太陽(yáng)能將成為建筑的主要能源來(lái)源之一。郭剛制圖

我們的地球“發(fā)燒了”，澳洲山火、南極高溫……一系列“危險信號”敲響全球變暖警鐘。為避免更多災難的發(fā)生，節能減排已成為全球共識。建筑節能是節能減排的重要環(huán)節之一，但卻常常被忽視。為此，本報推出“聚焦建筑節能系列”欄目，邀請中國工程院院士、清華大學(xué)建筑節能研究中心主任江億多角度闡述我國建筑節能發(fā)展路線(xiàn)圖。

能源供給側和消費側革命將給建筑用能方式帶來(lái)變革。建筑的能源來(lái)源、用能種類(lèi)及供能系統方式都將迎來(lái)巨變，而太陽(yáng)能將成為建筑的主要能源來(lái)源之一。

目前，太陽(yáng)能光伏電池成本大幅下降，光伏元件價(jià)格由本世紀初的50元/瓦降至不足2元/瓦，發(fā)展太陽(yáng)能光電的制約因素已由基礎元件成本轉為安裝空間、安裝成本和接入成本。建筑屋頂和可接收足夠太陽(yáng)光的建筑垂直表面，都將成為安裝太陽(yáng)能光伏電池的最佳場(chǎng)景。 

目前，我國城鄉建筑總量超過(guò)600億平方米，建筑屋頂和可接收足夠太陽(yáng)光的垂直表面超過(guò)100億平方米。這些建筑表面若全部被開(kāi)發(fā)利用，每年可發(fā)電約2萬(wàn)億千瓦時(shí)，為我國目前全年總發(fā)電量的28%，超過(guò)了全國民用建筑的年耗電總量。 

近年來(lái)，光伏瓦、光伏幕墻、光伏玻璃等新產(chǎn)品不斷涌現，與建筑外表面裝飾一體化成為太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)的發(fā)展方向。用好建筑外表面，使其成為建筑用電的重要來(lái)源，也將成為新建建筑和改造既有建筑的重要內容。 

驅動(dòng)方式由交流轉為直流 

光伏發(fā)電輸出的為直流電，需要通過(guò)逆變器轉變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的交流電，接入建筑電力內網(wǎng)。光伏系統配備的蓄電池，直接蓄存和釋放的也是直流電，蓄放過(guò)程也需要進(jìn)行交流—直流轉換。 

目前，各種建筑用電裝置的技術(shù)發(fā)展方向都是由交流驅動(dòng)轉為直流驅動(dòng)。建筑內的各類(lèi)用電設備，如LED光源的照明裝置，電腦、顯示器等IT設備，空調、冰箱等白色家電，以及電梯、風(fēng)機、水泵等大功率裝置，都需要直流驅動(dòng)，光伏和蓄電池也要求直流接入。 

建筑用電系統不斷進(jìn)行交流和直流之間的轉換，需要重復地接入轉換裝置，不僅增加了設備的投入和故障點(diǎn)，還造成近10%的轉換損失。建筑內部能否完全改為直流供配電、徹底取消交流環(huán)節、改變建筑的供配電方式？ 

特斯拉發(fā)明的交流電之所以全面戰勝直流電，原因有三：交流電可以通過(guò)變壓器高效地改變電壓，滿(mǎn)足不同的電壓需求；交流電可以產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生異步電機；交流電網(wǎng)利用其無(wú)功功率的特性，可吸收用電側負載瞬間變化對電網(wǎng)的沖擊，維持電網(wǎng)的安全運行。而隨著(zhù)電力電子器件的飛速發(fā)展，這三方面需求都有了可替代的解決方案。 

目前，電力電子器件可以實(shí)現高效可靠的直流/直流變壓和直流開(kāi)關(guān)。1千瓦以?xún)鹊男」β恃b置，成本已低于交流變壓器；1兆瓦以?xún)鹊难b置，成本也在可接受范圍，且這些器件成本目前都在按照摩爾定律規律降低。通過(guò)電力電子器件實(shí)現由直流電驅動(dòng)同步電機、靈活精準地調控轉速和扭矩，是未來(lái)電機發(fā)展的主要方向。建筑內的直流微網(wǎng)依靠其分布連接的蓄電池和電力電子器件，通過(guò)智能控制，也可以有效吸收負載瞬態(tài)變化的沖擊，維持系統的穩定可靠。 

因此，目前技術(shù)條件都已具備，到了挑戰建筑內的交流供配電系統的時(shí)候了。 

電力負載由剛性轉為柔性 

建筑供電的入口通過(guò)交流—直流整流裝置把外電網(wǎng)的交流電轉為高壓直流電，接入建筑內直流高壓母線(xiàn)。直流高壓母線(xiàn)分別通過(guò)DC/DC（直流到直流的電壓變換）與分布在建筑外表面的光伏電池和建筑內不同區域的蓄電池相連，還可通過(guò)DC/DC向建筑內的大功率設備及建筑周邊充電樁供電。由直流高壓母線(xiàn)通過(guò)DC/DC引出若干路直流低壓分路，分別進(jìn)入各個(gè)建筑區域為小功率設備供電。 

