西班牙格拉納達住宅光伏電池的能源管理和尺寸優化：一種考慮時間解析度的新方法

核心概念

住宅太陽能系統中，電池儲能系統 (BESS) 的時間解析度對其尺寸和經濟效益評估至關重要。

摘要

文獻回顧

太陽能發電的興起與挑戰

近年來，歐盟住宅部門的用電需求不斷增加，同時也制定了減少碳排放和增加再生能源使用比例的目標。太陽能光伏 (PV) 發電作為一種有前景的解決方案，其應用日益普及。然而，太陽能發電系統面臨著技術和經濟上的挑戰，例如發電的間歇性以及電網規模部署導致的電力價格下降。

電池儲能系統的興起與挑戰

電池儲能系統 (BESS) 被認為是應對這些挑戰的有效方法。鋰鐵磷酸鹽電池因其經濟效益而備受關注。BESS 的安裝拓撲結構多樣，包括公用事業規模的電網側 (FTM) 安裝和住宅、商業和工業設施中的用戶側 (BTM) 安裝。然而，BESS 的高昂成本需要進行詳細的技術經濟研究，以確定其在住宅部門的經濟可行性。

電池能源管理策略

文獻中提出了各種優化方法來應用不同的 BESS 能源管理策略，例如最大化自用、能源套利和基於時間電價 (TOU) 的管理。這些方法包括啟發式方法、精確方法和混合方法，其共同目標是最小化能源成本並最大化投資回報率。

研究目的

本研究旨在開發一種基於混合整數線性規劃 (MILP) 的能源管理優化算法，以確定住宅光伏系統的最佳 BESS 尺寸。

研究方法

系統描述

本研究以西班牙格拉納達省的一個並網單戶住宅為例，該住宅配有光伏發電系統和直流耦合的 LFP 電池。

監測數據

研究使用了 2023 年全年的數據，採樣週期為 5 分鐘，包括直流和交流光伏發電量、電池交換功率、電池充電狀態 (SOC) 以及家庭與電網之間的能量交換。

優化方法

該方法基於 MILP，以最小化從電網購買的能源成本和電池退化成本為目標，優化週期為一周。電池退化使用半經驗模型估算，並使用雨流計數 (RFC) 算法計算循環次數。模擬一直持續到電池容量達到其原始容量的 80%。

技術和經濟評估標準

研究考慮了自用率 (SCR)、自給率 (SSR)、淨現值 (NPV) 和折現回收期 (DPB) 等技術和經濟標準，以評估不同電池尺寸對能源消耗來源和盈利能力的影響。

主要發現

案例研究結果

案例研究結果表明，容量為 1 到 5 千瓦時的電池具有成本效益，並且與現有 HEMS 相比，通過所提出的 HEMS 進行能源管理可提高 BESS 的盈利能力並延長其使用壽命。

時間解析度的影響

敏感性分析表明，對於 1 到 5 千瓦時的電池，與 60 分鐘的時間解析度相比，使用 5 分鐘的時間解析度可能會導致使用壽命和淨現值分別高估 20.61% 和 184.68%。

研究結論

本研究提出了一種新的鋰離子 BESS 管理和尺寸優化方法，並評估了時間解析度和 HEMS 運行對技術經濟結果的影響。研究結果強調了時間解析度作為評估此類系統技術經濟性能的關鍵參數的重要性。

統計資料

歐盟住宅部門的用電需求在 2000 年至 2020 年期間增長了 17%，目前佔歐盟總用電量的 29.9%。
歐盟已制定目標，到 2030 年將其二氧化碳排放量與 1990 年的水平相比減少 40%，並將再生能源的消費比例提高到 32%。
從 2016 年到 2024 年，光伏裝置的成本顯著降低，全球價值降低了 52.2%。
在西班牙，2023 年至 2024 年期間，光伏盈餘的貶值幅度達到了 60%。
案例研究中 RTPV 的年光伏發電量為 9.58 兆瓦時/年，而能源需求為 6.23 兆瓦時/年，發電與消耗之比為 1.54。
案例研究中房屋在秋季和冬季的自用率為 35.69%，而在春季和夏季，由於發電量較高，自用率降至 27.68%。
全年的自給率平均值為 46.59%，4 月份達到最高值 (57.88%)，12 月份達到最低值 (31.38%)。
最佳電池尺寸（2 千瓦時）的淨現值為 181.40 歐元，投資回收期為 7.4 年。

引述

"The electricity demand in the residential sector increased by 17% between 2000 and 2020, now accounting for 29.9% of the total electricity consumed in the European Union."
"The European Union has set objectives to reduce its CO2 emissions by 40%, compared to 1990 levels, and to increase the share of renewable energy consumed to 32% by 2030."
"This depreciation of the photovoltaic surplus, which reached a value of 60% between 2023 and 2024 in Spain [7], reduces the profitability of solar installations."
"The novelty of this study lies in the development of a methodology based on an energy management optimization algorithm, implemented using MILP, and aimed at determining the optimal sizing of BESSs for households with pre-existing photovoltaic installations."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Optimizing Energy Management and Sizing of Photovoltaic Batteries for a Household in Granada, Spain: A Novel Approach Considering Time Resolution

