光伏建筑一体化(BIPV)应用现状与发展前景

黄心雨,陈 稳

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院，湖北 武汉 430071；2.华中科技大学 土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074)

我国用能和碳排放形势严峻,碳达峰与碳中和成为国家与社会关注的重要议题。近40年来,人类用能与碳排放量飞速增长,全球能耗仍在持续增加。同时,我国的能源消费也在不断增长,2018年,我国能源消费总量为46.4亿t标准煤,位居世界第一。从能源结构来看,煤炭依然是我国的主要能源消耗种类,其消耗量约占能源消耗总量的59%,但其所占总能耗的比例近年来不断下降,太阳能、风能等清洁能源比例近年来快速增长。伴随着能源消费的增长,全球气候问题也日益严重：2017年为有记录以来灾害性天气和气候事件造成经济损失最大的一年；2018年的平均温升与工业革命前相比已增长超过1℃。针对目前的环境状况,《巴黎协定》把“全球平均温升控制在相对工业革命前水平2℃之内”作为长期气温控制目标[1～3],以减少气候变化带来的风险和影响。碳达峰及碳中和作为国家重大战略部署,也是实现社会经济高质量发展的重要推进因素,建筑作为能源消耗的三大“巨头”之一,急需发展节能建筑,将绿色技术融入其中,寻求可持续的生产和消费方式,以促进环境与经济社会协调发展。

由于太阳能具有取之不尽用之不竭的优点,且使用过程中不会给环境带来污染,得到了人们的青睐。随着国家不断提高新能源应用的比例,太阳能在实际应用中越发广泛,在工业、民众生活中的应用日趋成熟。在国家“十三五”规划中,发改委明确提出太阳能应用在2020年和2030年达到占比一次能源比重15%，20%的目标[4]。国家能源局下发的《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》提到,党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%；学校、医院、村委会等公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%；工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%；农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%[5]。住房和城乡建设部等15部门联合发布了关于加强县城绿色低碳建设的意见,提出“通过提升新建厂房、公共建筑等屋顶光伏比例和实施光伏建筑一体化开发等方式,降低传统化石能源在建筑用能中的比例。”目前已有北京、天津、上海、重庆、内蒙古、浙江等多地发布光伏建筑一体化(BIPV)未来3～5年相关政策,推动BIPV的大规模市场应用、高质量发展被提上议程,从国家到地方,光伏建筑一体化方兴未艾,在“光伏+”等政策鼓励下,光伏建筑一体化将迎来蓬勃发展的时代。

光伏建筑一体化是一种将太阳能发电产品集成到建筑上的技术,即通过建筑物屋顶和立面与光伏发电集成起来,使建筑物本身能够利用太阳能发电,以满足自身用电需求。BIPV最早在1986年由世界能源组织首次提出[6,7],由于发展得早,BIPV技术在欧美等发达国家和地区已经应用得很成熟,而我国在这方面起步较晚,在国家相关政策的支持下才进入了快速发展期。本文通过在知网、万方数据库、ScienceDirect、EBSCO等文献数据库检索关键词“光伏建筑一体化(BIPV)”“光伏幕墙(Photovoltaic Curtain Wall)”“光伏屋面(Photovoltaic Roof)”等,参考了近5年内相关的期刊与学术论文,对BIPV的发展历程进行了全面综述,并结合国内外不同地区的实际案例详细分析了此项技术的应用现状和优缺点,并提出了BIPV未来的发展方向,希望能为行业发展做出积极贡献。

1 BIPV应用现状

1.1 BAPV与BIPV

根据与建筑结合方式不同,光伏系统(PV System)可分为两大类,如表1所示。一类是BAPV(Building Attached Photovoltaic),即光伏方阵与建筑的结合,这种方式是在建筑物表面安装光伏发电设备,建筑物作为光伏方阵载体,起支撑作用。BAPV一般是建筑物建好之后安装的光伏系统。然而大多数建筑在前期设计上不会考虑是否采用光伏系统,故后期存在重复施工的问题,也会浪费建筑材料。BAPV在结构上会增加荷载,美观上影响建筑的整体效果,因此在设计阶段需要对它的摆放、安装、安全性进行全面的考虑。

