一、引言

本文試圖從光伏發(fā)電(PV)、儲能電池（ES）、電動汽車(EV/PHV)的跨產(chǎn)業(yè)開發(fā)及應(yīng)用為契機，探索不同產(chǎn)業(yè)之間的交叉應(yīng)用，通過創(chuàng)新發(fā)展不同產(chǎn)業(yè)技術(shù)，來集成開發(fā)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的新能源產(chǎn)品和市場。我們有理由相信，這些伴隨著戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的新能源產(chǎn)物，將隨著能源緊缺、節(jié)能減排民眾意識的植入滲透，正從概念到實踐、走出實驗室。并將逐步走向商業(yè)化，走進百姓家庭，成為一種不可或缺的低碳生活方式。

光伏發(fā)電、儲能電池、電動汽車殊途同歸，同屬新能源領(lǐng)域，是國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)計劃2020年將要發(fā)展成為國民經(jīng)濟的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟體系中具有重要的戰(zhàn)略地位，是國民經(jīng)濟規(guī)劃中先行發(fā)展以引導(dǎo)其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)集群。對國民經(jīng)濟未來發(fā)展起方向性的引導(dǎo)作用，代表著技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演進的方向。我們要以科學(xué)的態(tài)度，前瞻性思維，抓住機遇，整合創(chuàng)新，縱深發(fā)展新能源技術(shù)，積極拓展和加強產(chǎn)業(yè)之間跨技術(shù)平臺之間的合作，把“創(chuàng)能、儲能、節(jié)能、智能”關(guān)乎國計民生的新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)用打造成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)和企業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

二、“創(chuàng)能、儲能、節(jié)能、智能”，構(gòu)筑建筑新能源時代

日本、德國已進入或按計劃進入“零核電”時代，人們不禁要問,由此造成的電力缺口、供求矛盾將如何解決。從企業(yè)或家庭用電的角度，在實行節(jié)流的同時，更為有效的將是如何開源。于是一種具有“創(chuàng)能、蓄能、節(jié)能、智能”的“創(chuàng)蓄聯(lián)動智能建筑”新能源系統(tǒng)被孕育催生。

創(chuàng)蓄聯(lián)動智能建筑是指以結(jié)合傳統(tǒng)能源和新能源電力為中心，設(shè)計成能夠聰明地使用能源的建筑，是指通過綜合配置建筑內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以IT技術(shù)為手段，全面實現(xiàn)通信系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)以及建筑內(nèi)各種設(shè)備能源管理的自動化的新型建筑。而實現(xiàn)這種建筑創(chuàng)能、蓄能、節(jié)能、智能的主角分別是：一體化建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能電池系統(tǒng)（包含EV/PHV電動汽車、鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池等）、以及電源控制器、電源管理器、電源監(jiān)視器等。

（一）、低成本光伏發(fā)電是“創(chuàng)能”的主角

 1.“平價上網(wǎng)”時代來臨。

光伏市場從昔日的財富積聚到如今的殘酷競爭最終演變成了光伏電池、光伏系統(tǒng)的價格快速下降。日本GAT Solar在2012年3月25日推出了包括施工費用在內(nèi)，只需35萬日元/kW（相當于2.8萬RMB/kW,比中國市場要高得多！）的低價位家用建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)，換算成發(fā)電成本約為23日元/kWh（假設(shè)利率為3％，償還期為20年）。低于全額收購光伏發(fā)電價42日元/kWh標準，光伏發(fā)電提前實施了“平價上網(wǎng)”?；厥胀顿Y依靠的是節(jié)約自身消費的電力（減少從電力公司購買的電量）和銷售剩余電力的收入。如果自行消費是發(fā)電量的40％，其余60％以現(xiàn)在的售電價格42日元/kWh銷售給電力公司，對于普通家庭一個3.3kW標準型系統(tǒng)按投資回報計算，不到8年即可收回全部投資。

