From BIPV (Building Integrated Photovoltaic) to BIPVES (Building Integrated Photovoltaic and Energy Storage)

BIPV是将光伏组件作为建筑材料中可发电的部分制作成为建材化构件，可做为屋顶及墙体材料，承担外装饰、保温、防水等建筑功用，同时可以发电。当前，在瞄准碳中和、推动碳达峰成为热议话题，随着全球多个国家制定和出台碳中和目标和零碳建筑相关技术标准，未来的建筑将最终实现未来碳的“双控”，清洁能源的开发利用成为了即将再次爆发的产业风口^[1-2]。这其中最大的分布式应用场景必将是BIPV，且已经成为业界的共识。各地BIPV项目需求如雨后春笋般大批量出现，BIPV的万亿级巨大市场已经开启。各组件生产企业都在积极借鉴国内外应用经验、探索适合自身实际的发电玻璃与建筑材料有机融合的应用方案。

蒋洋在2012年提出了“新能源房屋”的理念^[3]，即将光伏等可再生能源与储能、新型建筑结构体系、高性价比保温隔热材料及构件、智能化能源管理系统结合，成为创能、节能、储能、智能一体化功能的新型房屋系统，并指出：新能源房屋的核心技术应至少包括如下几个方面：（1）太阳能建筑一体化技术，包括光伏、光热组件与屋面、墙体乃至遮阳等构件的一体化设计与制造技术；（2）高效低成本储能技术，包括高效电池、蓄热/蓄冷材料；（3）建筑节能技术；（4）房屋一体化集成制造技术；（5）能量智能化网络管理技术。只有上述材料和技术实现一体化融合，才能实现工厂化制造、装配式安装，进一步降低成本和碳排放，实现大规模应用和推广。但现有的材料和技术仍存在较多局限性，不能满足一体化融合和双碳目标的需求。例如，储能部分作为光伏和风电等新能源装机消纳的卡脖子环节，对光伏和风电装机目标的达成，乃至“碳达峰”和“碳中和”目标的实现，已经越来越重要，问题也越来越突出。现有的储能方案基本上是在建筑内部安装锂电池器件，而现有锂电池储能技术和装备由于成本高、安全性差（起火、爆炸事件层出不穷）、产业链污染，还占用了相当多的室内空间。尤其是国家锂、钴等矿产不足和稀缺等问题，已经对未来国家新能源装机规模形成了制约，成为我国实现双碳目标的卡脖子环节。

使用建筑物作为能源来源和存储的概念可能是革命性的，通过提供大量的能源存储设施来促进新能源的消纳，解决能源危机。由于建筑物结构体积大，即使单位体积的能量不高，储能的容量也是很高的。

要使得水泥储电，首先要解决导电问题。在过去的几十年里，不断的有科研人员为这个方向而努力。赵文艳等^[4]将石墨掺加到导电混凝土中后，发现含量不同的石墨会降低混凝土的抗压强度。黄永辉等^[5]将石墨烯作为导电相材料发明1种新型石墨导电混凝土，这种混凝土具有导电性优良、力学强度高、电阻率稳定和寿命长等优点。可以解决普通石墨导电混凝土强度低，耐久性差的问题。杨玉山等^[6]在混凝土中掺加16.9%的石墨，混凝土电阻率降低至200 Ω·cm。石墨掺量较高时，导电混凝土虽然具有良好的导电性能，但是抗压强度随石墨掺量增加而急剧下降。因此，石墨导电混凝土只适用于电力接地和实现电热功能等对力学性能要求较低的情况。

