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(guò)了60℃；7月10日，上海中心氣象臺(tái)10日下午發(fā)出高溫紅色預(yù)警信號(hào)，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(duì)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(duì)工業(yè)革命前水平2℃之內(nèi)” 作為長(zhǎng)期氣溫控制目標(biāo)，以減少氣候變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和影響。碳達(dá)峰及碳中和成為國(guó)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(fèi)方式。
隨著國(guó)家不斷提高新能源應(yīng)用的比例，太陽(yáng)能在實(shí)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(guó)家“十三五”規(guī)劃中，發(fā)改委明確提出太陽(yáng)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(guó)家能源局下發(fā)的?關(guān)于報(bào)送整縣( 市、區(qū)) 屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)試點(diǎn)方案的通知?提到：黨政機(jī)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(huì)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(mén)聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于加強(qiáng)縣城綠色低碳建設(shè)的意見(jiàn)，提出“通過(guò)提升新建廠房、公共建筑等屋頂光伏比例和實(shí)施光伏建筑一體化開(kāi)發(fā)等方式，?降低傳統(tǒng)化石能源在建筑用能中的比例。”
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(lái) 3~5年相關(guān)政策，?推動(dòng)BIPV的大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用、高質(zhì)量發(fā)展被提上議程，從國(guó)家到地方，光伏建筑一體化方興未艾，在“光伏＋”等政策鼓勵(lì)下，光伏建筑一體化將迎來(lái)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。光伏建筑一體化是一種將太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，即通過(guò)建筑物屋頂和立面與 光伏發(fā)電集成起來(lái)，使建筑物本身能夠利用太陽(yáng)能發(fā)電，以滿(mǎn)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(guó)家和地區(qū)已經(jīng)應(yīng)用得很成熟，而我國(guó)在這方面起步較晚 ，在國(guó)家相關(guān)政策的支持下才進(jìn)入了快速發(fā)展期。本文對(duì)BIPV的發(fā)展歷程進(jìn)行了全面綜述，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)的實(shí)際案例詳細(xì)分析了此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了BIPV未來(lái)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(lèi)，如表1所示。?PV?的分類(lèi)
分類(lèi) | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
BAPV （結(jié)合式） | 改造容易、投資低、施工要求低 | 視覺(jué)效果不美觀， 可能對(duì)室內(nèi)環(huán)境有負(fù)面影響 |
BIPV （集成式） | 兼具 發(fā) 電 和 建 筑 結(jié) 構(gòu) 作用、 滿(mǎn)足建筑美學(xué)要求 | 設(shè)計(jì)和施工要求高， 技術(shù)研發(fā)難度大 |
一類(lèi)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(jì)上不會(huì)考慮是否采用光伏系統(tǒng)，故后期存在重復(fù)施工的問(wèn)題，也會(huì)浪費(fèi)建筑材料。BAPV 在結(jié)構(gòu)上會(huì)增加荷載，美觀上影響建筑的整體效果。
另一類(lèi)是 BIPV，即光伏建筑一體化，簡(jiǎn)單地講就是將太陽(yáng)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(lái)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(jí)形式，?它對(duì)光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿(mǎn)足光伏發(fā)電的功能要求同時(shí)還要兼顧建筑結(jié)構(gòu)的基本功能要求，未來(lái)這種方式有廣大的發(fā)展前景。BAPV 更多是通過(guò)安裝的方式對(duì)建筑進(jìn)行改造，而B(niǎo)IPV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(hù)的需求，部分或整體替換建筑物的某個(gè)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(diǎn)和光伏組件性能一起決定。同時(shí)，根據(jù)安裝地點(diǎn)的實(shí)際用電情況，在系統(tǒng)發(fā)電過(guò)剩時(shí)，可以使用儲(chǔ)能系統(tǒng)或者余電上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自給自足。在系統(tǒng)發(fā)電能力不足時(shí)，可以使用電網(wǎng)的電能來(lái)滿(mǎn)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(guò)全年發(fā)電提供電能，同時(shí)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的熱能可滿(mǎn)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(lái)滿(mǎn)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(yùn)行性能。國(guó)內(nèi)著名的光伏幕墻工程有北京世園會(huì)中國(guó)館、嘉興火車(chē)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(yáng)能板；第二種是瓦片式光伏屋面，這種方式使用太陽(yáng)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(yáng)棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)等等。綜合來(lái)看，所有的BIPV安裝形式都是根據(jù)氣候條件、建筑物特點(diǎn)和業(yè)主要求來(lái)確定的，在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，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(shí)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(chǎng)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(shí)，產(chǎn)生的裂縫對(duì)整個(gè)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?chē)ㄖ锏恼诒螘?huì)影響實(shí)時(shí)光照輸入，從而使得BIPV實(shí)際輸出效率與模型計(jì)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(guò)減少熱循環(huán)和應(yīng)力來(lái)延長(zhǎng) 其工作壽命，增加輸出發(fā)電量。4）基于不同種類(lèi)的材料，例如電池、相變材料( PCM)組件等，提出了多種余電存儲(chǔ)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(bào)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(shí)際情況推進(jìn)城市BIPV系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施，并且根據(jù)建筑物高度以及周?chē)ㄖ锩芏葋?lái)判斷使用何種BIPV。