種優(yōu)化方法并不會考慮全部的儲能設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，因此得到的優(yōu)化方案存在一定局限性；②從零開始，進(jìn)行完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配置優(yōu)化。如文獻(xiàn)從完備的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)、基于運(yùn)行模擬的設(shè)備組合優(yōu)化和決策算法三個方面，建立了完整的綜合能源站優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種優(yōu)化方法可以根據(jù)不同用戶能源需求，協(xié)調(diào)多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲能設(shè)備，保證了用戶用能的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
在混合儲能的運(yùn)行優(yōu)化方面，則是通過綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，在滿足一定約束條件下，為達(dá)到某一目標(biāo)(如最佳運(yùn)行成本、最大消納可再生能源比例等)而對混合儲能設(shè)備的啟停和充放能速率進(jìn)行規(guī)劃。對運(yùn)行的研究主要是為了解決綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的耦合關(guān)系和可再生能源不確定性帶來的一系列問題?？紤]到儲能設(shè)備具有一定生命周期，對混合儲能系統(tǒng)的配置優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化常常同時開展。如文獻(xiàn)基于太陽輻射和需求分布的不確定性，提出了同時優(yōu)化多種儲能設(shè)備配置與運(yùn)行的優(yōu)化方法，得到了特定建筑能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行策略和儲能設(shè)備的最佳容量。文獻(xiàn)提出一種兩階段優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，配置了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的容量。此外，考慮多時間尺度建模、電能替代和綜合需求響應(yīng)對系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的影響也有所研究。
相較于傳統(tǒng)意義上的儲能系統(tǒng)，混合儲能有著儲能設(shè)備眾多、能量流動復(fù)雜及多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于其規(guī)劃、運(yùn)行、控制的復(fù)雜程度更是單一儲能系統(tǒng)所不可比擬的。因此，本文對混合儲能應(yīng)用中的關(guān)鍵問題總結(jié)如下。
（1）可儲能源和儲能設(shè)備的匹配?；旌蟽δ芟到y(tǒng)眾多，為提升能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)結(jié)合用戶本身的可儲能源，選擇相應(yīng)的儲能設(shè)備，構(gòu)建合適的混合儲能系統(tǒng)，做到因地制宜、因勢利導(dǎo)。
（2）混合儲能與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的匹配。我國的建筑能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且高度成熟，混合儲能若要推廣使用，由于其初始投資較高，在市場競爭中可能會處于劣勢。因此，目前混合儲能匹配現(xiàn)有能源系統(tǒng)主要的接入點(diǎn)在一些對能量質(zhì)量要求高的場所。未來，隨儲能設(shè)備成本的降低和國家財(cái)政補(bǔ)貼，混合儲能會加快融入現(xiàn)有能源系統(tǒng)的步伐。
（3）運(yùn)行調(diào)節(jié)。混合儲能由于其內(nèi)部復(fù)雜的耦合關(guān)系，實(shí)際運(yùn)行較為復(fù)雜，需要對系統(tǒng)制定合適的調(diào)度方案，控制設(shè)備的功率和啟停，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
2 混合儲能在建筑中的常見匹配方式
2.1 電-熱混合儲能
電能和熱能是建筑能源系統(tǒng)的重要組成部分。由于蓄電池具有充放電速度快、質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以很快響應(yīng)用戶的電能需求，所以蓄電池是目前儲存電能的主要方式。但過于頻繁的使用會導(dǎo)致蓄電池的壽命過短，而且維護(hù)費(fèi)用高昂。相對而言，蓄熱罐具有成本低廉、使用方式簡單的優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常見的儲能裝置之一。但蓄熱罐釋放的熱能品位一般較低，只能滿足用戶低品位熱能的利用需求。而分別設(shè)置單一的蓄電和蓄熱裝置，二者彼此獨(dú)立，能量流動和對用戶的響應(yīng)不能及時互補(bǔ)協(xié)調(diào)，導(dǎo)致儲能和釋能效率低下，不能及時滿足用戶的電、熱負(fù)荷需求。通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，使蓄電裝置和蓄熱裝置建立聯(lián)系，組成電-熱混合儲能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對電-熱的協(xié)調(diào)調(diào)度，提高了建筑能源系統(tǒng)能效。