碳纤维导电混凝土拥有良好的电热性能和力学性能。李红英等^[7]将碳纤维掺入混凝土，所制造出来的导电混凝土具有十分良好的导电性和抗折强度；但随着碳纤维掺入的不断增加，导电混凝土的抗折强度在下降。Liu等^[8]发现使用半干混合法和纤维素醚对碳纤维有良好的分散效果。并且对导电混凝土在实验室和现场的性能进行了比较，结果表明导电混凝土在现场施工中具有良好的工作性能、较高的强度和较低的电阻率。周文键等^[9]以碳纤维作为导电基元材料，制备了一种导电性能良好的碳纤维导电混凝土，并利用羧甲基纤维素钠（CMC）改善碳纤维在混凝土中的分散性。研究发现所制备的碳纤维导电混凝土具有纤维分散性好、电阻率低且稳定、施工方便等特点，为工程中应用碳纤维导电混凝土、提高工程结构的功能性提供了基础。吴献等^[10]将炭黑掺入混凝土中通过增加炭黑的百分含量，降低炭黑粒子间的距离，使得炭黑粒子在混凝土内部形成一个完全相互连接的联通的导电网络，让混凝土内部的导电形式以炭黑粒子导电为主，并且随着炭黑粒子导电网络的形成，混凝土内部水化反应对混凝土的导电影响逐渐减少。

由于单一导电相导电混凝土存在制作成本高、稳定性差、强度不够等缺点^[11-12]，因此，目前学者着眼于研究复合相导电混凝土。学术界有大量学者将钢纤维与石墨共同作为导电混凝土的导电填料。研究发现，掺加石墨和钢纤维两种导电材料，钢纤维会连接由石墨形成的导电链团，提高混凝土的导电性能，同时混凝土的塑性和抗压强度也得到了保证，混合掺加钢纤维和石墨，避免了石墨因自身片状结构和片状连接增大混凝土的脆性，同时也减少了钢纤维用量较大导致纤维聚团现象，可获得力学与电学性能均较好的导电混凝土^[13]。

导电性优良的导电混凝土可以用来做水泥基电池。建筑行业占总能源消耗的40%，占大气排放的40%，占原材料使用的30%，占用水的25%^[14]。如果我们可以把身边建筑物建造成1种储存能源的器件，那将对自然资源的枯竭、能源需求增加、燃料困难、能源不安全和全球变暖起到一定的缓解作用^[15]。

目前，锂离子电池和燃料电池面临以下问题：（1）在电解质为液体的通常情况下，与电解质相关的安全（泄漏）和环境问题；（2）大量使用钴、锂等稀有金属，成本高昂；（3）安全性差，时有起火爆炸；（4）由于尺寸和质量的限制，可以提供的能量有限。为了解决上述问题，Meng等^[16]以水泥膏体为基体，水泥中的孔隙溶液为电解质，分散在基体中的锌颗粒为阳极，分散在基体中的二氧化锰颗粒为阴极，分散在基体中的炭黑作为正极和阴极区域的导电添加剂。电解液在整个电池中是连续的，该电池由先后铸造和共固化的阳极、电解液和阴极层组成。功率输出达1.4μ W/cm²，容量达0.2 mAh。为了用电池模块取代桌面电源，一些科研人员正在努力提高单块电池的电流与功率。Byrne等^[17]发现密封电池提供了更好的电阻负载电流(0.101 mA)。密封块的相对湿度平均比未密封块高1%。相对湿度每增加1%，未密封和密封电池的电流分别增加0.01 mA和0.02 mA。通过增加单块电池的数量，有效地极化腐蚀过程中产生的内部电流。

以往关于水泥基电池的研究主要集中在不可充电类型，即电化学过程定义的不可充电类型，2021年5月，张晴楠等^[18]通过将阳极活性物质和阴极活性物复合到碳纤维网上，以水泥基材料作为电池核心材料，研发出世界第1个可充电水泥电池（图1），峰值电流输出达到 10 mA，放电12 h后，通过165 Ω的电阻，电流输出仍有3.8 mA。单体电池连续测试6个轮次，所有轮次电池充放电性能均表现稳定，平均能量密度达到6.8 Wh/m² (0.8 Wh/L²)。2021年11月，蒋洋、张晴楠等研制并安装完成中国首个试验水泥电池构件，也是世界首个水泥储能墙体样品（图2），通过活性层与纤维的复合，既能提升电池能量输出，又加固了水泥力学结构，展现了新材料使可反复充电式水泥变为现实的前景（图3），有望解决新能源与建筑储能一体化的问题。