同樣以國內(nèi)目前用戶側(cè)家庭自發(fā)自用光伏發(fā)電為例，以家庭住宅安裝一個3.3kW的薄膜電池光伏屋頂或幕墻發(fā)電系統(tǒng)。包含電池模組、系統(tǒng)平衡件BOS(除模組以外的系統(tǒng)平衡件：逆變器、電站監(jiān)控系統(tǒng)、組件支架、高低壓配電、變壓器、電纜等)、和土建施工管理費用等,系統(tǒng)成本降到約為12元/W左右。假設(shè)貸款比例70%，負債5年，通貨膨漲率3%，負債利率按7%，項目壽命25年，年維護費按2%，不考慮碳排放收入，按現(xiàn)行電價1元/度電回購制度計算，投資3.3kW小型家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)，在陽光充足地區(qū)，將可得到12 %的資產(chǎn)回報率，7年回收股本，項目經(jīng)濟性可行（參見下圖）

2.建筑光伏屋頂案例

圖示是位于德國Backnang的一個普通建筑屋頂光伏電站，使用了113塊85瓦的薄膜電池，裝機容量為9.61kWp.當?shù)剌椪斩葍H為1079kWh/m²/yr。

 3.智能建筑光伏發(fā)電工程案例

這是位于日本橫濱的一座智能住宅光伏發(fā)電工程，僅使用了25塊85瓦的薄膜電池，裝機容量為2.125kWp.當?shù)剌椪斩葹?357kWh/m²/yr。（該地區(qū)的輻照度比深圳稍差。

　　 4.高效薄膜電池是建筑光伏發(fā)電的主角。

高效薄膜電池因其弱光性好、對安裝角度容忍度高、耐高溫特性，耐濕性好以及符合建筑美學(xué)要求等特點，特別適合并被廣泛用于光伏建筑一體化領(lǐng)域。

　　（二）、EV及PHV作為“行駛的蓄能電池”、與智能光電建筑聯(lián)動，孕育新能源商機。
    在智能建筑中，備受期待的蓄能主角是家用電池，其最大作用是儲存夜間的剩余電力在白天使用，借此起到移峰的效果。除常規(guī)使用鋰離子電池、鎳氫電池、鉛蓄電池外，本節(jié)重點介紹以電動汽車（EV）或插電式混合動力車（PHV），作為移動的家用儲能電池向家庭供電的的系統(tǒng)。

　　作為智能住宅的要素之一，有望發(fā)揮重大作用的是電動汽車（EV）及插電式混合動力車（PHV）配備的鋰電池或鎳氫電池在家庭中的利用，購買了EV和PHV的用戶無需追加成本便可獲得高性能、大容量的家用電池。

　　1.三菱電動車EV與MiEV Power BOX供電系統(tǒng)

　　日本三菱汽車將在今年夏季推出電動車EV與住宅相互供電的名為MiEV Power BOX系統(tǒng)。三菱使用容量為16kWh的電池在充滿電后，與電源控制盒（MiEV Power BOX）連接，便可連續(xù)使用100V、1500W的交流電5～6個小時。

   

圖示：三菱的MiEV Power BOX供電系統(tǒng)

　　2.豐田的混合動力車PHV 與建筑光伏供電系統(tǒng)

　　繼三菱之后，日產(chǎn)、豐田汽車也接連發(fā)布了使用“聆風(fēng)EV”和“普銳斯PHV”的驅(qū)動電池向普通住宅供電的系統(tǒng)。豐田日前開發(fā)出了插電式混合動力車（PHV）、電動汽車（EV）等與住宅之間相互供電的系統(tǒng)，名為“Vehicle to Home（V2H）”如圖所示。豐田將在2012年年底使該系統(tǒng)與其插電式混合動力車“PriusPHV”配套商業(yè)化。

    

 圖示：利用V2H進行能源管理

　　通過插電式混合動力車配備的交直流轉(zhuǎn)換器（逆變器），為住宅提供交流電，同時還可在車輛、充電樁和住宅之間進行數(shù)據(jù)通信，利用家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）對電流進行優(yōu)化控制?？衫媒ㄖ暗貐^(qū)的光伏發(fā)電設(shè)備所發(fā)的電力及電費較低的深夜電力為車輛充電，在用電高峰時段將儲存的電力移峰用于住宅。

　　普通家庭一天的用電量大約為10kWh，一輛充滿電或者加滿油的插電式混合動力車可為其供電4天左右.