圖4為一種典型的利用電-熱混合儲能的建筑供能系統(tǒng)。其能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括了燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，蓄電池為儲電設(shè)備，蓄熱式電鍋爐為儲熱設(shè)備。在電價谷期，可從電網(wǎng)購入低價電或利用分布式風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電滿足用戶電負(fù)荷需求，多余電量存入蓄電池或利用蓄熱式電鍋爐，實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化，將熱量存入儲熱設(shè)備，通過燃?xì)廨啓C(jī)余熱和燃?xì)忮仩t滿足用戶熱負(fù)荷需求；在電價峰期，由分布式風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)滿足用電負(fù)荷，同時蓄電池放電作為補(bǔ)充電力，根據(jù)用戶的實(shí)際負(fù)荷需求選擇向主電網(wǎng)購電或售電，同時熱儲設(shè)備放熱輔助滿足用戶熱負(fù)荷需求。系統(tǒng)特點(diǎn)有：①通過熱儲設(shè)備和電儲設(shè)備的結(jié)合，可打破燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，更為高效準(zhǔn)確地滿足用戶各類負(fù)荷需求；②電-熱混合儲能系統(tǒng)在消納風(fēng)電，對用電負(fù)荷的削峰填谷發(fā)揮了巨大作用；③電-熱混合儲能系統(tǒng)相對于單一蓄電池儲能系統(tǒng)，熱儲設(shè)備作為對多余電力的消納設(shè)備，增大了系統(tǒng)的可調(diào)控性，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
圖4 一種利用電-熱混合儲能的供能系統(tǒng)示意圖
2.2 電-氣混合儲能
電-氣混合儲能系統(tǒng)通過耦合元件將電力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)連接起來，經(jīng)過設(shè)計(jì)規(guī)劃系統(tǒng)配置和調(diào)度運(yùn)行，充分發(fā)揮各自能源的優(yōu)勢，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時提高了綜合能源利用效率。
如圖5所示，電-天然氣混合儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備一般包括電-氣轉(zhuǎn)化設(shè)備和燃?xì)鈾C(jī)組。在夜間的電價谷期，由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性引起棄風(fēng)，可從電網(wǎng)購入低價電，儲入蓄電池增加電負(fù)荷谷值以消納棄風(fēng)，若蓄電池不能完全消納棄風(fēng)則啟動電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)化成天然氣儲存。這種電氣轉(zhuǎn)化技術(shù)通過電解水的方式制得氫氣，所制氫氣再和二氧化碳反應(yīng)得到天然氣，該技術(shù)的使用提升了系統(tǒng)的棄風(fēng)消納率，豐富了用戶氣負(fù)荷需求的方式，通過和燃?xì)鈾C(jī)組結(jié)合形成電氣的雙向耦合，滿足用戶電能和熱能需求。但由于儲氣設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性較低，P2G的廣泛使用仍然十分受限；在白天的電價峰期，用電負(fù)荷高峰，風(fēng)電低發(fā)時，蓄電池放電輔助發(fā)電機(jī)組滿足用戶電負(fù)荷需求，同時儲氣罐放氣供氣負(fù)荷使用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：①協(xié)調(diào)了多種儲能設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，滿足了用戶的電、熱、氣多種負(fù)荷需求；②相比于無儲能和單一儲能，電氣混合儲能具有更高的風(fēng)電消納率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；③燃?xì)鈾C(jī)組的存在，使晚上利用低價電存儲的天然氣在白天轉(zhuǎn)化成電能，這種利用峰谷電價的措施使得系統(tǒng)運(yùn)行成本更低。
圖5 一種利用電-天然氣混合儲能的供能系統(tǒng)示意圖
如圖6所示為一種典型電-氫氣混合儲能系統(tǒng)，主要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備為燃料電池，儲能設(shè)備為蓄電池和儲氫設(shè)備。該系統(tǒng)中，市電作為對分布式發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)充手段存在。在晴朗的白天，太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱系統(tǒng)是滿足用戶電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求的主要方式，產(chǎn)生的多余電力儲入蓄電池或提供給水電解制氫裝置產(chǎn)生氫氣，然后制成的氫氣進(jìn)入儲氫裝置儲存。由于太陽能發(fā)電制熱系統(tǒng)只能在白天工作，夜晚不能提供太陽能時，可通過燃?xì)饩W(wǎng)路提供燃?xì)饨oSOFC(solid oxide fuel cell)或儲氫設(shè)備放氣給PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)為住戶們提供電能(蓄電池同時放電)和熱能，同時可從電網(wǎng)購入低價電繼續(xù)儲氫。該系統(tǒng)把氫能源作為能源的載體，利用棄光或谷電可通過儲氫裝置對氫氣進(jìn)行短期或長期的儲存，發(fā)揮了氫儲能的靈活性；利用燃料電池實(shí)現(xiàn)燃?xì)饽艿诫娔艿霓D(zhuǎn)化，同時利用發(fā)電過程中的余熱給用戶供暖，實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。