Figure 1.  Rechargeable cement-based battery

Figure 2.  Sample of the world's first cement energy storage wall

Figure 3.  Integration of new energy and building energy storage

可充电水泥电池坚固耐用，对过放充电耐受性高；原料来源广泛；使混凝土建筑物、桥梁、道路、风光电站的水泥基础等都有变成巨大的能源储存设施的潜力（图3），安全、廉价，有助于解决目前新能源推广和应用的瓶颈，刺激电力能源基础设施的重构，帮助国家早日实现双碳目标。

通过设计，团队将光伏外墙板设置在外墙面上，预埋件设置在墙体内，可充电水泥电池构件设置在墙体内，与所述墙体构成一体式结构或结构组合，光伏外墙板通过预埋件与可充电电池构件电连接，可充电电池构件用于为用电设备供电^[18]。这样，未来的建筑墙体，将可以集光伏发电装置、储放电装置于一体，具有光伏发电、储电以及供电的功能，形成建筑构件与光伏、储能一体化的变革。我们将其进一步命名为BIPVES，即光伏储能建筑一体化。

水泥作为建筑墙体常用的建筑材料，其固化后强度高，可有效保证建筑墙体的坚固性。水泥预制墙体可由模板预制，其形状、厚度、尺寸大小可以根据设计需求在工厂中预制，做成装配式建筑墙体，有利于提高建筑施工效率，水泥预制墙体还可以根据实际的需要设置成多种形状、厚度及尺寸，以便于更好地适应多种建筑墙体的需求。可充电式储能水泥电池构件的主要材料为水泥基材料，可方便地做成板、块等结构，更好地与建筑复合墙体融合，成为墙体结构的一部分，实现可充电电池构件与墙体的一体化，还起到一定的结构功能，和其它构件一起达到墙体结构的强度要求。储能水泥电池构件的材料来源广泛，工业量产化程度高，整个产品成本可望十分低廉^[19]；再者，相对于商用锂电池从材料结构设计角度有更高的安全性能，不会起火、爆炸，并且耐过充放，耐短路，随着技术指标的提升，未来将有望用于大型储能。通过在预制墙体内设置预埋件，通常为钢筋龙骨等高强度金属制品，可以为水泥预制墙体提供额外强度支撑。预埋件一端与可充电式储能水泥电池构件连接，另一端连接或挂装光伏外墙板并实现相关安装，预埋件也可以同时传导电能，光伏外墙板可以通过特殊内部设计，将光伏发电产生的电能通过预埋件传输给可充电电池构件并用于储存。这样，可以大大简化电线安装以及节省电传导所用物料成本，最后实现当前光伏外墙组件安装成本的综合性降低。

建筑墙体中的可充电电池构件可以进一步与用电设备连接，为用电设备提供电能，使设备正常运转。这类建筑墙体将具有光伏发电、储电以及供电的多种功能，可以充分利用太阳能并平衡发电波动，节省能源消耗，实现低碳环保用电（图4）^[20]。

Figure 4.  Illustration of building wall integrated with photovoltaic power generation and building energy storage

电池能量密度比较高，重量轻，广泛应用于数码产品如手机、笔记本电脑等产品，在新能源汽车领域也有广泛的应用^[21-22]。那么，锂电池等传统可充电电池是否可以做成建筑构件？刚才我们已经提到其安全是1个核心问题。这也是我们正在研究的1个新方向。固态锂电池和当前主流的液态或半固态电解质锂电池相比，安全性明显提升。我们将固态锂电池与防火建筑材料结合，制成锂电池构件设置在墙体内部，光伏外墙板通过预埋件与锂电池构件正负极通路，从而实现电能传输，将外墙光伏电或电网低谷电存储到墙体中，在用电高峰时释放使用，平衡电网电力，也做出了如图4的样品，能量密度和可充放次数性能优于水泥电池。但这里面还有很多技术问题，包括寿命、维修等问题需要解决，安全性也需要进一步提高。

