光伏建筑一体化技术发展现状及存在的问题

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(1.神华(北京)光伏科技研发有限公司，北京 102211；2.北京市纳米结构薄膜太阳能电池工程技术研究中心，北京 102211)

引言

建筑作为能源消费的大户，其能源消耗量随着社会发展和人类居住舒适度需求的提高也随之不断增加。然而，作为能源供给主体的化石类燃料能源在推动人类社会进步的同时，在其使用过程中产生的废弃物也造成了地球生态环境的日益恶化。因此，如何解决降低建筑能耗与建筑物对能源需求的日益增加之间的矛盾，已成为当今研究人员亟待解决的问题之一。近年来，我国的绿色能源技术已经取得了长足的发展，特别是光伏发电技术，其是基于太阳能来源稳定与安全保障的特点，已发展成为最适合人类的可再生能源形式之一[1]。将光伏发电与建筑相结合，既为建筑物提供了清洁能源，也降低了化石类能源消耗以及相应的温室气体排放。

光伏与建筑的结合方式主要分为光伏组件与建筑相结合和光伏器件与建筑相结合两种[2]，前者是将光伏组件安装在建筑物的屋顶或阳台上，是两者相结合的初级形式，后者则是采用特殊的材料和工艺手段，使光伏组件可以直接作为建材使用，即光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)，既能作为建材又可通过发电进一步降低发电成本。作为本文的研究对象，光伏建筑不需要单独占用土地，并且可以就地供电，避免了远距离电力传输所需的输配电设备以及线路损耗等。鉴于BIPV的诸多独特优势，在20世纪70年代国外就开始将光伏组件应用于建筑上，并于90年代实现了BIPV产品的商业化[2-3]。不少发达国家很早就推出了光伏建筑一体化计划，并出台了相应的激励政策，如德国在1990年率先推出了“千栋光伏屋顶计划”，日本从1994年开始实施总容量为280 MW的“七万屋顶计划”，美国、意大利等国随后也纷纷推出各自的BIPV发展计划[4]。相比之下，我国的光伏产业链发展还不够健全，原材料与市场“两头在外”的特征导致国内光伏建筑一体化技术的起步较晚，尽管也推出了一些示范性建筑项目[5-6]，但整体水平仍处于前期发展阶段。

本文基于光伏建筑一体化技术的特点，主要从光伏组件和建筑两个方面对该技术的基本现状进行了梳理，随后对现阶段该技术应用中遇到的主要问题进行了分析，并尝试着寻找解决办法。最后对光伏建筑一体化技术的发展进行了展望。

1 光伏建筑一体化技术

能够应用于建筑的光伏组件，应兼具发电和建材的双重功能，因此需从光伏组件和建材两个方面考虑，然后进行光伏建筑的规划设计。

1.1 太阳能电池组件

太阳能光伏发电是基于“光生伏特效应”将太阳能转换为电能。太阳能电池的雏形出现于1953年美国贝尔实验室研究人员Chapin D、Fuller C和Pearson G关于单晶硅太阳能电池的报道中[7]。太阳能电池早期主要应用于航天领域，由于20世纪70年代能源危机等因素的影响促使许多国家加大了对替代化石类能源的投入与研究，这极大地推动了太阳能行业的发展。截止到目前，太阳能电池已研发出了晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池、染料敏化电池、钙钛矿电池等类型。其中，晶体硅太阳能电池因受益于半导体产业的发展而成为目前太阳能电池商业化的主流产品，我国的晶硅电池组件产量已连续多年在全球排名第一。同时，薄膜太阳能电池(包括铜铟镓硒电池)在国内已开始小规模的生产。这便为建筑用电池组件在种类和数量方面提供了较多的选择。应用于建筑的光伏组件并无特殊限定，选用时主要是基于不同电池的特点并结合建筑物的实际使用情况，对光伏组件的形状、颜色、透明程度、边框有无以及接线盒的安装部位等进行设计以满足建筑的需求。

1.2 建材需求

作为建材使用的电池组件，还应满足建材行业的相关标准要求。现以铜铟镓硒薄膜电池为例来分析，铜铟镓硒电池生长的衬底可以采用金属箔或高分子聚合物等柔性基底，也可以采用玻璃基底，不同衬底的电池使用的环境不同。就柔性基底的光伏组件而言，于2018年8月1日正式实施的JG/T 535—2017《建筑用柔性薄膜光伏组件》对建筑用柔性薄膜光伏组件材料、外观、质量、电池性能、电气安全性、机械性能、对环境的抵抗能力、燃烧性能等均有明确的规定，因此，以该标准为依据对柔性铜铟镓硒电池进行检验以判断其是否满足作为建材使用的要求。而对于采用玻璃基底的光伏组件而言，目前尚无对其作为建材使用性能判定的国家或行业标准，其判定主要依据有两个方面：一方面是检验光伏组件的性能是否满足太阳能电池的行业标准，如国际电工委员会制订的涉及电池组件性能与安全的标准IEC 61215和IEC 61730，另一方面是检验光伏组件是否达到建材的相关标准，如GB 15763.2《建筑用安全玻璃 第2部分：钢化玻璃》、GB 29551《建筑用太阳能光伏夹层玻璃》以及JG/T 492《建筑用光伏构件通用技术要求》等标准，规定了对于落球冲击剥离性能、霰弹袋冲击性能、热工性能等技术指标的要求。实际设计时应根据使用的光伏组件不同，或是相同电池种类的不同结构，选择相应的标准以确保光伏组件达到建筑使用的性能要求。