by Catalina Rus... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00159.pdf

深入探究

隨著電池技術的進步和成本的降低，未來住宅太陽能系統的最佳 BESS 尺寸將如何變化？

隨著電池技術不斷進步和成本持續下降，未來住宅太陽能系統的最佳 BESS 尺寸預計將會呈現上升趨勢。以下是一些可能影響未來 BESS 尺寸的因素：

電池能量密度提升: 未來電池技術的發展將帶來更高的能量密度，這意味著在相同體積或重量下可以儲存更多能量。因此，即使在相同的預算限制下，住宅用戶也能夠安裝容量更大的 BESS。
電池成本下降: 隨著電池生產規模的擴大和技術的成熟，電池的成本預計將會持續下降。這將使得更大容量的 BESS 在經濟上更具吸引力，鼓勵更多住宅用戶選擇安裝容量更大的電池系統。
電網電價上漲: 在許多地區，電網電價呈現上漲趨勢。這將使得自發自用和減少對電網依賴的經濟效益更加顯著，進而推動更大容量 BESS 的應用。
智慧電網技術發展: 智慧電網技術的發展將允許 BESS 更好地參與電網輔助服務，例如需量反應和頻率調節。通過參與這些服務，住宅用戶可以獲得額外收益，從而抵消更大容量 BESS 的成本。
然而，最佳 BESS 尺寸的確定仍然需要考慮多種因素，例如：

住宅用電負載: 不同住宅的用電需求差異很大。最佳 BESS 尺寸需要根據具體的用電負載進行評估，以確保系統的經濟性和實用性。
太陽能發電量: 太陽能發電量是影響 BESS 尺寸的另一個重要因素。在太陽能資源豐富的地區，更大容量的 BESS 可以更有效地利用太陽能，提高自發自用率。
政府政策和激勵措施: 政府政策和激勵措施對 BESS 的應用具有重要影響。例如，政府可以通過補貼、稅收優惠等方式鼓勵住宅用戶安裝 BESS，從而影響最佳 BESS 尺寸的選擇。
總之，隨著電池技術的進步和成本的降低，未來住宅太陽能系統的最佳 BESS 尺寸預計將會呈現上升趨勢。然而，最佳 BESS 尺寸的確定仍然需要綜合考慮多種因素，以實現最佳的經濟效益和環境效益。

如果考慮到不同類型的電池化學成分和退化特性，那麼本研究提出的方法是否需要進行調整？

是的，如果考慮到不同類型的電池化學成分和退化特性，本研究提出的方法需要進行調整。不同類型的電池，例如鋰鐵磷酸鹽電池 (LFP) 和鎳錳鈷氧化物電池 (NMC)，具有不同的充放電特性、壽命、成本和退化機制。
以下是一些需要調整的地方：

電池模型: 本研究使用的電池模型需要根據不同的電池化學成分進行調整。例如，LFP 電池的開路電壓和內阻與 NMC 電池不同，因此需要使用不同的參數和方程式來描述其行為。
退化模型: 不同類型的電池具有不同的退化機制。例如，LFP 電池的容量衰減主要受循環次數的影響，而 NMC 電池的容量衰減則受時間、溫度和充放電深度等多種因素的影響。因此，需要使用不同的退化模型來準確預測不同類型電池的壽命。
成本模型: 不同類型電池的成本差異很大。例如，LFP 電池的成本通常低於 NMC 電池。因此，在進行經濟效益分析時，需要考慮不同類型電池的成本差異。
除了上述調整之外，還需要考慮以下因素：

電池管理系統 (BMS): 不同類型的電池需要不同的 BMS 進行管理和保護。 BMS 的性能會影響電池的壽命和安全性，因此需要在系統設計中予以考慮。
安全: 不同類型的電池具有不同的安全特性。例如，LFP 電池的熱穩定性較好，而 NMC 電池則更容易發生熱失控。因此，在系統設計中需要考慮不同類型電池的安全風險。
總之，要將本研究提出的方法應用於不同類型的電池，需要對電池模型、退化模型、成本模型以及其他相關因素進行調整，以確保結果的準確性和可靠性。

在智慧電網環境中，住宅太陽能系統與電網的互動如何影響 BESS 的尺寸和經濟效益？

在智慧電網環境中，住宅太陽能系統與電網的互動將會對 BESS 的尺寸和經濟效益產生顯著影響。智慧電網技術的應用，例如先進量測基礎建設 (AMI)、需量反應 (DR) 和動態電價 (RTP) 等，將為住宅用戶提供更多參與電網互動的機會，進而影響 BESS 的最佳化配置和經濟效益。
以下是一些具體的影響：

需量反應: 智慧電網可以通過價格信號或激勵機制鼓勵用戶在用電高峰期減少或轉移用電負載。 BESS 可以通過儲存離峰電力並在高峰期釋放來參與需量反應，從而減少用戶電費支出，並提高電網穩定性。在這種情況下，BESS 的尺寸需要考慮參與需量反應的需求，並根據電網提供的激勵機制進行優化。
動態電價: 動態電價是指電價根據供需情況實時波動的定價機制。 BESS 可以通過在低電價時段充電並在高電價時段放電來實現套利，從而降低用戶電費支出。在動態電價機制下，BESS 的尺寸需要考慮電價波動的幅度和頻率，並根據預測的電價變化進行優化。
電網輔助服務: 智慧電網可以整合分散式能源，例如住宅太陽能系統和 BESS，為電網提供輔助服務，例如頻率調節和電壓支撐。 BESS 可以通過快速響應電網需求來提供這些服務，從而獲得額外收益。在參與電網輔助服務的情況下，BESS 的尺寸需要考慮電網對響應時間和功率輸出的要求。
總之，智慧電網環境為住宅太陽能系統和 BESS 的互動提供了更多可能性。 BESS 的尺寸和經濟效益將受到需量反應、動態電價、電網輔助服務等因素的影響。在智慧電網環境下，需要採用更先進的優化方法來確定 BESS 的最佳尺寸，以最大限度地提高其經濟效益和對電網的貢獻。