圖6 一種典型電-氫氣混合儲能系統(tǒng)示意圖
2.3 電-氣-熱混合儲能
電-氣-熱混合儲能系統(tǒng)是在電-氣混合儲能和電-熱混合儲能的基礎(chǔ)上，通過一系列能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和多種儲能設(shè)備，將兩個系統(tǒng)結(jié)合在一起組成新的儲能系統(tǒng)。由于建筑負(fù)荷主要由電、熱、氣三種負(fù)荷構(gòu)成，因此電-熱-氣混合儲能系統(tǒng)可以很好地覆蓋用戶的用能需求。
如圖7所示，電-氣-熱混合儲能系統(tǒng)由于其復(fù)雜性，根據(jù)具體條件和外部因素影響，可以配備的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備多種多樣，一般由燃?xì)廨啓C(jī)、電鍋爐、P2G設(shè)備組成。儲能設(shè)備由儲熱、儲氣、儲電設(shè)備組成。在電價谷期，主要通過燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)電機(jī)組滿足電負(fù)荷需求，從電網(wǎng)購入低價電或棄風(fēng)發(fā)電存入蓄電池內(nèi)或利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和電鍋爐，實(shí)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)化或電熱轉(zhuǎn)化，滿足氣熱負(fù)荷需求，并將多余天然氣存入儲氣罐，多余熱量存入蓄熱罐內(nèi)；在電價峰期，主要由燃?xì)廨啓C(jī)滿足用電負(fù)荷，出現(xiàn)電力不足時蓄電池放電補(bǔ)充電力，若仍不滿足電力需求則可向電網(wǎng)購買電力，此時蓄熱罐和儲氣裝置均處于釋能狀態(tài)，以減少用電設(shè)備出力。該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：①相比于電-熱和電-氣混合儲能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，能量流動更具多樣性；②燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)熱電解耦，出力更加靈活；③加強(qiáng)了電、氣、熱系統(tǒng)之間的耦合，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；④配置多種儲能設(shè)備意味著初始成本投入的提高，但運(yùn)行成本會隨之降低；⑤系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性主要受電氣價格影響。
圖7 一種利用電-天然氣-熱混合儲能的供能系統(tǒng)示意圖
如圖8所示為一種典型電-氫氣-熱混合儲能系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn)換設(shè)備有電解池、燃料電池、電加熱裝置等。電價谷期，從電網(wǎng)購入低價電儲入蓄電池，通過相關(guān)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化成熱能和氫氣供應(yīng)給用戶或進(jìn)行存儲，用戶電負(fù)荷主要通過風(fēng)力發(fā)電滿足；電價峰期，蓄熱罐放熱供應(yīng)用戶熱負(fù)荷，用戶電負(fù)荷需求主要通過光伏發(fā)電、蓄電池放電、儲氫罐放氣給燃料電池發(fā)電，同時多余電量可出售給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)儲能獲利。
圖8 一種典型電-氫氣-熱混合儲能系統(tǒng)示意圖
2.4 其他混合儲能
除電-熱、電-氣、電-氣-熱三種常見的混合儲能系統(tǒng)外，還有電-熱-冷混合儲能系統(tǒng)、電-熱-冷-氣混合儲能系統(tǒng)。電-熱-冷混合儲能系統(tǒng)和電-熱-冷-氣混合儲能系統(tǒng)是在電-熱混合儲能系統(tǒng)和電-熱-氣混合儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝制冷設(shè)備和儲冷設(shè)備。電制冷機(jī)具有能效高，可以在電價谷期儲存電價峰期所需冷負(fù)荷提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，而吸收式制冷機(jī)雖然效率較低且容量不足，但其有著可回收多余供熱量的優(yōu)點(diǎn)，因此這兩種設(shè)備是常用的制冷設(shè)備。同時，由于熱泵技術(shù)可充分利用可再生能源，設(shè)備運(yùn)行時更為低碳環(huán)保，而且熱泵既可以制冷也可以供熱，減少了系統(tǒng)的初始成本，因此也被廣泛應(yīng)用于混合儲能系統(tǒng)中。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)在綜合能源系統(tǒng)中分別應(yīng)用地源熱泵和空氣源熱泵，在滿足用戶冷熱負(fù)荷需求的同時高效利用了可再生能源，減少了碳排放。此外，冰蓄冷技術(shù)相比于水蓄冷有著更高的蓄冷密度，電力負(fù)荷高峰轉(zhuǎn)移效果更為明顯，因此也被用于混合儲能系統(tǒng)中。儲冷設(shè)備一般為蓄冷罐，也可從經(jīng)濟(jì)性考慮，采用蓄熱罐一罐兩用，同時蓄熱蓄冷。