　　3.本田智能家庭系統(tǒng)HSHS試驗屋。

　　同樣本田公司日前也向媒體公開了其 “本田智能家庭系統(tǒng)”HSHS。該實驗住宅的HSHS由薄膜電池面板、電池容量為2kW的電池組、熱水供應(yīng)單元及HEMS（Home Energy Management System，家庭能源管理系統(tǒng)）構(gòu)成。

　　該智能住宅力圖通過上述能源最佳控制措施，使家庭的二氧化碳排放量減少50％，同時通過住宅隔熱及家電節(jié)能化，最終使二氧化碳最大減排80％。

　　另外，在車庫的天花板上還配備了臂式的電動汽車（EV）充電器（如圖）。其特點是充電臂采用了可旋轉(zhuǎn)的設(shè)計，EV充電口無論在哪邊都可輕松充電。

   

 圖示：安裝在天花板上的充電臂

　　此外，導(dǎo)入的系統(tǒng)可經(jīng)由本田的“Internavi”服務(wù)，使用車載導(dǎo)航儀和智能手機遠程操作家電及制暖設(shè)備、放洗澡水、鎖門及監(jiān)視家中的耗電情況。該智能社區(qū)的實驗計劃進行到2018年。本田表示，將力爭在3～4年后使HEMS等投放市場

　　4.松下、京瓷家庭太陽能“創(chuàng)蓄聯(lián)動系統(tǒng)”

　　2012年夏、秋季日本松下、日本京瓷公司將開始供貨適合家庭住宅組合使用光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電系統(tǒng)，可控制家庭內(nèi)電力的“住宅創(chuàng)蓄聯(lián)動系統(tǒng)”。主要針對新建住宅。
　　日本松下的產(chǎn)品組合使用了容量為4.65kWh的鋰離子充電電池、太陽能電池、以及使太陽能電池和蓄電池的功率調(diào)節(jié)器功能集成于一體的能源工作站PowerStation。鋰離子充電電池組設(shè)置于室內(nèi), 使用了480個目前主要用于筆記本電腦等的圓柱形電池單元,大約4個小時可充滿電。PowerStation設(shè)置于室外。
　　要構(gòu)筑系統(tǒng)，除了蓄電池、太陽能電池和PowerStation以外，還需要用于實現(xiàn)用電量可視化的“無線能源監(jiān)測器”及“無線能源監(jiān)測器電力檢測單元”、可在停電時實現(xiàn)自主運轉(zhuǎn)的“電力切換單元”及“配電盤（備用）”等。

　　此外還提供可通過平板電視、個人電腦及智能手機等進行確認的“監(jiān)測適配器”。

　　日本京瓷的產(chǎn)品組合同樣使用光伏發(fā)電和鋰離子蓄電池的家用系統(tǒng)。不同的是采用的鋰離子蓄電池容量為7.2kWh，可為冰箱、冷暖氣設(shè)備及電視等電氣產(chǎn)品連續(xù)供電最長12個小時。額定輸出功率為2.5kW。3小時左右即可充滿電。該系統(tǒng)配備多種運轉(zhuǎn)模式，可自由切換利用。

• 儲存電費較低的深夜電力用于白天，以節(jié)約電費的深夜電力活用模式
• 把利用太陽能所發(fā)的電力全部用于家庭的“環(huán)保住宅”模式
• 充分利用蓄電池將白天的購買電力控制在一定數(shù)值內(nèi)的峰值抑制模式
• 強制充電模式
• 強制放電模式。

　　與家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）配套使用，便可通過電腦、電視及智能手機（多功能手機）等實現(xiàn)能源的“可視化”，有助于推動節(jié)能。

