2022年，全世界極端天氣頻發(fā)，6月，印度西北部已經(jīng)熱得“起火”了，多地地表溫度已經(jīng)超過了60℃；7月10日，上海中心氣象臺10日下午發(fā)出高溫紅色預(yù)警信號，當(dāng)日最高氣溫達(dá)到40℃以上，7月13日，江蘇部分地區(qū)地表溫度達(dá)到65℃以上......
針對日益嚴(yán)峻的環(huán)境狀況，?巴黎協(xié)定? 把“全球平均溫升控制在相對工業(yè)革命前水平2℃之內(nèi)” 作為長期氣溫控制目標(biāo)，以減少氣候變化帶來的風(fēng)險和影響。
碳達(dá)峰及碳中和成為國家重大戰(zhàn)略部署，建筑作為能源消耗的三大“巨頭”之一，急需轉(zhuǎn)型發(fā)展，將綠色技術(shù)融入其中，尋求可持續(xù)的生產(chǎn)和消費方式。
隨著國家不斷提高新能源應(yīng)用的比例，太陽能在實際應(yīng)用中越發(fā)廣泛，在工業(yè)、民眾生活中的應(yīng)用日趨成熟。在國家“十三五”規(guī)劃中，發(fā)改委明確提出太陽能應(yīng)用在2020年和2030年達(dá)到占比一次能源比重15％，20％的目標(biāo)。
國家能源局下發(fā)的?關(guān)于報送整縣( 市、區(qū)) 屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知?提到：
黨政機關(guān)建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例不低于50％；
學(xué)校、醫(yī)院、村委會等公共建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例不低于40％；
工商業(yè)廠房屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例不低于30％；
農(nóng)村居民屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例不低于20％。
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等15部門聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于加強縣城綠色低碳建設(shè)的意見，提出“通過提升新建廠房、公共建筑等屋頂光伏比例和實施光伏建筑一體化開發(fā)等方式，?降低傳統(tǒng)化石能源在建筑用能中的比例?！?/span>
目前已有北京、天津、上海、重 慶、內(nèi)蒙古、浙江等多地發(fā)布光伏建筑一體化(BIPV) 未來 3~5年相關(guān)政策，?推動BIPV的大規(guī)模市場應(yīng)用、高質(zhì)量發(fā)展被提上議程，從國家到地方，光伏建筑一體化方興未艾，在“光伏＋”等政策鼓勵下，光伏建筑一體化將迎來蓬勃發(fā)展的時代。
光伏建筑一體化是一種將太陽能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，即通過建筑物屋頂和立面與 光伏發(fā)電集成起來，使建筑物本身能夠利用太陽能發(fā)電，以滿足自身用電需求。
BIPV最早在1986年由世界能源組織首次提出，由于發(fā)展得早，BIPV技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)應(yīng)用得很成熟，而我國在這方面起步較晚 ，在國家相關(guān)政策的支持下才進(jìn)入了快速發(fā)展期。
本文對BIPV的發(fā)展歷程進(jìn)行了全面綜述，并結(jié)合國內(nèi)外不同地區(qū)的實際案例詳細(xì)分析了此項技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，并提出了BIPV未來的發(fā)展方向。
根據(jù)與建筑結(jié)合方式不同，光伏系統(tǒng)( PV System) 可分為兩大類，如表1所示。?