1.3 计算机辅助设计

电池表面太阳辐照度和电池温度是影响电池实际转化效率的主要因素。太阳辐照度的影响因素有电池组件的安装地理位置、海拔高度、朝向、倾角、排列方式、表面灰尘清理情况以及周围建筑或树木等在电池表面形成的阴影大小等。电池温度的高低取决于其散热结构，在散热结构设计时应考虑两方面的因素，一是如何增强散热效果以使电池发电量提高，二是兼顾施工成本的高低。鉴于上述情况，可利用计算机对建筑用光伏组件进行模拟，并分析各种因素对发电量的影响，在保证建筑功能的前提下进行优化设计，使光伏组件的发电量最高而成本最低。

辅助设计可用的软件有PVsyst、Ecotect、HOMER、TRNSYS等[3,8-10]，其中PVsyst和Ecotect是应用较多的软件。PVsyst是由瑞士日内瓦大学CEUPE研究团队于1994年开发的光伏系统设计模拟软件。该软件包括了世界各大城市的气象数据库以及太阳能设计相关工具等，在设计时可根据项目的实际情况选择光伏系统的类型、地理位置、气温、太阳辐照度、建筑物环境、光伏组件和逆变器的参数等，来模拟和分析光伏发电系统的工作性能，如1 kW发电量、发电效率，进而可以比较电池组件的不同安装倾角、不同类型等因素对于最终发电量的影响。Ecotect最初是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，2008年被Auotdesk公司收购。软件具有三维建模设计界面，可以对太阳辐射、遮阳、热工等多个方面的内容进行模拟和性能分析，其结果实现了图形化显示，并可保存为多种专业分析软件格式。

另外，当前国内热门的人工智能技术在国外也早已应用于光伏系统设计与控制等领域，结果表明人工智能技术能够有效提高光伏系统的性能[11]。

2 光伏建筑一体化技术存在的问题

光伏发电与建筑原属于两个互不相关的领域，光伏建筑一体化技术将它们联系在一起，这种跨领域的特征无疑提高了从业人员的准入门槛，也导致在实际操作过程中有较多的问题有待解决，下面结合实际存在的问题进行探讨。

2.1 技术标准有待完善

将光伏组件应用于建筑的过程涉及建筑设计、建材选用、施工、验收、运行与维护、安全等诸多环节，如果每个环节都具有相应的技术标准，则对于光伏组件在建筑中的推广应用有着积极的推动作用。为了更好地表述光伏组件用于建筑的现有技术标准完善程度，现从材料与性能、设计、施工、验收、并网运维等五个方面列出相关技术标准，并将光伏组件应用中最为成熟的地面电站的相关技术标准一并列出作为参照，详见表1。

表1 光伏建筑一体化和光伏电站现行标准对比1)

由表1可以看出，光伏建筑现行的技术标准在广度和深度上均存在进一步补充或完善的空间。在此背景下的光伏建筑建设过程中，一方面要以现行的技术标准为依据，另一方面要参照其他相关现行的技术标准来推进。以双玻晶硅组件用作建筑幕墙为例，不仅要达到光伏组件的性能要求，还要满足建筑幕墙标准中关于气密、水密、抗风压等三性试验要求和建筑物安全性能要求[9]。

2.2 综合成本有待降低

依据产业经济学中产业发展阶段分类法的划分，光伏产业因其具备技术不断成熟、平均成本不断下降、产业规模不断扩大、市场需求不断增加等特点从而将其归属于朝阳产业。不仅如此，目前光伏产业在一定程度上还依赖于政府补贴或优惠政策等。对于光伏建筑一体化技术而言，如何降低成本已成为该技术在建筑市场推广过程中面临的一个重要问题。从光伏发电的电价成本来看，除补贴收入外，主要是受到装机成本、日照条件、贷款状况、投资回收期和运营维护费用等五大因素的影响[12]。其中，装机成本具体是指光伏组件、光伏平衡系统(包括支架、控制器、逆变器等)、土建及人工费用等，这一费用随着电池效率的不断提高、包括光伏平衡系统在内的产业规模不断增大等有利因素的影响而呈现出降低的趋势。虽然贷款状况、投资回收及运营等因素则存在着不确定性，但是国家政策在推动光伏产业发展过程中发挥的积极引导作用使得这些不确定性因素的影响逐渐降低。如由国家发改委、财政部、国家能源局联合发布的《关于2018年光伏发电有关事项的通知》中，明确了降低补贴强度，进一步加大市场化配置项目力度，这必将加快光伏发电平价上网的速度，从而在整体上促进光伏建筑一体化技术综合成本的下降。

3 结语

近年来，伴随着光伏产业在国内的飞速发展，光伏建筑一体化技术的研究日益受到重视，在光伏建筑建设过程中无论是可选择的光伏组件、所依据的标准，还是计算机辅助设计等方面，都在不同程度上具备了可操作的条件。尽管目前面临着行业或国家技术标准不够完善、综合成本较高等因素对产业发展的制约，但我们也要看到随着全社会环保意识的不断增强，对清洁能源的需求也在相应增大，同时，大力发展光伏建筑一体化无论是对于我国能源结构调整还是促进建筑业的转型升级都有很大的益处。因此，我们相信目前出现的困难只是发展过程中的小插曲，光伏建筑一体化技术在我国必将有着光明的发展前景。