作为一种具有成本优势的家庭能源储存方案：基于中国太阳能十项全能竞赛建筑模型的对比仿真研究

《Journal of Energy Storage》：Vehicle-to-home as a cost-effective home energy storage alternative: A comparative simulation study based on solar decathlon China building models

　　文从荣|李一鸣|刘桥|王富豪
中国浙江金华321004，浙江师范大学经济与管理学院

摘要
本研究针对家用电池储能系统较高的初始投资和有限的经济可行性问题，以及在不同功能目标下缺乏对车载能源回收系统与电池储能系统的系统性比较。利用中国太阳能十项赛“希望之地”项目的真实建筑数据，构建了一个为期十年的耦合仿真模型，以可再生能源渗透率作为公平容量匹配的基准，并通过 hourly 能源调度实现电池性能的动态退化模拟。研究结果从四个维度揭示了二者之间的结构性差异：首先，在经济性方面，车载能源回收系统的平均储能成本仅为1.17–1.27元人民币/千瓦时，远低于同类电池储能系统（2.54–3.03元人民币/千瓦时），其十年净现值损失比电池储能系统减少50%以上；其次，在运行模式上，车载能源回收系统凭借108.8千瓦时的容量，可通过“间歇性自给”实现每年255–288天的完全自给，而容量较低的电池储能系统仅能依靠每日补充充电，自给天数仅为158–160天；第三，在电池退化轨迹方面，车载能源回收系统由于循环次数较少，到第十年时电池容量保持率仍在74.35%–77.50%之间，而电池储能系统因深度循环，S3级电池的容量保持率为31.80%，S4级电池仅为18.65%，且S4级电池的可再生能源渗透率从第一年的80.49%下降到第十年的51.56%；第四，在参数效应方面，扩大可用充电状态范围和提高充放电效率为车载能源回收系统带来了“效率-收益-退化”的良性循环，而电池储能系统则陷入“投资-节省-容量下降”的恶性循环。本研究首次在统一的功能基准下揭示了这些结构性差异，表明车载能源回收系统不仅具有显著的成本优势，还在能源可持续性方面具有不可替代的长期价值，为家庭能源存储技术选择提供了直接的决策依据。

术语表
BCR：电池容量保持率
BESS：电池储能系统（专用固定式储能）
BIPV：建筑一体化光伏系统
DES：退化成本
EEI：额外能量输入
EVE：电动汽车
FiT：上网电价补贴
I：投资
LCOS：平均储能成本
NPV：净现值
OEP：整体电价
OM：运营维护
PV：光伏系统
PVPD：峰谷电价差
REPR：可再生能源渗透率
RES：残值
R：收益（能源收益）
SCS：灵敏度系数

数学符号
符号 | 含义/定义 | 单位
Bt | 时间段t开始时电池中储存的能量 | 千瓦时
CyOM | 第y年的年度运营维护成本 | 人民币
Cydeg | 第y年的年度电池退化成本 | 人民币
CFy | 第y年的净现金流 | 人民币
CFy,base | 基准系统（仅光伏系统）在第y年的净现金流 | 人民币
CL | 电池在100%放电深度下的额定循环寿命 | 循环次数
Dload,t | 时间段t内的总家庭用电负荷 | 千瓦
DoDd | 第d天的放电深度 | %
?Cd | 每日电池容量衰减率 | %

研究边界与核心假设
为确保研究的严谨性，本研究明确了车载能源回收系统与电池储能系统在技术经济模型上的核心假设差异，并分析了这些差异可能对研究结论产生的影响。其中一个关键假设是将电动汽车视为现有家庭资产，这意味着车载能源回收系统的初始投资仅包括双向充电器设备成本，而不包括额外的电池购买成本。这一假设适用于……

项目介绍
“希望之地”项目通过结合建筑一体化光伏发电与车载能源回收存储的集成系统实现自主能源供应。该建筑的东、西、南侧屋顶及立面共安装了189块碲化镉和单晶硅光伏模块，总面积达159.3平方米。这一连续的“发电表皮”总发电量为27.1千瓦，不仅能满足日常用电需求，还有剩余电量可外送，同时还能替代传统外墙材料，在夏季起到隔热作用，在冬季则有助于保持室内温度。

储能系统的能源性能分析
本研究从不同时间尺度展开分析：4.1.1节以一周时间为单位，研究短期运行特性及日内调度逻辑；4.1.2节以第一年为时间跨度，评估年度性能基准及等效容量匹配情况；4.1.3节则采用十年时间范围，追踪长期电池退化动态及性能变化趋势。这种从短期到长期的逐步分析，有助于揭示车载能源回收系统与电池储能系统在能源性能方面的根本差异。

讨论
从经济性角度来看，车载能源回收系统具有显著的成本优势。本研究计算得出的车载能源回收系统平均储能成本为1.17–1.27元人民币/千瓦时，这一数值与文献中报道的车载能源向电网输送技术的基准值1.62元人民币/千瓦时相当[50]，从而验证了模型的准确性。相比之下，具备相同家庭储能功能的专用电池储能系统的平均储能成本则在2.54–3.03元人民币/千瓦时之间，成本更高。

结论
本研究解决了家庭能源存储领域三个关键的研究空白：一是缺乏在相同功能目标下对车载能源回收系统与电池储能系统的公平比较；二是缺乏将电池动态退化与长期能源流动相结合的仿真框架；三是实际建筑数据的整合不足。本研究利用中国太阳能十项赛“希望之地”项目的真实建筑数据，构建了一个以可再生能源渗透率为统一基准的十年期耦合仿真模型。

作者贡献
文从荣：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，研究设计，正式分析，数据整理，概念构思。
李一鸣：写作——审稿与编辑，资源协调，项目管理，方法论，资金获取，数据整理，概念构思。
刘桥：写作——初稿撰写，研究设计，数据整理。
王富豪：写作——审稿与编辑，研究设计，数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本文是中国国家自然科学基金青年项目“中国高碳能源产业低碳技术升级与产业动态演化路径研究——以煤转油为例”（项目编号：72303215）的阶段性成果。