能源供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)的革命將對建筑用能方式帶來變革，建筑的能源來源、用能種類以及供能系統(tǒng)方式都將出現(xiàn)巨大變化。從建筑能源來源來看，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(jià)格由本世紀(jì)初的50元/W降至不足2元/W。太陽能光伏電池平均年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1200小時(shí)，投入2元的光伏元件每年可以發(fā)電1.2kWh，如果電價(jià)為0.5元/kWh，則光伏元件的投資不到4年即可回收，低于其它發(fā)電裝置的初投資回收年限。
鑒于此，發(fā)展太陽能光電的制約因素就由基礎(chǔ)元件成本轉(zhuǎn)為安裝空間、安裝成本和接入成本。而建筑屋頂以及可能接收到足夠多的太陽輻射的建筑垂直表面，都將成為安裝太陽能光伏電池的zhui佳場景。
目前，我國城鄉(xiāng)建筑總量已超過600億平米，建筑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(fā)電200kWh，如果這些建筑表面全部被開發(fā)利用，每年可發(fā)電2萬億kWh，約為我國目前全年總發(fā)電量的28%，超過了我國目前民用建筑的年耗電總量。
建筑用電可以從其自身表面獲取，建筑表面空間應(yīng)該作為重要資源開發(fā)利用。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能光伏電池技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。用好建筑外表面，使其成為建筑用電的主要來源，將成為新建建筑和既有建筑改造需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。
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)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(jìn)行交流—直流之間的轉(zhuǎn)換。
就目前建筑內(nèi)的各類用電設(shè)備而言，照明裝置采用LED光源，需要直流驅(qū)動(dòng)，要通過整流器將交流變?yōu)橹绷?；電腦、顯示器等IT設(shè)備，其內(nèi)部為直流驅(qū)動(dòng)，也需先通過AC/DC（交流到直流的電壓變換）整流；空調(diào)、冰箱等白色家電，現(xiàn)在的發(fā)展方向是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的高效精準(zhǔn)控制，這樣，其內(nèi)部也要直流驅(qū)動(dòng)，需先通過AC/DC整流；電梯、風(fēng)機(jī)、水泵等建筑中大功率裝置，目前的高效節(jié)能發(fā)展方向也是直流驅(qū)動(dòng)的變頻控制。
這樣，各種建筑用電裝置的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步方向都是由交流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為直流驅(qū)動(dòng)，光伏和蓄電池也要求直流接入。而建筑用電系統(tǒng)中不斷地進(jìn)行交流和直流之間的轉(zhuǎn)換，多次轉(zhuǎn)換就要重復(fù)地接入轉(zhuǎn)換裝置，不僅增加設(shè)備投入和增加故障點(diǎn)，還造成接近10%的轉(zhuǎn)換損失。
建筑內(nèi)部是否可以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？
一百年前愛迪生fa明的電力是直流電，美國最后一個(gè)直流系統(tǒng)一直運(yùn)行到1940年。特斯拉發(fā)明的交流電之所以quan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，由此產(chǎn)生異步電機(jī)；交流電網(wǎng)利用其無功功率的特性，可吸收用電側(cè)負(fù)載瞬間變化對電網(wǎng)的沖擊，維持電網(wǎng)的安全運(yùn)行。本世紀(jì)開始的電力電子器件的飛速發(fā)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(shí)現(xiàn)高效可靠的直流/直流變壓和直流開關(guān)。對1千瓦以內(nèi)的小功率裝置，其成本已低于交流變壓器，對1兆瓦以內(nèi)的裝置，其成本也在可接受范圍，且目前這些器件成本都在按照摩爾定律的規(guī)律發(fā)展。
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)可靈活精準(zhǔn)地調(diào)控轉(zhuǎn)速和扭矩，已成為未來電機(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，就到了挑戰(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分布在建筑內(nèi)不同區(qū)域的蓄電池連接。同時(shí)，直流高壓母線還通過DC/DC向建筑內(nèi)的大功率設(shè)備（如電梯、空調(diào)、風(fēng)機(jī)等）及建筑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(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)定值周圍，以保障用電裝置的功能和安全。例如電壓過低會(huì)導(dǎo)致異步電機(jī)的電流增大，甚至燒毀。然而直流電系統(tǒng)的電壓卻可以在很大范圍內(nèi)變化（例如，±30%）。對電壓min感的用電器具是通過DC/DC接入直流母線，DC/DC可以根據(jù)用電器具的特點(diǎn)自行調(diào)節(jié)其用電電壓，而帶有智能調(diào)節(jié)功能的用電設(shè)備還可以根據(jù)母線電壓的變化自行對其用電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
連接光伏電池的DC/DC可以根據(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zhui大的輸出功率；連接蓄電池的DC/DC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可以根據(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?
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)榭梢愿鶕?jù)要求調(diào)控的柔性負(fù)載特性，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以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同時(shí)成為一座虛擬的蓄能調(diào)節(jié)電廠，可以根據(jù)電網(wǎng)的供需平衡狀況進(jìn)行削峰填谷調(diào)節(jié)。
目前，以火電和水電為主的電源系統(tǒng)可以根據(jù)用電負(fù)荷狀況隨時(shí)對電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供需平衡。而未來低碳電力系統(tǒng)的電源中一半以上將為風(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，將成為今后發(fā)展風(fēng)電、光電的瓶頸。
盡管抽水蓄能電站的蓄存轉(zhuǎn)換效率不到70%，但目前已經(jīng)成為應(yīng)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?xiàng)l件有限，很難僅靠這一技術(shù)途徑解決問題。帶有儲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%，它將是未來緩解電力的供需矛盾，有效接納風(fēng)電光電的有效途徑。
“光伏+直流+智能充電樁”一體化前景可期
我國未來建筑年用電量將在2.5萬億kWh以上，還將有2億輛充電式電動(dòng)小轎車，二者之和所消耗的電力將達(dá)到用電總量的35%以上。如果未來建筑全部成為帶有充電樁的柔性建筑，則可以吸納接近一半由風(fēng)電、光電所造成的發(fā)電側(cè)波動(dòng)，并有效解決目前由于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zhui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為500~1800小時(shí)。也就是說，中低壓配電網(wǎng)的年平均負(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建筑入口zhui大功率之比可以提高到4000~6000小時(shí)。這就可以使建筑小區(qū)中低壓供配電網(wǎng)的容量降低到目前的四分之一以下，所對應(yīng)節(jié)省的投資一般也會(huì)超過建筑內(nèi)增加的投資。
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2億輛充電型小轎車的充電要求，電網(wǎng)系統(tǒng)需要萬億元以上的擴(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)，則不需要增加電網(wǎng)容量就可以實(shí)現(xiàn)對建筑周邊停車場的充電樁系統(tǒng)的電力供應(yīng)。只要有針對性地再設(shè)置少數(shù)快充點(diǎn)，滿足一些臨時(shí)和緊急需要，就可以完成汽車電氣化要求的充電服務(wù)。
統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)、改造“光伏+直流+智能充電樁”的一體化建筑供配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)應(yīng)對能源革命、實(shí)現(xiàn)新型用電模式的重要任務(wù)之一。