　　5.神九太陽能創(chuàng)儲供電系統(tǒng)

　　近日升空的神九電源系統(tǒng)就使用了太陽能光伏創(chuàng)儲供電系統(tǒng)作為其電力來源之一。由太陽電池帆板、鎘鎳蓄電池、應(yīng)急電池組成的供電系統(tǒng)。太陽電池帆板就是飛船外部的一對大“翅膀”，太陽電池在這對“翅膀”上通過串并聯(lián)方式組成一個太陽電池陣，在能夠接受到太陽光照的時候，為飛船的負載供電，同時為蓄電池充電，在陰影期，就通過蓄電池為負載供電。

　　從神一到神六，飛船的“翅膀”上采用的都是硅太陽電池，但神九采用了三結(jié)砷化鎵電池后，光電轉(zhuǎn)化效率提高了50%以上。從而在與神七同樣面積的太陽能帆板上，使所發(fā)出的電能增加了50%以上。

　　(三）、長壽命氧化還原液流蓄電池適合于大型（MW級）發(fā)電系統(tǒng)                                 

　　日本住友日前開發(fā)出了大型蓄、發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合使用發(fā)電效率較高的聚光型光伏（CPV）發(fā)電裝置和名為“氧化還原液流電池”的長壽命新型蓄電池。

　　氧化還原液流電池是一種通過釩離子等的氧化還原反應(yīng)進行充放電的蓄電池。其特點在于，即使頻繁進行充放電，電極和電解液也幾乎不會出現(xiàn)劣化，因此壽命較長，正極和負極的電解液為同樣的物質(zhì)，所以易于進行維護。不使用可燃材料，而且可在常溫下工作，安全性也比較高。實證運轉(zhuǎn)中將使用容量為5000kWh（1000kW×5小時）的氧化還原液流電池。該種電池的好處是可以透過能源管理系統(tǒng)控制氧化還原液流電池的充放電、保持一定的蓄電量、用氧化還原液流電池彌補不穩(wěn)定的光伏發(fā)電量。

　　（四）、鋰離子動力電池的技術(shù)進步與希望

　　鋰離子電池的開發(fā)始于1981年。從1995年開始用于手機和個人電腦。首先，鋰電池已經(jīng)在手機和個人電腦領(lǐng)域應(yīng)用了15年。而且與開發(fā)初期階段相比，相當于電池能力的單位重量的能量密度已達到原來的3倍。這有助于實現(xiàn)電池的小型化和削減成本?，F(xiàn)今用于個人電腦等的電池價格大約為15年前的15分之1，價格低得令人不敢相信。如果同樣的事也發(fā)生在電動汽車電池領(lǐng)域，成本問題就會得到解決。
　　然而還剩一個延長續(xù)航距離的問題。從實用水平來看，鋰離子電池單位重量的能量密度存在最大值。為了保持穩(wěn)定的質(zhì)量，目標是達到該最大值的6～7成左右。目前的電池僅使用了正極中約一半的鋰，電池能力為最大值的5成左右，因此還有進一步提高的余地。此前主要是開發(fā)可提高負極鋰離子吸附能力的材料，但如果今后開發(fā)出使用更多鋰的正極，就能夠進一步的提高電池性能。
　　要進一步延長續(xù)航距離，需要改進包括電池在內(nèi)的整個系統(tǒng)。大有希望的是能夠一直使電流在恰當?shù)臈l件下流動的“電池管理系統(tǒng)”。只要稍微改變控制方法，續(xù)航距離也會發(fā)生很大變化。

　　美國特斯拉汽車公司的豪華跑車“Roadster”充電一次可行駛380公里（如下圖）。這是因為該車配備有56千瓦時的電池，相當于日產(chǎn)電動汽車LEAF（聆風(fēng)）的2倍以上。而且即使配備這么大容量的電池，也不會因為太重而影響行駛。

　　Roadster最高時速為每小時200公里，啟動之后4秒鐘即可提速到100公里。  

圖示：美國特斯拉汽車公司的“Roadster”

