太陽(yáng)能將成為建筑的主要能源來源之一。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(xiǎn)信號(hào)”敲響全球變暖警鐘。為避免更多災(zāi)難的發(fā)生，節(jié)能減排已成為全球共識(shí)。建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)之一，但卻常常被忽視。為此，本報(bào)推出“聚焦建筑節(jié)能系列”欄目，邀請(qǐng)中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任江億多角度闡述我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展路線圖。
能源供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)革命將給建筑用能方式帶來變革。建筑的能源來源、用能種類及供能系統(tǒng)方式都將迎來巨變，而太陽(yáng)能將成為建筑的主要能源來源之一。
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(jì)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(chǔ)元件成本轉(zhuǎn)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(guó)城鄉(xiāng)建筑總量超過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100億平方米。這些建筑表面若全部被開發(fā)利用，每年可發(fā)電約2萬(wàn)億千瓦時(shí)，為我國(guó)目前全年總發(fā)電量的28%，超過了全國(guó)民用建筑的年耗電總量。
近年來，光伏瓦、光伏幕墻、光伏玻璃等新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，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源，也將成為新建建筑和改造既有建筑的重要內(nèi)容。
驅(qū)動(dòng)方式由交流轉(zhuǎn)為直流
光伏發(fā)電輸出的為直流電，需要通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同步的交流電，接入建筑電力內(nèi)網(wǎng)。光伏系統(tǒng)配備的蓄電池，直接蓄存和釋放的也是直流電，蓄放過程也需要進(jìn)行交流—直流轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為直流驅(qū)動(dòng)。建筑內(nèi)的各類用電設(shè)備，如LED光源的照明裝置，電腦、顯示器等IT設(shè)備，空調(diào)、冰箱等白色家電，以及電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等大功率裝置，都需要直流驅(qū)動(dòng)，光伏和蓄電池也要求直流接入。
建筑用電系統(tǒng)不斷進(jìn)行交流和直流之間的轉(zhuǎn)換，需要重復(fù)地接入轉(zhuǎn)換裝置，不僅增加了設(shè)備的投入和故障點(diǎn)，還造成近10%的轉(zhuǎn)換損失。建筑內(nèi)部能否完全改為直流供配電、徹底取消交流環(huán)節(jié)、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(zhàn)勝直流電，原因有三：交流電可以通過變壓器高效地改變電壓，滿足不同的電壓需求；交流電可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生異步電機(jī)；交流電網(wǎng)利用其無(wú)功功率的特性，可吸收用電側(cè)負(fù)載瞬間變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，維持電網(wǎng)的安全運(yùn)行。而隨著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(xiàn)高效可靠的直流/直流變壓和直流開關(guān)。1千瓦以內(nèi)的小功率裝置，成本已低于交流變壓器；1兆瓦以內(nèi)的裝置，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(guī)律降低。通過電力電子器件實(shí)現(xiàn)由直流電驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)、靈活精準(zhǔn)地調(diào)控轉(zhuǎn)速和扭矩，是未來電機(jī)發(fā)展的主要方向。建筑內(nèi)的直流微網(wǎng)依靠其分布連接的蓄電池和電力電子器件，通過智能控制，也可以有效吸收負(fù)載瞬態(tài)變化的沖擊，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
因此，目前技術(shù)條件都已具備，到了挑戰(zhàn)建筑內(nèi)的交流供配電系統(tǒng)的時(shí)候了。
電力負(fù)載由剛性轉(zhuǎn)為柔性
建筑供電的入口通過交流—直流整流裝置把外電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)為高壓直流電，接入建筑內(nèi)直流高壓母線。直流高壓母線分別通過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(nèi)不同區(qū)域的蓄電池相連，還可通過DC/DC向建筑內(nèi)的大功率設(shè)備及建筑周邊充電樁供電。由直流高壓母線通過DC/DC引出若干路直流低壓分路，分別進(jìn)入各個(gè)建筑區(qū)域?yàn)樾」β试O(shè)備供電。