交流系統的電壓和周期必須嚴格調控，維持在預定值，以保障用電裝置的功能和安全，若電壓過(guò)低會(huì )導致異步電機的電流增大，甚至燒毀，而直流電系統的電壓卻可以在很大范圍內變化。 

連接光伏電池的DC/DC可根據光伏電池的輸出狀況，自動(dòng)調節接入阻抗，使光伏保持最大的輸出功率；連接蓄電池的DC/DC可根據母線(xiàn)電壓的變化，在蓄電、放電和關(guān)閉三種狀態(tài)之間選擇和調控；系統中連接的智能充電樁還可根據目前電壓狀況決定充電速率，甚至在母線(xiàn)電壓過(guò)低時(shí)從汽車(chē)電池中取電，反向為建筑供電。 

直流高壓母線(xiàn)的電壓則由入口的交流—直流整流器控制，通過(guò)調節直流母線(xiàn)電壓，調控建筑的瞬間用電功率。這樣，建筑用電就從以前的剛性負載特性變?yōu)榭筛鶕笳{控的柔性負載特性，從而實(shí)現“需求側響應”方式的柔性用電。 

不同功能的建筑、不同的光伏電池安裝量及不同蓄電池的安裝容量，通過(guò)調節直流母線(xiàn)電壓可實(shí)現不同的功率調節深度。蓄電池安裝量越大，實(shí)現的瞬態(tài)功率調節深度就越大。而當通過(guò)智能充電樁接入足夠多的電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，就可以響應電網(wǎng)要求，使建筑瞬態(tài)用電功率在0到100%之間實(shí)時(shí)調節。這時(shí)，一座直流供配電建筑就成為一座虛擬的蓄能調節電廠(chǎng)，可根據電網(wǎng)的供需平衡狀況進(jìn)行削峰填谷調節。 

未來(lái)，低碳電力系統的電源中一半以上為風(fēng)電、光電，這些不可調控的電源大大降低了電網(wǎng)對用電側峰谷變化的調節與適應能力，由此造成大量的棄風(fēng)、棄光現象。怎樣使電力負載由目前的剛性轉為柔性，以適應電源側大比例的不可調控電源，成為今后發(fā)展風(fēng)電、光電的待解難題。 

蓄存轉換效率不到70%的抽水蓄能電站，是目前應對這一供需矛盾的主要手段。但是，我國適合修建抽水蓄能電站的地理條件有限，僅靠這一途徑很難解決問(wèn)題。帶有儲能的直流柔性用電建筑可實(shí)現的蓄存轉換效率高于70%，將是未來(lái)緩解電力供需矛盾、接納風(fēng)光電的有效途徑。 

一體化供配電系統前景可期 

未來(lái)，我國建筑年用電量將在2.5萬(wàn)億千瓦時(shí)以上，并將有2億輛充電式電動(dòng)汽車(chē)，二者所消耗的電力之和將達到用電總量的35%以上。未來(lái)，如果建筑全部成為帶有充電樁的柔性建筑，不僅可吸納接近一半由風(fēng)電、光電所造成的發(fā)電側波動(dòng)，還能有效解決建筑本身用電變化導致的峰谷差變化。 

“光伏+直流+智能充電樁”的建筑供配電系統雖然增加了投資，但極大降低了中低壓電網(wǎng)輸配電的容量。目前，建筑入口的供電容量是建筑最大負荷時(shí)的容量，建筑的年用電量與入口配電功率之比在500~1800小時(shí)，中低壓配電網(wǎng)的年均負荷率僅為6%~20%。采用這種建筑柔性用電技術(shù)，建筑年輸入電力總量與入口最大功率之比可提高到4000~6000小時(shí)，使建筑小區中低壓供配電網(wǎng)的容量降低到目前的1/4以下。 

發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的制約因素之一是充電樁系統的建設。如果按照加油站模式建起遍布城市的快速充電網(wǎng)，將導致電網(wǎng)的供配電容量再增加一倍以上。要滿(mǎn)足2億輛電動(dòng)汽車(chē)的充電要求，電網(wǎng)系統需要超萬(wàn)億元的擴容投資。而“光伏+直流+智能充電樁”的建筑內供配電系統，不需要增加電網(wǎng)容量就可實(shí)現對建筑周邊充電樁系統的電力供應。在此基礎上，有針對性地設置少數快充點(diǎn)，滿(mǎn)足緊急需求，就可以完善符合汽車(chē)電氣化要求的充電服務(wù)。 

統一規劃、建設和改造“光伏+直流+智能充電樁”一體化建筑供配電系統，是電力系統應對能源革命、實(shí)現新型用電模式的重要任務(wù)之一。 

來(lái)源：《中國科學(xué)報》