研究表明對(duì)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(duì)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(shí)例證明BIPV的運(yùn)用能緩解對(duì)環(huán)境帶來(lái)的不利影響，除了量化緩解的程度以外，還 應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)可行性，其中包括如何降低混合動(dòng)力系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)的電力消耗總成本、延長(zhǎng)BIPV組件的壽命以及如何實(shí)現(xiàn)綠色回收等。7）通過(guò)將建筑物的角色從能源消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉瓷a(chǎn)者，在發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)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(diǎn)密不可分，總結(jié)起來(lái)主要有以下幾點(diǎn):光伏建筑一體化利用的是太陽(yáng)能發(fā)電，太陽(yáng)能作為最清潔干凈的可再生能源，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán) 境造成污染。在對(duì)BIPV組件進(jìn)行的生命周期評(píng)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(gè)過(guò)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(chǔ)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(yáng)能發(fā)電的成本。
光伏發(fā)電儲(chǔ)能一體機(jī)
與安裝面積有限的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板(BAPV)不同，BIPV系統(tǒng)不需要額外的土地面積，因?yàn)樗鼈內(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(lèi)型能夠使用太陽(yáng)能發(fā)電。
固德威BIPV展示圖
雖然近年來(lái)BIPV產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國(guó)家和地方也出臺(tái)了很多支持政策，但總體來(lái)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(jiàn)的問(wèn)題是供需不匹配問(wèn)題，太陽(yáng)輻射在中午達(dá)到峰值時(shí)所產(chǎn)生的太陽(yáng)能最高， 然 而由于人們現(xiàn)代生活的用電模式，午時(shí)的用電率一般較低，用電高峰期是在太陽(yáng)能不再可用的日落之后，這導(dǎo)致了當(dāng)用電需求較高時(shí)，僅僅依靠太陽(yáng)能無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)生活需求，當(dāng)用電需求較低時(shí)，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(bǔ)用電高峰期的需求，電網(wǎng)供電無(wú)法靈活響應(yīng)太陽(yáng)能供應(yīng)的快速起伏，關(guān)閉和重新啟動(dòng)發(fā)電機(jī)不僅在經(jīng)濟(jì)上不可行，而且會(huì)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(gè)重要因素。使用傳統(tǒng)的人力很難解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)锽IPV的大小、陣列或建筑物高度的變化會(huì)使得清潔工作更為復(fù)雜。
光伏車(chē)棚
目前市面上很少有除塵機(jī)器人能夠很好的解決BIPV組件清潔的問(wèn)題。BIPV專(zhuān)用的清潔工具需要在設(shè)計(jì)階段考慮實(shí)際操作、能耗、滑動(dòng)等因素。同時(shí)，BIPV作為建筑物的構(gòu)件，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，維修過(guò)程會(huì)影響建筑物的正常使用，因此對(duì) BIPV組件或系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求極高， 目前的制造水平還有待提高。在對(duì)BIPV系統(tǒng)進(jìn)行的耐火試驗(yàn)和玻璃破碎試驗(yàn)中， 分別測(cè)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(shí)有較高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)榻泳€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(huì)造成嚴(yán)重后果。在國(guó)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(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)到的隱患。目前常用的BIPV測(cè)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(cè)試，比如沖擊、推力、溫度循環(huán)和火災(zāi)危險(xiǎn)性測(cè)試沒(méi)有包括在IEC 61215中，又比如紫外線和低輻照度測(cè)試沒(méi)有包括在UL1703中。光伏建筑較一般建筑來(lái)說(shuō)建造成本較高，這是造成該技術(shù)在我國(guó)發(fā)展困難的主要因素。從光伏發(fā)電的電價(jià)成本來(lái)看，除政府補(bǔ)貼收入外，還受到裝機(jī)成本、光照條件、投資回收期和運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)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(dú)特的特征定制設(shè)計(jì)的，比如建筑的類(lèi)型、位置、方向、氣候等，對(duì)于之后的設(shè)計(jì)，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法作為參考或套用，這也增加了設(shè)計(jì)成本。光伏組件在實(shí)際設(shè)計(jì)施工過(guò)程中涉及多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。若同時(shí)考 慮回報(bào)率和一體化水平的因素，則需要制定一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
光伏建筑設(shè)計(jì)需要考慮陰影與遮蔽的問(wèn)題。相關(guān)研究表明，光伏熱斑對(duì)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(wèn)題，應(yīng)仔細(xì)確定安裝光伏組件的地點(diǎn)。目前PVSOL ，RETScreen ，PVSystem 等光伏設(shè)計(jì)軟件已能結(jié)合不同地區(qū)的天氣日照信息計(jì)算出組件的最佳斜角，然而B(niǎo)IPV的計(jì)算需要更多考慮周邊環(huán)境帶來(lái)的影響，例如在建筑立面上的最佳布置地點(diǎn)、最優(yōu)角度和朝向、經(jīng)濟(jì)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(chǔ)能系統(tǒng)或電網(wǎng)計(jì)量連接設(shè)備、故障保護(hù)、布線等成本，以及設(shè)計(jì)和安裝的費(fèi)用。相信未來(lái)隨著技術(shù)逐漸成熟，BIPV 的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)降低成本費(fèi)用。另外 ，能獲得一個(gè)光伏發(fā)電上網(wǎng)的固定電價(jià)也能使成本降低，BIPV在實(shí)際工程中的應(yīng)用亦會(huì)更普及。將 BIPV 作為產(chǎn)品投入市場(chǎng)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(jī)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(chǎng)開(kāi)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(shí)也要保證居住舒適度 ， 比如在組件故障時(shí)如何通過(guò)儲(chǔ)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(hào)（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