　　不過，由于配備的電池較多，因此車輛價格高達10萬美元以上。也就是說，電動汽車的續(xù)航距離受到了電池成本的制約。
　　電動汽車EV要得到全面普及，除要突破續(xù)航、荷載、安全質(zhì)疑、無線充電等技術(shù)、成本問題之外，還需要進行充電基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的技術(shù)革新，以及產(chǎn)業(yè)管理、產(chǎn)業(yè)政策方面的創(chuàng)新。

　　（五）、節(jié)能的潛力與實踐
　　創(chuàng)能、蓄能雖然應(yīng)該強力推進，但是，鑒于全面普及需要時間，所以也不能一下子就可完善。因此，也需要更加聰明地節(jié)能。

　　1.日本實施“限電令”節(jié)能節(jié)出了七坐核反應(yīng)堆。

　　日本在實施了“限電令”的2011年夏季，電轄區(qū)7、8兩個月與上年相比，平均節(jié)電16.2％，成功節(jié)省了670萬kW電能，功率相當于7座反應(yīng)堆。

　　2.家庭節(jié)能

　　家庭的節(jié)能方法除了提高冷氣的設(shè)定溫度，降低照明亮度等“忍耐”措施之外，主要方法是照明的LED化和改換節(jié)能型的空調(diào)冰箱等家電。

　　3.智能電表

　　另一個節(jié)能功臣是智能電表，智能電表是實時向消費者傳達現(xiàn)在的電費、使用量，以及創(chuàng)能（光伏發(fā)電）、蓄能（電池的充電狀態(tài)）等情況，使家庭的能源供求狀況“可視化”的關(guān)鍵設(shè)備，稱得上是智能住宅的指揮塔。

　　三、IPv6技術(shù)助力住宅能源管理智能化

　　2012年6月6日，是全球IPv6網(wǎng)絡(luò)正式啟動日，借力該技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用，我們就可以把建筑里面的很多能源使用設(shè)備，如冰箱、窗簾、空調(diào)，打印機、路由器、電視機等所有的設(shè)備透過能源管理系統(tǒng)（EMS）通過一個網(wǎng)絡(luò)體系來實現(xiàn)智能化管理真正變成現(xiàn)實。或許當您一天勞累之后，駕車回家途中，您只需輕松設(shè)置車上的能源導(dǎo)航管理系統(tǒng)發(fā)出一個預(yù)約信號，就可以把住宅的熱水加熱到你想要的溫度。夏日炎炎，當你和客人去午餐時，您可以用手機提前發(fā)短信預(yù)約把車里的冷氣事先開啟到您想要的溫度。IPv6技術(shù)使得能源管理智能化、信息管理自動化、家居智能化等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得意如期實施。

　　 四、建筑創(chuàng)儲聯(lián)動新能源技術(shù)與市場培育

　　（一）、節(jié)能減排、光伏應(yīng)用技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展是強力推手

　　居民用電占全社會用電的12%以上，建筑能源開發(fā)與管理在全社會能源管理系統(tǒng)有著極其重要的位置。日本地震災(zāi)難實施“限電令”后，全社會顯著的節(jié)電效果給全世界做出了成功的榜樣。為推動光伏建筑一體化BIPV的應(yīng)用，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在《“十二五”建筑節(jié)能專項規(guī)劃》中指出：“十二五，新增可再生能源建筑應(yīng)用面積25億平方米，可形成常規(guī)能源替代能力3000萬噸標準煤”。也就是相當于742.6億度電,為2011年全社會用電量的1.58%，這些電力將主要來自光伏發(fā)電。