近年来，光伏建筑一体化材料和技术取得了一系列发展，但仍存在很多问题。除了构件体系和标准规范亟待尽快完善外，还包括：

1）传统光伏组件外观差，建筑设计师不愿意选用其作为外墙。

2）彩色光伏组件技术尚处于初期，光损耗较高，造成组件效率低下。

3）还未真正实现顾客定制化、未实现高档花纹。

4）传统丝网印刷制造的彩色光伏组件在审美上偏低俗，色彩土艳，贼光居多。

光伏外墙板应根据各地特点与需求，兼具装饰、封装等功能。光伏外墙板的外表面除传统黑色之外，还可以有多种纹路图案和颜色，多种色彩、多种纹路图案的光伏外墙板作为建筑墙体的外立面装饰件，同时具备发电和装饰的功能，成为“挂在外墙上的油田”，可以节省建筑外立面装饰材料的成本，助力清洁能源在建筑外立面的应用和推广，从而降低建筑物碳排放。

团队通过对设备和材料的跨界创新，实现了在玻璃表面打印高清晰度、高光透率图案和花纹的技术，可以制造出各类逼真木纹、大理石、砖墙效果的组件——光伏锦石，如图5所示：

Figure 5.  A new generation of high-efficiency photovoltaic building materials with wood, marble and other patterns

1）高端：相对于传统建筑装饰材料更高档，颜色图案可以定制。

2）高效：特殊打印材料和工艺技术，相比其他装饰性光伏组件产品光透过率大大提升，保持全球最高的发电效率。

3）高性价比：1种产品、3种功能（外墙板材+建筑外装饰+光伏发电）。

这种特殊打印技术同时适用于各类晶硅与薄膜等光伏组件，长期稳定性好，比天然材料增加了光伏发电收益，如表1所示。以一幢位于上海的中型（12层）商务办公楼为例，建筑总表面积5 700 m²，光伏外墙安装总面积2 949 m²。预计安装光伏锦石组件，将比进口天然大理石，节省初始投资10万元~120万元，并通过发电额外节省用电成本540万元~814万元，二氧化碳减排3 921~5 322 t，共可节省投资及运营费用550万元~870万元（不含碳减排交易收益）。目前外墙BIPV市场尚处于蓝海，如果得到广泛的推广应用，将让建筑物从能耗和排放大户变为清洁能源发电厂，让建筑外墙成为蓝天下的油田。

目前，蒋洋团队正在研发预制式储能墙体，并和各类钢结构装配式建筑体系进行结合，实现订制式生产、装配式施工。

通过在类复合墙板制造过程中预制预埋件，直接挂装光伏建材组件，和光伏外墙组合成为BIPV产品，如图6所示。再和前述水泥基储能电池、新型钢结构装配式建筑结构体系进一步集成成为BIPVES一体化墙体构件。通过工厂化制造和装配式安装，不仅提高效率，降低人力、物力成本，还提升了建筑美观度，降低了建筑碳排放，真正实现了光伏和储能等可再生能源技术在建筑中的一体化集成，取得成本收益的最大化。

Figure 6.  Integration of prefabricated wall components with embedded parts and photovoltaic marble components

本文介绍了一系列新技术的进展，包括团队制备出世界首个可充电水泥电池的情况，以及通过研制新型打印工艺和打印介质，实现了在玻璃上打印高清晰度、高透光率花纹和图案，制造出高效、高装饰效果的光伏建材的技术。结合以上进展，提出了在设计和制造上进一步继续跨界融合创新，形成建筑构件与光伏、储能一体化的变革，提出将可充电电池构件、光伏外墙板与装配式建筑墙体及预埋件进行组合集成并推广应用的可行性，拓展了以往单纯的BIPV概念，将其进一步命名为BIPVES，即光伏储能建筑一体化。

展望未来，通过将装配式建筑、BIPV和未来的新型储能构件进行集成，使得建筑物同时具备自发电和储电功能，这一创新将房屋建筑从被动节能为主，全面走向被动+主动双节能，辅以智能能源管理系统，既可实现离网运行，也能与城市电网进行良好的耦合，真正实现建筑智慧化、灵活化和低碳化，推动建筑物从碳排放大户向清洁能源生产大户的转变，将形成巨大的市场需求。