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能源供給側和消費側的革命將對建築用能方式帶來變革，建築的能源來源、用能種類以及供能系統方式都將出現巨大變化。從建築能源來源來看，太陽能將成為其重要來源之一。
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/W降至不足2元/W。太陽能光伏電池平均年發電小時數為1200小時，投入2元的光伏元件每年可以發電1.2kWh，如果電價為0.5元/kWh，則光伏元件的投資不到4年即可回收，低於其它發電裝置的初投資回收年限。
鑑於此，發展太陽能光電的制約因素就由基礎元件成本轉為安裝空間、安裝成本和接入成本。而建築屋頂以及可能接收到足夠多的太陽輻射的建築垂直表面，都將成為安裝太陽能光伏電池的最佳場景。
目前，我國城鄉建築總量已超過600億平米，建築屋頂和可接受足夠太陽光的垂直表面超過100億平米。每平米表面安裝光伏電池平均每年大約可發電200kWh，如果這些建築表面全部被開發利用，每年可發電2萬億kWh，約為我國目前全年總髮電量的28%，超過了我國目前民用建築的年耗電總量。
建築用電可以從其自身表面獲取，建築表面空間應該作為重要資源開發利用。近年來，光伏瓦、光伏幕牆、光伏玻璃等新產品不斷湧現，與建築外表面裝飾一體化成為太陽能光伏電池技術的重要發展方向之一。用好建築外表面，使其成為建築用電的主要來源，將成為新建建築和既有建築改造需要重點考慮的內容之一。
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，接入建築電力內網。光伏系統要配備蓄電池，蓄電池直接蓄存和釋放的也是直流電，也需要逆變器在蓄放過程進行交流—直流之間的轉換。
就目前建築內的各類用電設備而言，照明裝置採用LED光源，需要直流驅動，要通過整流器將交流變為直流；電腦、顯示器等IT設備，其內部為直流驅動，也需先通過AC/DC（交流到直流的電壓變換）整流；空調、冰箱等白色家電，現在的發展方向是變頻器驅動同步電機，實現對電機轉速的高效精準控制，這樣，其內部也要直流驅動，需先通過AC/DC整流；電梯、風機、水泵等建築中大功率裝置，目前的高效節能發展方向也是直流驅動的變頻控制。
這樣，各種建築用電裝置的發展和技術進步方向都是由交流驅動轉為直流驅動，光伏和蓄電池也要求直流接入。而建築用電系統中不斷地進行交流和直流之間的轉換，多次轉換就要重複地接入轉換裝置，不僅增加設備投入和增加故障點，還造成接近10%的轉換損失。
建築內部是否可以完全改為直流供配電，徹底取消交流環節，改變建築的供配電方式？
一百年前愛迪生髮明的電力是直流電，美國最後一個直流系統一直運行到1940年。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衝擊，維持電網的安全運行。本世紀開始的電力電子器件的飛速發展，這三方面的需求都有了替代的解決方案。
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。對1千瓦以內的小功率裝置，其成本已低於交流變壓器，對1兆瓦以內的裝置，其成本也在可接受範圍，且目前這些器件成本都在按照摩爾定律的規律發展。
通過電力電子器件實現由直流電驅動同步電機可靈活精準地調控轉速和扭矩，已成為未來電機發展的主要方向。建築內的直流微網依靠其分佈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衝擊，維持系統的穩定可靠。因此，目前技術條件都已具備，就到了挑戰建築內的交流供配電系統的時候了。
電力負載由剛性轉為柔性
建築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，接入建築內直流高壓母線。直流高壓母線分別通過DC/DC（直流到直流的電壓變換）與分佈在建築外表面的光伏電池和分佈在建築內不同區域的蓄電池連接。同時，直流高壓母線還通過DC/DC向建築內的大功率設備（如電梯、空調、風機等）及建築周邊停車位的充電樁供電。由直流高壓母線通過DC/DC引出若干路直流低壓分路，分別進入各個建築區域為小功率設備供電。
交流系統的電壓和週期必須嚴格調控，維持在預定值周圍，以保障用電裝置的功能和安全。例如電壓過低會導致異步電機的電流增大，甚至燒燬。然而直流電系統的電壓卻可以在很大範圍內變化（例如，±30%）。對電壓敏感的用電器具是通過DC/DC接入直流母線，DC/DC可以根據用電器具的特點自行調節其用電電壓，而帶有智能調節功能的用電設備還可以根據母線電壓的變化自行對其用電功率進行調節。
連接光伏電池的DC/DC可以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可以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，反向為建築供電。
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，調控建築的瞬間用電功率。這樣，建築用電就從以前的剛性負載特性變為可以根據要求調控的柔性負載特性，實現“需求側響應”方式的柔性用電。
不同功能的建築、不同的光伏電池安裝量以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，使建築瞬態用電功率在0到100%之間實時調節。這時，一座直流供配電建築就同時成為一座虛擬的蓄能調節電廠，可以根據電網的供需平衡狀況進行削峰填谷調節。
目前，以火電和水電為主的電源系統可以根據用電負荷狀況隨時對電源進行調節，實現供需平衡。而未來低碳電力系統的電源中一半以上將為風電、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，將成為今後發展風電、光電的瓶頸。
儘管抽水蓄能電站的蓄存轉換效率不到70%，但目前已經成為應對這一供需間矛盾的最主要手段。然而，我國適合修建抽水蓄能電站的地理條件有限，很難僅靠這一技術途徑解決問題。帶有儲能的直流柔性用電建築可實現的蓄存轉換效率高於70%，它將是未來緩解電力的供需矛盾，有效接納風電光電的有效途徑。
“光伏+直流+智能充電樁”一體化前景可期
我國未來建築年用電量將在2.5萬億kWh以上，還將有2億輛充電式電動小轎車，二者之和所消耗的電力將達到用電總量的35%以上。如果未來建築全部成為帶有充電樁的柔性建築，則可以吸納接近一半由風電、光電所造成的發電側波動，並有效解決目前由於建築本身用電變化導致的峰谷差變化。
“光伏+直流+智能充電樁”的建築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。目前建築入口的供電容量是建築最大負荷時的容量，建築的年用電量與入口配電功率之比為500~1800小時。也就是說，中低壓配電網的年平均負荷率僅為6%~20%。採用這種建築柔性用電技術，建築年輸入電力總量與建築入口最大功率之比可以提高到4000~6000小時。這就可以使建築小區中低壓供配電網的容量降低到目前的四分之一以下，所對應節省的投資一般也會超過建築內增加的投資。
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佈城市的快速充電網，將導致電網的供配電容量再增加一倍以上。要滿足2億輛充電型小轎車的充電要求，電網系統需要萬億元以上的擴容投資。而“光伏+直流+智能充電樁”的建築內供配電系統，則不需要增加電網容量就可以實現對建築周邊停車場的充電樁系統的電力供應。只要有針對性地再設置少數快充點，滿足一些臨時和緊急需要，就可以完成汽車電氣化要求的充電服務。
統一規劃和建設、改造“光伏+直流+智能充電樁”的一體化建築供配電系統，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。
（作者系中國工程院院士、清華大學建築節能研究中心主任）
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