　　（二）、跨產(chǎn)業(yè)的技術(shù)集成,引導(dǎo)跨行業(yè)的市場成長

　　建筑光伏發(fā)電不能簡單地理解為自發(fā)自用直接并網(wǎng)，事實上，建筑光伏發(fā)電是一個用戶側(cè)自發(fā)自用的分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，尤其考慮到建筑智能管理系統(tǒng)，建筑能源管理系統(tǒng)，節(jié)能管理系統(tǒng)，安全管理系統(tǒng)等因數(shù)并借助IPv6技術(shù)的啟動實施，集成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、多種儲能技術(shù)方式并舉的儲能系統(tǒng)構(gòu)成的“創(chuàng)儲聯(lián)動智能建筑能源集成管理系統(tǒng)”將是低碳、環(huán)保、舒適建筑的未來發(fā)展方向。目前在日本，歐、美經(jīng)濟發(fā)達國家已在技術(shù)、政策、和市場體系中基本具備了推廣普及的基礎(chǔ)。國內(nèi)的比亞迪（BYD）等公司也有相應(yīng)的產(chǎn)品出口，我國在這方面正處在研究發(fā)展嘗試起步階段。

　　 (三)、市場培育的先決性因素

　　以建筑新能源研究為基礎(chǔ)的新能源產(chǎn)品市場的發(fā)展和成功將取決于下列幾個方面的因素：（1）用戶的高度環(huán)保意識；（2）政府的領(lǐng)導(dǎo)與推動力；（3）電力公司的舉措；（4）產(chǎn)業(yè)界的舉措；（5）經(jīng)濟發(fā)展程度。

　　太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已成為我國為數(shù)不多的、可以同步參與國際競爭、并有望達到國際領(lǐng)先水平的行業(yè)，由此也確立了我國太陽能光伏在全球市場的舉足輕重的戰(zhàn)略地位。光伏發(fā)展前期主要是集中在地面電站，屋頂電站、商業(yè)應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面取得飛速發(fā)展。隨著“平價上網(wǎng)”時間的來臨，將會加速發(fā)展建筑光伏一體化產(chǎn)業(yè)的開發(fā)應(yīng)用，尤其是與其它產(chǎn)業(yè)、專業(yè)學(xué)科技術(shù)的交叉縱深應(yīng)用（如電動汽車、儲能、建筑業(yè)、電子信息技術(shù)等）以及向家庭化，民用化方向發(fā)展應(yīng)用。目前主要是針對企業(yè)、機構(gòu)的政策支持和試點、示范應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，創(chuàng)儲聯(lián)動系統(tǒng)進入千家萬戶或“家電下鄉(xiāng)”是遲早的事情。這既需要產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新定型，也要政策的創(chuàng)新及扶持引導(dǎo)。

　　(四)、日本東京都中小企業(yè)的補助金制度的啟示

　　2012年2月，東京都決定擴充對于中小企業(yè)的補助金制度。補助金制度是指東京都政府下屬團體公益財團法人東京都中小企業(yè)振興公社的“自家發(fā)電設(shè)備采用費補助事業(yè)”。這項制度以幫助中小企業(yè)購買抑制電力需求所需的設(shè)備為目的，該制度的宗旨是“支持實踐‘電力自給型經(jīng)營’的中小企業(yè)”。補助的對象為“東京的中小企業(yè)及其集團”，提供補助的設(shè)備有5類：1.自家發(fā)電設(shè)備；2.熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備；3.蓄電池；4.需求監(jiān)控裝置；5.使用1～4需要的附加設(shè)備等。 
　　這項制度的補助率及補助額上限為，單獨的中小企業(yè)為項目經(jīng)費的3分之2以內(nèi)（最高為2000萬日元）。中小企業(yè)集團為項目經(jīng)費的4分之3以內(nèi)（最高為5、6億日元）?？蓪τ谥行∑髽I(yè)有很大幫助。

　　這個制度的可喜之處在于，不僅僅是對某個行業(yè)、某項技術(shù)的實施補助，而是鼓勵采用使用不同技術(shù)手段去達成一個共同的目標，鼓勵集成應(yīng)用，鼓勵跨行業(yè)、跨產(chǎn)業(yè)之間的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，鼓勵產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。

　　（本文作者：湖南共創(chuàng)光伏科技有限公司 文建華）