PV?的分類
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分類
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優(yōu)點
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缺點
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BAPV
（結(jié)合式）
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改造容易、投資低、施工要求低
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視覺效果不美觀，
可能對室內(nèi)環(huán)境有負(fù)面影響
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BIPV
（集成式）
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兼具 發(fā) 電 和 建 筑 結(jié) 構(gòu) 作用、
滿足建筑美學(xué)要求
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設(shè)計和施工要求高，
技術(shù)研發(fā)難度大
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一類是BAPV( Building Attached Photovoltaic) ，即光伏方陣與建筑的結(jié)合，這種方式是在建筑物表面安裝光伏發(fā)電設(shè)備，建筑物作為光伏方陣載體，起支撐作用，BAPV一般是建筑物建好之后安裝的光伏系統(tǒng)。
然而大多數(shù)建筑在前期設(shè)計上不會考慮是否采用光伏系統(tǒng)，故后期存在重復(fù)施工的問題，也會浪費建筑材料。BAPV 在結(jié)構(gòu)上會增加荷載，美觀上影響建筑的整體效果。
另一類是 BIPV，即光伏建筑一體化，簡單地講就是將太陽能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來提供電力，這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現(xiàn)，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。
BIPV示意圖
在這兩種方式中，BAPV作為光伏方陣與建筑的結(jié)合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結(jié)合，由于不占用額外的地面空間，是光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市中廣泛應(yīng)用的最佳安裝方式，因而倍受關(guān)注。
BIPV作為光伏方陣與建筑的集成是一種高級形式，?它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求同時還要兼顧建筑結(jié)構(gòu)的基本功能要求，未來這種方式有廣大的發(fā)展前景。
BAPV 更多是通過安裝的方式對建筑進(jìn)行改造，而BIPV中光伏組件作為建筑的一部分融合在一起，既能發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用也能發(fā)揮光伏發(fā)電效果，做到真正的一體化。
BIPV系統(tǒng)可以根據(jù)客戶的需求，部分或整體替換建筑物的某個構(gòu)件，BIPV的安裝形式應(yīng)由地 區(qū)氣候條件、建筑物本身結(jié)構(gòu)特點和光伏組件性能一起決定。同時，根據(jù)安裝地點的實際用電情況，在系統(tǒng)發(fā)電過剩時，可以使用儲能系統(tǒng)或者余電上網(wǎng)，實現(xiàn)自給自足。在系統(tǒng)發(fā)電能力不足時，可以使用電網(wǎng)的電能來滿足建筑物的用電需求。
采用光伏組件作為建筑玻璃幕墻，不僅可以保持建筑原有的功能性、安全性以及美觀需求 ，還能通過全年發(fā)電提供電能，同時太陽能轉(zhuǎn)換的熱能可滿足建筑的季節(jié)性能源需求。
固德威光伏幕墻??
在供暖季節(jié)產(chǎn)生熱空氣減少建筑的熱負(fù)荷，在非供暖季節(jié)產(chǎn)生熱水來滿足家庭需求。并且光伏組件內(nèi)的水循環(huán)能降低光伏幕墻的溫度， 從而使系統(tǒng)始終保持良好高效的運行性能。國內(nèi)著名的光伏幕墻工程有北京世園會中國館、嘉興火車站等。
將光伏構(gòu)件鋪設(shè)在屋頂，形成光伏屋面，一般有兩種形式:第一種是常規(guī)分布式光伏屋面，這種形式是在已經(jīng)建成的屋面鋪設(shè)太陽能板；第二種是瓦片式光伏屋面，這種方式使用太陽能瓦片取代建筑物常規(guī)瓦片，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接成為屋面的一部分，不僅承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，還扮演常規(guī)瓦片的結(jié)構(gòu)支撐作用。