交流系統(tǒng)的電壓和周期必須嚴(yán)格調(diào)控，維持在預(yù)定值，以保障用電裝置的功能和安全，若電壓過低會(huì)導(dǎo)致異步電機(jī)的電流增大，甚至燒毀，而直流電系統(tǒng)的電壓卻可以在很大范圍內(nèi)變化。
連接光伏電池的DC/DC可根據(jù)光伏電池的輸出狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)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(jù)母線電壓的變化，在蓄電、放電和關(guān)閉三種狀態(tài)之間選擇和調(diào)控；系統(tǒng)中連接的智能充電樁還可根據(jù)目前電壓狀況決定充電速率，甚至在母線電壓過低時(shí)從汽車電池中取電，反向?yàn)榻ㄖ╇姟?nbsp;
直流高壓母線的電壓則由入口的交流—直流整流器控制，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓，調(diào)控建筑的瞬間用電功率。這樣，建筑用電就從以前的剛性負(fù)載特性變?yōu)榭筛鶕?jù)要求調(diào)控的柔性負(fù)載特性，從而實(shí)現(xiàn)“需求側(cè)響應(yīng)”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，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓可實(shí)現(xiàn)不同的功率調(diào)節(jié)深度。蓄電池安裝量越大，實(shí)現(xiàn)的瞬態(tài)功率調(diào)節(jié)深度就越大。而當(dāng)通過智能充電樁接入足夠多的電動(dòng)汽車時(shí)，就可以響應(yīng)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(diào)節(jié)。這時(shí)，一座直流供配電建筑就成為一座虛擬的蓄能調(diào)節(jié)電廠，可根據(jù)電網(wǎng)的供需平衡狀況進(jìn)行削峰填谷調(diào)節(jié)。
未來，低碳電力系統(tǒng)的電源中一半以上為風(fēng)電、光電，這些不可調(diào)控的電源大大降低了電網(wǎng)對(duì)用電側(cè)峰谷變化的調(diào)節(jié)與適應(yīng)能力，由此造成大量的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。怎樣使電力負(fù)載由目前的剛性轉(zhuǎn)為柔性，以適應(yīng)電源側(cè)大比例的不可調(diào)控電源，成為今后發(fā)展風(fēng)電、光電的待解難題。
蓄存轉(zhuǎn)換效率不到70%的抽水蓄能電站，是目前應(yīng)對(duì)這一供需矛盾的主要手段。但是，我國(guó)適合修建抽水蓄能電站的地理?xiàng)l件有限，僅靠這一途徑很難解決問題。帶有儲(chǔ)能的直流柔性用電建筑可實(shí)現(xiàn)的蓄存轉(zhuǎn)換效率高于70%，將是未來緩解電力供需矛盾、接納風(fēng)光電的有效途徑。
一體化供配電系統(tǒng)前景可期
未來，我國(guó)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，二者所消耗的電力之和將達(dá)到用電總量的35%以上。未來，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(cè)波動(dòng)，還能有效解決建筑本身用電變化導(dǎo)致的峰谷差變化。
“光伏+直流+智能充電樁”的建筑供配電系統(tǒng)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(fù)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(fù)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(qū)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)汽車的制約因素之一是充電樁系統(tǒng)的建設(shè)。如果按照加油站模式建起遍布城市的快速充電網(wǎng)，將導(dǎo)致電網(wǎng)的供配電容量再增加一倍以上。要滿足2億輛電動(dòng)汽車的充電要求，電網(wǎng)系統(tǒng)需要超萬(wàn)億元的擴(kuò)容投資。而“光伏+直流+智能充電樁”的建筑內(nèi)供配電系統(tǒng)，不需要增加電網(wǎng)容量就可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑周邊充電樁系統(tǒng)的電力供應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地設(shè)置少數(shù)快充點(diǎn)，滿足緊急需求，就可以完善符合汽車電氣化要求的充電服務(wù)。
統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)和改造“光伏+直流+智能充電樁”一體化建筑供配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)能源革命、實(shí)現(xiàn)新型用電模式的重要任務(wù)之一。
來源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