表1 PV的分类

另一类是BIPV,即光伏建筑一体化,简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力,这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现,光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。在这两种方式中,BAPV作为光伏方阵与建筑的结合是一种常用的形式,特别是与建筑屋面的结合,由于不占用额外的地面空间,是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式,因而倍受关注。BIPV作为光伏方阵与建筑的集成是一种高级形式,它对光伏组件的要求较高,光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求同时还要兼顾建筑结构的基本功能要求,未来这种方式有广大的发展前景[8]。

BAPV更多是通过安装的方式对建筑进行改造,而BIPV中光伏组件作为建筑的一部分融合在一起,既能发挥结构作用也能发挥光伏生成绿色能源的效果,做到真正的一体化。

1.2 BIPV安装形式

BIPV系统可以根据客户的需求,部分或整体替换建筑物的某个构件,BIPV的安装形式应由地区气候条件、建筑物本身结构特点和光伏组件性能一起决定。同时,根据安装地点的实际用电情况,在系统发电过剩时,可以使用储能系统或者余电上网,实现自给自足；在系统发电能力不足时,可以使用电网的电能来满足建筑物的用电需求[9]。

(1)光伏幕墙

采用光伏组件作为建筑玻璃幕墙,不仅可以保持建筑原有的功能性、安全性以及美观需求,还能通过全年发电提供电能,同时太阳能转换的热能可满足建筑的季节性能源需求。在供暖季节产生热空气减少建筑的热负荷,在非供暖季节产生热水来满足家庭需求。并且光伏组件内的水循环能降低光伏幕墙的温度,从而使系统始终保持良好高效的运行性能。国内著名的光伏幕墙工程有北京世园会中国馆、嘉兴火车站等。

(2)光伏屋面

将光伏构件铺设在屋顶,形成光伏屋面,一般有两种形式：第一种是常规分布式光伏屋面,这种形式是在已经建成的屋面铺设太阳能板；第二种是瓦片式光伏屋面,这种方式使用太阳能瓦片取代建筑物常规瓦片,光伏发电系统直接成为屋面的一部分,不仅承担发电任务,还扮演常规瓦片的结构支撑作用。

(3)其他形式

除了以上两种应用最广泛的形式,还有其他一些形式,比如百叶窗式光伏发电系统、窗间式光伏发电系统、遮阳棚式光伏发电系统等等。综合来看,所有的BIPV安装形式都是根据气候条件、建筑物特点和业主要求来确定的,在进行应用时,应做到因地制宜,综合考量发电效率、碳排放等各种因素之后采用综合收益最大的方案。

1.3 研究现状

目前的研究主要关注实际应用中BIPV系统综合影响因素、BIPV系统效率提升方法、BIPV发展前景和技术挑战、市场份额的刺激政策等方面,主要包括以下几方面：

(1)BIPV组件作为建筑物结构构件(例如幕墙铝制框等)时,产生的裂缝对整个发电系统的影响[10]。

(2)在一些高楼密度大的城市区域,云层、雾霾、周围建筑物的遮蔽会影响实时光照输入,从而使得BIPV实际输出效率与模型计算值有偏差[11,12]。

(3)在BIPV组件上保持合理的温度范围,提高它们的效率,并通过减少热循环和应力来延长其工作寿命,增加输出发电量[13～15]。

(4)基于不同种类的材料,例如电池、相变材料(PCM)组件等,提出了多种余电存储解决方案[16]。在使用电池的情况下,需要考虑的因素有材料制造工程、电解质意外释放、毒性释放、易燃、降解和报废管理等。有些PCM材料具有腐蚀性,火灾隐患以及潜在的高毒性也是需要考虑的因素[17～19]。

(5)应该根据不同城市实际情况推进城市BIPV系统项目的实施,并且根据建筑物高度以及周围建筑物密度来判断使用何种BIPV。研究表明对于地处空旷区域较矮的建筑,光伏瓦片和光伏屋顶有最大发电潜力[20]。然而,对于有高密度的高层和玻璃建筑的区域,光伏幕墙的潜力更为突出[21～23]。

(6)大量实例证明BIPV的运用能缓解对环境带来的不利影响,除了量化缓解的程度以外,还应考虑经济可行性,其中包括如何降低混合动力系统整个生命周期内的电力消耗总成本、延长BIPV组件的寿命以及如何实现绿色回收等[24,25]。