固德威光伏屋面展示圖
除了以上兩種應(yīng)用最廣泛的形式，還有其他一些形式，比如百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)、窗間式光伏發(fā)電系統(tǒng)、遮陽棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)等等。綜合來看，所有的BIPV安裝形式都是根據(jù)氣候條件、建筑物特點和業(yè)主要求來確定的，在進(jìn)行應(yīng)用時，應(yīng)做到因地制宜，綜合考量發(fā)電效率、碳排放等各種因素之后采用綜合收益最大的方案。
目前的研究主要關(guān)注實際應(yīng)用中BIPV系統(tǒng)綜合影響因素、BIPV系統(tǒng)效率提升方法、BIPV發(fā)展前景和技術(shù)挑戰(zhàn)、市場份額的刺激政策等方面，主要包括以下幾方面:
1）BIPV組件作為建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如幕墻鋁制框等)時，產(chǎn)生的裂縫對整個發(fā)電系統(tǒng)的影響。
2）在一些高樓密度大的城市區(qū)域，云層、霧 霾、周圍建筑物的遮蔽會影響實時光照輸入，從而使得BIPV實際輸出效率與模型計算值有偏差。
3）在BIPV組件上保持合理的溫度范圍，提高它們的效率，并通過減少熱循環(huán)和應(yīng)力來延長 其工作壽命，增加輸出發(fā)電量。
4）基于不同種類的材料，例如電池、相變材料( PCM)組件等，提出了多種余電存儲解決方案。在使用電池的情況下，需要考慮的因素有材料制造工程、電解質(zhì)意外釋放、毒性釋放、易燃、 降解和報廢管理等。有些PCM材料具有腐蝕性，火災(zāi)隱患以及潛在的高毒性也是需要考慮的因素。
5）應(yīng)該根據(jù)不同城市實際情況推進(jìn)城市BIPV系統(tǒng)項目的實施，并且根據(jù)建筑物高度以及周圍建筑物密度來判斷使用何種BIPV。研究表明對于地處空曠區(qū)域較矮的建筑，光伏瓦片和光伏屋頂有最大發(fā)電潛力。然而，對于有高密度的高層和玻璃建筑的區(qū)域，光伏幕墻的潛力更為突出。
6）大量實例證明BIPV的運用能緩解對環(huán)境帶來的不利影響，除了量化緩解的程度以外，還 應(yīng)考慮經(jīng)濟可行性，其中包括如何降低混合動力系統(tǒng)整個生命周期內(nèi)的電力消耗總成本、延長BIPV組件的壽命以及如何實現(xiàn)綠色回收等。
7）通過將建筑物的角色從能源消費者轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉瓷a(chǎn)者，在發(fā)達(dá)國家建立近零能耗城市需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)以及程度，厘清實現(xiàn)這一目標(biāo)的挑戰(zhàn)，以及有哪些利益相關(guān)者參與了這些挑戰(zhàn)。
BIPV 發(fā)展如此迅猛，與它本身具有很多優(yōu)點密不可分，總結(jié)起來主要有以下幾點:
光伏建筑一體化利用的是太陽能發(fā)電，太陽能作為最清潔干凈的可再生能源，不會對生態(tài)環(huán) 境造成污染。在對BIPV組件進(jìn)行的生命周期評估中，模擬數(shù)據(jù)表明BIPV組件從獲取原材料，生產(chǎn)、使用直至廢棄的整個過程的年度碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)能源發(fā)電，并且隨著光伏儲能系統(tǒng)的技術(shù)成熟，相信能夠進(jìn)一步降低BIPV的碳排量。
BIPV 的使用將提高建筑物的整體能源效率，就地發(fā)電可以最大限度地減少輸配電損耗， 提高電力輸出效率，最終降低太陽能發(fā)電的成本。
光伏發(fā)電儲能一體機
與安裝面積有限的傳統(tǒng)太陽能電池板(BAPV)不同，BIPV系統(tǒng)不需要額外的土地面積，因為它們?nèi)〈藗鹘y(tǒng)的建筑材料，充分利用了建筑物外表面的空間，讓更多的建筑類型能夠使用太陽能發(fā)電。
固德威BIPV展示圖
雖然近年來BIPV產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國家和地方也出臺了很多支持政策，但總體來看，其商業(yè)化程度仍然不是很高，僅占光伏應(yīng)用的1％~3％。造成這種困境的原因如下:
BIPV最常見的問題是供需不匹配問題，太陽輻射在中午達(dá)到峰值時所產(chǎn)生的太陽能最高， 然 而由于人們現(xiàn)代生活的用電模式，午時的用電率一般較低，用電高峰期是在太陽能不再可用的日落之后，這導(dǎo)致了當(dāng)用電需求較高時，僅僅依靠太陽能無法滿足生產(chǎn)生活需求，當(dāng)用電需求較低時，額外的電力被輸送到電網(wǎng)中，從而造成供需不匹配，形成鴨子曲線。
光伏發(fā)電數(shù)字化管理
研究表明為了彌補用電高峰期的需求，電網(wǎng)供電無法靈活響應(yīng)太陽能供應(yīng)的快速起伏，關(guān)閉和重新啟動發(fā)電機不僅在經(jīng)濟上不可行，而且會產(chǎn)生額外的碳排放。
在空氣污染嚴(yán)重地區(qū)，灰塵積累成了影響光伏組件性能的一個重要因素。使用傳統(tǒng)的人力很難解決這個問題，因為BIPV的大小、陣列或建筑物高度的變化會使得清潔工作更為復(fù)雜。
