BIPV（“Building Integrated Photovoltaic”），即光伏建筑一体化技术，指光伏组件与屋面、墙体、遮阳等构件的一体化设计与制造技术。

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，可作为屋顶及墙体材料，承担外装饰、保温、防水等建筑功用，同时可以发电。当前，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，这其中最大的分布式应用场景必将是BIPV，这已成为了业界共识。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被开启。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。

“新能源房屋”，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。新能源房屋的核心技术至少应包括如下几个方面：

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、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，可以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，不断地有科研人员为这个方向而努力。他们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。而用石墨烯作为导电相材料发明的新型石墨导电混凝土却具有导电性优良、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。但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。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将下降。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，这为其在工程中实际应用并提高工程结构的功能性奠定了基础。

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，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，既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。

而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%。如果我们可以把身边的建筑物建造成一种储存能源的器件，那将对自然资源的枯竭、能源需求增加、燃料困难、能源不安全和全球气候变暖等问题起到一定的缓解作用。

由于目前锂离子电池和燃料电池面临以下问题：

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。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，研究人员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，研发出世界第一个可充电水泥电池，峰值电流输出达到10毫安，放电12小时后，通过165欧的电阻，电流输出仍有3.8毫安。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6.8瓦特小时每平方米（0.8瓦时每升）。

2021年11月，中国首个试验水泥电池构件研制并安装完成，这也是世界首个水泥储能墙体样品，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，有望解决新能源与建筑储能一体化的问题。

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，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。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（“Building Integrated Photovoltaic and Energy Storge”，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，还能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；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，未来将可望用于大型储能。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，可以大大简易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。

锂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。那么，锂电池等传统可充电电池是否可以做成建筑构件？这也是正在研究的一个新方向。将固态锂电池与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。这里面还有很多技术问题，包括安全、寿命、维修等问题需要解决。

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：

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。

这些组件具有以下优点：

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，比天然材料更耐用，外加光伏发电收益。目前外墙BIPV市场尚处于蓝海，如果得到广泛的推广应用，有望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，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为BIPVES一体化墙体构件，可以进行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。

综上所述，在一系列新技术的推动下，将装配式建筑、BIPV和未来的新型储能构件进行结合，将以往单纯的BIPV概念拓展为BIPVES理念，成为建筑+光伏+储能一体化，将新型储能电池和正在发展的光伏建筑一体化外墙集成，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，将形成巨大的市场需求。

本文首发于《南方能源建设》微信订阅号。第一作者为中能建绿色建材有限公司党委书记、董事长。