目前，蓄電池是一種主要的電儲設(shè)備。由于蓄電池需要根據(jù)用戶的實(shí)時負(fù)荷及峰谷電價控制出力，而蓄電池充放電時間過長或充放電次數(shù)過多會影響其使用壽命，同時蓄電池容量配置受風(fēng)光消納影響，電池容量過大或者過小都會造成資源不能合理利用的局面，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。相比于電儲，儲熱設(shè)備有著成本較低、可大量存儲的優(yōu)點(diǎn)；燃?xì)獯鎯υO(shè)備有著存儲時間長、容量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，如氣-熱/冷混合儲能系統(tǒng)、熱-冷混合儲能系統(tǒng)等不包含儲電設(shè)備的混合儲能系統(tǒng)開始進(jìn)入人們的視線。文獻(xiàn)考慮了聯(lián)合熱電需求響應(yīng)，在分時電價和可再生能源出力特性的引導(dǎo)下，將多余電能轉(zhuǎn)化為熱能和天然氣存儲，降低了購氣和制熱的成本，提升了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但由于依靠能量轉(zhuǎn)換設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為燃?xì)饽芎蜔崮艽鎯?，存儲效率較低，因此風(fēng)光消納率不及配有蓄電池的混合儲能系統(tǒng)。文獻(xiàn)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能轉(zhuǎn)化率低的主要原因是在電轉(zhuǎn)氣過程中，電能很大一部分以熱能形式損失掉，而通過引入熱回收組件，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，其剩余風(fēng)電回收率可達(dá)70.5%以上，這表明氣-熱/冷混合儲能系統(tǒng)有著充分的研究空間。冷-熱混合儲能系統(tǒng)系統(tǒng)組成與電-熱-冷系統(tǒng)相似，均設(shè)有電熱/冷轉(zhuǎn)換設(shè)備和蓄熱蓄冷設(shè)備，不同的是根據(jù)建筑外部環(huán)境和使用條件，考慮蓄電池有安裝成本高和使用壽命短的缺點(diǎn)，沒有蓄電池等儲電設(shè)備。
以上系統(tǒng)的運(yùn)行策略與前文所介紹系統(tǒng)相似，遵循低價電儲能，高價電放能的原則，通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲能設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，在電價谷期從電網(wǎng)購入低價電或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為其他形式存入儲能設(shè)備中，在電價峰期儲能設(shè)備釋能減小用電負(fù)荷高峰同時滿足用戶的電、熱、冷、氣的負(fù)荷需求，達(dá)到削峰填谷、提升供能質(zhì)量的目的。
3 混合儲能系統(tǒng)性能與經(jīng)濟(jì)性情況
能量供需質(zhì)量和平衡程度是混合儲能系統(tǒng)性能評估的首要指標(biāo)?？紤]能源供需質(zhì)量的因素主要有能源連續(xù)性和能源平穩(wěn)性。能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時常會因故障或檢修而停運(yùn)，如何保證能源供應(yīng)的不間斷是必需要解決的問題。文獻(xiàn)考慮需求側(cè)負(fù)荷的多變性和風(fēng)光可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在多能互補(bǔ)能源集成系統(tǒng)中加入電、熱、氣儲能設(shè)備以平滑能源和負(fù)荷的波動，通過電、熱、氣之間的多向耦合實(shí)現(xiàn)能源間的相互備用，保證了系統(tǒng)能源供給的高效和連續(xù)。能源的平穩(wěn)性在電能上主要表現(xiàn)為振幅和頻率的穩(wěn)定，供冷供熱方面主要表現(xiàn)在平抑分布式冷熱源的波動。文獻(xiàn)以酒店為例，提出一種能源共享平臺的設(shè)計(jì)方法，有效整合了不同規(guī)模的電、熱、氣系統(tǒng)，通過電熱儲能設(shè)備的共享，在保證平穩(wěn)供能的同時實(shí)現(xiàn)了儲能獲利。供需平衡是綜合能源系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保證，負(fù)荷過高會造成供能網(wǎng)路壓力提高，不利于設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)荷過低會導(dǎo)致能源的浪費(fèi)和機(jī)組的閑置。相比于常規(guī)的分供系統(tǒng)，混合儲能系統(tǒng)由于其多能互補(bǔ)、多能儲能的特點(diǎn)，對供需調(diào)度平衡有著協(xié)同作用。同時用戶會受價格激勵政策影響，改變固有的用電模式，因此常在對綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問題中考慮需求側(cè)響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供需平衡。
此外，削峰填谷作用效果和可再生能源消納水平，也是衡量混合儲能性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)對包含復(fù)合儲熱儲冷裝置的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行能量模擬與優(yōu)化調(diào)度分析，并與無儲能裝置和單一儲能裝置的工況進(jìn)行對比，結(jié)果顯示采用儲熱儲冷裝置之后，可以實(shí)現(xiàn)用能負(fù)荷的“削峰填谷”，提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行效率，減少了系統(tǒng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)通過對比裝配電、熱、冷儲能設(shè)備和無儲能設(shè)備的工況，結(jié)果表明配置混合儲能時系統(tǒng)對可再生能源的消納量提高了39.45%。