光伏車棚
目前市面上很少有除塵機器人能夠很好的解決BIPV組件清潔的問題。BIPV專用的清潔工具需要在設(shè)計階段考慮實際操作、能耗、滑動等因素。同時，BIPV作為建筑物的構(gòu)件，一旦出現(xiàn)問題，維修過程會影響建筑物的正常使用，因此對 BIPV組件或系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性要求極高， 目前的制造水平還有待提高。
在對BIPV系統(tǒng)進(jìn)行的耐火試驗和玻璃破碎試驗中， 分別測試了BIPV作為建筑物不同組成部分的耐火特性，結(jié)果表明當(dāng)BIPV作為屋頂和幕墻時有較高的火災(zāi)風(fēng)險，這是因為接線盒和串 接器中的電弧是極度易燃的，一旦暴露于建筑物外部的火源將會造成嚴(yán)重后果。
在國際規(guī)范IEC 63092里涵蓋了與BIPV相關(guān)的電氣技術(shù)、結(jié)構(gòu)以及安全的要求，但由于缺少 實際設(shè)計中的指導(dǎo)建議以及BIPV/T(Building Integrated Photovoltaic / Thermal)和供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)HVAC(Heating，Ventilation and Air Conditioning)集成的相關(guān)信息，造成的“灰色地帶”可能存在未意識到的隱患。
目前常用的BIPV測試是由IEC(International Electrical Technical Commission，IEC 61215)和UL (Underwriter Laboratories Inc，UL1703)規(guī)定的。然而，一些重要的測試，比如沖擊、推力、溫度循環(huán)和火災(zāi)危險性測試沒有包括在IEC 61215中，又比如紫外線和低輻照度測試沒有包括在UL1703中。
光伏建筑較一般建筑來說建造成本較高，這是造成該技術(shù)在我國發(fā)展困難的主要因素。從光伏發(fā)電的電價成本來看，除政府補貼收入外，還受到裝機成本、光照條件、投資回收期和運營維護(hù)費用等因素的影響。
另外，大多數(shù)已經(jīng)投入使用的BIPV系統(tǒng)都是根據(jù)建筑物獨特的特征定制設(shè)計的，比如建筑的類型、位置、方向、氣候等，對于之后的設(shè)計，現(xiàn)有系統(tǒng)無法作為參考或套用，這也增加了設(shè)計成本。
光伏組件在實際設(shè)計施工過程中涉及多個技術(shù)環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都需要對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。若同時考 慮回報率和一體化水平的因素，則需要制定一套標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)。
光伏建筑設(shè)計需要考慮陰影與遮蔽的問題。相關(guān)研究表明，光伏熱斑對光伏電池的影響嚴(yán)重，即使有小部分被遮蔽也能造成很高的能量損失，為了解決此問題，應(yīng)仔細(xì)確定安裝光伏組件的地點。
目前PVSOL ，RETScreen ，PVSystem 等光伏設(shè)計軟件已能結(jié)合不同地區(qū)的天氣日照信息計算出組件的最佳斜角，然而BIPV的計算需要更多考慮周邊環(huán)境帶來的影響，例如在建筑立面上的最佳布置地點、最優(yōu)角度和朝向、經(jīng)濟可行性等。
BIPV 發(fā)展的最大阻礙是其高昂的成本，BIPV系統(tǒng)的初始成本包括逆變器、儲能系統(tǒng)或電網(wǎng)計量連接設(shè)備、故障保護(hù)、布線等成本，以及設(shè)計和安裝的費用。相信未來隨著技術(shù)逐漸成熟，BIPV 的設(shè)計以及產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化會降低成本費用。
另外 ，能獲得一個光伏發(fā)電上網(wǎng)的固定電價也能使成本降低，BIPV在實際工程中的應(yīng)用亦會更普及。
將 BIPV 作為產(chǎn)品投入市場并得到廣泛使用首先需要建立完善的配套維護(hù)設(shè)施和方案，例如清潔機器人、檢修設(shè)備、故障應(yīng)急預(yù)案等。建議制造商根據(jù)他們的目標(biāo)市場開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品， 并且光伏組件作為建筑的一部分最終旨在服務(wù)于人，節(jié)能環(huán)保的同時也要保證居住舒適度 ， 比如在組件故障時如何通過儲備供電方案不影響居民正常用水用電也是需要考慮的。
參考資料：光伏建筑一體化(BIPV ) 應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景，互聯(lián)網(wǎng)等。
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：光伏建筑一體化(BIPV ) 應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景
