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太陽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、清華大學建筑節能研究中心主任江億多角度闡述我國建筑節能發展路線圖。
能源供給側和消費側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方式都將迎來巨變，而太陽能將成為建筑的主要能源來源之一。
目前，太陽能光伏電池成本大幅下降，光伏元件價格由本世紀初的50元/瓦降至不足2元/瓦，發展太陽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光的建筑垂直表面，都將成為安裝太陽能光伏電池的最佳場景。
目前，我國城鄉建筑總量超過600億平方米，建筑屋頂和可接收足夠太陽光的垂直表面超過100億平方米。這些建筑表面若全部被開發利用，每年可發電約2萬億千瓦時，為我國目前全年總發電量的28%，超過了全國民用建筑的年耗電總量。
近年來，光伏瓦、光伏幕墻、光伏玻璃等新產品不斷涌現，與建筑外表面裝飾一體化成為太陽能光伏電池技術的發展方向。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容。
驅動方式由交流轉為直流
光伏發電輸出的為直流電，需要通過逆變器轉變為與電網同步的交流電，接入建筑電力內網。光伏系統配備的蓄電池，直接蓄存和釋放的也是直流電，蓄放過程也需要進行交流—直流轉換。
目前，各種建筑用電裝置的技術發展方向都是由交流驅動轉為直流驅動。建筑內的各類用電設備，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、風機、水泵等大功率裝置，都需要直流驅動，光伏和蓄電池也要求直流接入。
建筑用電系統不斷進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，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、徹底取消交流環節、改變建筑的供配電方式？
特斯拉發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；交流電可以產生旋轉磁場，由此產生異步電機；交流電網利用其無功功率的特性，可吸收用電側負載瞬間變化對電網的沖擊，維持電網的安全運行。而隨著電力電子器件的飛速發展，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現高效可靠的直流/直流變壓和直流開關。1千瓦以內的小功率裝置，成本已低于交流變壓器；1兆瓦以內的裝置，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律降低。通過電力電子器件實現由直流電驅動同步電機、靈活精準地調控轉速和扭矩，是未來電機發展的主要方向。建筑內的直流微網依靠其分布連接的蓄電池和電力電子器件，通過智能控制，也可以有效吸收負載瞬態變化的沖擊，維持系統的穩定可靠。
因此，目前技術條件都已具備，到了挑戰建筑內的交流供配電系統的時候了。
電力負載由剛性轉為柔性
建筑供電的入口通過交流—直流整流裝置把外電網的交流電轉為高壓直流電，接入建筑內直流高壓母線。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不同區域的蓄電池相連，還可通過DC/DC向建筑內的大功率設備及建筑周邊充電樁供電。由直流高壓母線通過DC/DC引出若干路直流低壓分路，分別進入各個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，若電壓過低會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可根據母線電壓的變化，在蓄電、放電和關閉三種狀態之間選擇和調控；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，甚至在母線電壓過低時從汽車電池中取電，反向為建筑供電。
直流高壓母線的電壓則由入口的交流—直流整流器控制，通過調節直流母線電壓，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為可根據要求調控的柔性負載特性，從而實現“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，通過調節直流母線電壓可實現不同的功率調節深度。蓄電池安裝量越大，實現的瞬態功率調節深度就越大。而當通過智能充電樁接入足夠多的電動汽車時，就可以響應電網要求，使建筑瞬態用電功率在0到100%之間實時調節。這時，一座直流供配電建筑就成為一座虛擬的蓄能調節電廠，可根據電網的供需平衡狀況進行削峰填谷調節。
未來，低碳電力系統的電源中一半以上為風電、光電，這些不可調控的電源大大降低了電網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、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，成為今后發展風電、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題。帶有儲能的直流柔性用電建筑可實現的蓄存轉換效率高于70%，將是未來緩解電力供需矛盾、接納風光電的有效途徑。
一體化供配電系統前景可期
未來，我國建筑年用電量將在2.5萬億千瓦時以上，并將有2億輛充電式電動汽車，二者所消耗的電力之和將達到用電總量的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電、光電所造成的發電側波動，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的容量，建筑的年用電量與入口配電功率之比在500~1800小時，中低壓配電網的年均負荷率僅為6%~20%。采用這種建筑柔性用電技術，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，使建筑小區中低壓供配電網的容量降低到目前的1/4以下。
發展電動汽車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，將導致電網的供配電容量再增加一倍以上。要滿足2億輛電動汽車的充電要求，電網系統需要超萬億元的擴容投資。而“光伏+直流+智能充電樁”的建筑內供配電系統，不需要增加電網容量就可實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，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。
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、實現新型用電模式的重要任務之一。
來源：《中國科學報》
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