經(jīng)濟(jì)性分析對混合儲能系統(tǒng)的推廣和工程應(yīng)用至關(guān)重要。通過總結(jié)近年來發(fā)表文獻(xiàn)，得到混合儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析情況如表1所示?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的成本主要由初始成本和運(yùn)行成本組成，初始成本指設(shè)備購買費(fèi)用，運(yùn)行成本包括購電、購氣費(fèi)用，儲能設(shè)備的運(yùn)行損耗，能量損耗成本等。儲能設(shè)備的種類越多，初始成本也就越高，但通過合理優(yōu)化調(diào)度，運(yùn)行費(fèi)用會隨之降低。文獻(xiàn)以中國北方某酒店為例，通過應(yīng)用一種兩階段運(yùn)營優(yōu)化方法，蓄熱/冷罐的引入使得系統(tǒng)運(yùn)行成本降低了7.7%?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的盈利主要包括通過分時電價的獲利、消納棄風(fēng)棄光、向電網(wǎng)售賣多余電力等。影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性因素主要有可再生能源發(fā)電及負(fù)荷的不確定性、分時電價、天然氣價格、熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模、儲能設(shè)備大小、運(yùn)行模式等。系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性是相輔相成的關(guān)系，但如果平衡不好，系統(tǒng)則無法高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，文獻(xiàn)通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與新能源消納兩者之間存在明顯矛盾，當(dāng)經(jīng)濟(jì)性要求得到滿足時，風(fēng)電消納水平嚴(yán)重不足；當(dāng)關(guān)注風(fēng)電消納時，運(yùn)行成本又會居高不下，因此如何平衡好系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系還需深入研究。
表1 混合儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析總結(jié)
4 結(jié)論
本文以持續(xù)、穩(wěn)定的建筑供能需求為背景，主要針對儲熱、儲電和儲氣三種方式匹配的混合儲能技術(shù)進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，得到結(jié)論如下。
（1）在混合儲能配置規(guī)劃方面，主要通過調(diào)度手段以一定需求為目標(biāo)函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。目前，根據(jù)現(xiàn)有IES模型優(yōu)化儲能設(shè)備的容量和功率的研究較多，但涵蓋儲能設(shè)備和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備有限，因此完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配置優(yōu)化將成為未來混合儲能配置的重要研究方向。
（2）面向建筑供能系統(tǒng)常見的混合儲能匹配方式有電-熱混合儲能系統(tǒng)、電-氣混合儲能系統(tǒng)、電-氣-熱混合儲能系統(tǒng)、電-熱-冷混合儲能系統(tǒng)、電-熱-冷-氣混合儲能系統(tǒng)、冷-熱混合儲能系統(tǒng)。通過P2G和燃料電池組成的清潔能源系統(tǒng)可以同時滿足人們的電、熱需求，因此搭載儲氫組件的混合儲能技術(shù)可能成為今后混合儲能的一個研究熱點(diǎn)。
（3）對于建筑供能系統(tǒng)而言，能量供需質(zhì)量和平衡程度是混合儲能系統(tǒng)性能評估的首要指標(biāo)，其中能源供需質(zhì)量的影響因素主要有能源連續(xù)性和能源平穩(wěn)性。此外，削峰填谷作用效果以及可再生能源消納水平也是衡量混合儲能性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素主要有可再生能源發(fā)電及負(fù)荷的不確定性、分時電價、天然氣價格、熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模、儲能設(shè)備大小和運(yùn)行模式等。
引用本文： 夏陽,金光,張立等.基于建筑能源系統(tǒng)的混合儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(06):2169-2180. (XIA Yang,JIN Guang,ZHANG Li,et al.Research status of hybrid energy storage technology based on building energy system[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(06):2169-2180.)
第一作者：夏陽（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛旌蟽δ芗夹g(shù)，E-mail：[email protected]
第一作者：郭少朋，教授，研究方向?yàn)槟茉锤咝Ю眉皟δ芗夹g(shù)，E-mail：[email protected]。