(7)通过将建筑物的角色从能源消费者转变为能源生产者,在发达国家建立近零能耗城市需要达到的标准以及程度,厘清实现这一目标的挑战,以及有哪些利益相关者参与了这些挑战[26,27]。同时,能源转型创新需要制定一套满足不同利益相关者的组合政策。对于BIPV的推动,利益相关者关注的点包括政策支持、深入调查和积极推动,研究者们研究探讨了很多方法来促进 BIPV的发展[28,29]。

2 BIPV的优缺点

2.1 BIPV的优点

BIPV发展如此迅猛,与它本身具有很多优点密不可分,总结起来主要有以下几点：

(1)绿色能源

光伏建筑一体化利用的是太阳能发电,太阳能作为最清洁干净的可再生能源,不会对生态环境造成污染。在对BIPV组件进行的生命周期评估中,模拟数据[30,31]表明BIPV组件从获取原材料,生产、使用直至废弃的整个过程的年度碳排放量远远低于传统能源发电,并且随着光伏储能系统的技术成熟,相信能够进一步降低BIPV的碳排量。

(2)自给自足减少输电过程中的损耗

BIPV的使用将提高建筑物的整体能源效率,就地发电可以最大限度地减少输配电损耗,提高电力输出效率,最终降低太阳能发电的成本[31]。

(3)空间利用率高

与安装面积有限的传统太阳能电池板(BAPV)不同,BIPV系统不需要额外的土地面积,因为它们取代了传统的建筑材料,充分利用了建筑物外表面的空间,让更多的建筑类型能够使用太阳能发电[31]。

2.2 BIPV的不足

虽然近年来BIPV产业发展迅猛,国家和地方也出台了很多支持政策,但总体来看,其商业化程度仍然不是很高,仅占光伏应用的1%～3%。造成这种困境的原因如下：

(1)供需不匹配

BIPV最常见的问题是供需不匹配问题,太阳辐射在中午达到峰值时所产生的太阳能最高,然而由于人们现代生活的用电模式,午时的用电率一般较低,用电高峰期是在太阳能不再可用的日落之后,这导致了当用电需求较高时,仅仅依靠太阳能无法满足生产生活需求,当用电需求较低时,额外的电力被输送到电网中,从而造成供需不匹配,形成鸭子曲线[32～36]。研究表明为了弥补用电高峰期的需求,电网供电无法灵活响应太阳能供应的快速起伏[32],关闭和重新启动发电机不仅在经济上不可行,而且会产生额外的碳排放。

(2)日常维护困难

在空气污染严重地区,灰尘积累成了影响光伏组件性能的一个重要因素。使用传统的人力很难解决这个问题,因为BIPV的大小、阵列或建筑物高度的变化会使得清洁工作更为复杂。目前市面上很少有除尘机器人能够很好的解决BIPV组件清洁的问题。BIPV专用的清洁工具需要在设计阶段考虑实际操作、能耗、滑动等因素[37～39]。同时,BIPV作为建筑物的构件,一旦出现问题,维修过程会影响建筑物的正常使用,因此对BIPV组件或系统运行的稳定性要求极高,目前的制造水平还有待提高。

(3)削弱建筑防火性

在对BIPV系统进行的耐火试验和玻璃破碎试验中,分别测试了BIPV作为建筑物不同组成部分的耐火特性,结果表明当BIPV作为屋顶和幕墙时有较高的火灾风险,这是因为接线盒和串接器中的电弧是极度易燃的,一旦暴露于建筑物外部的火源将会造成严重后果[40]。

(4)相应规范不完善

在国际规范IEC 63092里涵盖了与BIPV相关的电气技术、结构以及安全的要求,但由于缺少实际设计中的指导建议以及BIPV/T(Building Integrated Photovoltaic/Thermal)和供暖通风与空气调节HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning )集成的相关信息,造成的“灰色地带”可能存在未意识到的隐患[41]。目前常用的BIPV测试是由IEC(International Electrical Technical Commission,IEC 61215)和UL(Underwriter Laboratories Inc,UL 1703)规定的。然而,一些重要的测试,比如冲击、推力、温度循环和火灾危险性测试没有包括在IEC 61215中；又比如紫外线和低辐照度测试没有包括在UL 1703中[29]。

(5)建造成本较高

光伏建筑较一般建筑来说建造成本较高,这是造成该技术在我国发展困难的主要因素[42～44]。从光伏发电的电价成本来看,除政府补贴收入外,还受到装机成本、光照条件、投资回收期和运营维护费用等因素的影响。另外,大多数已经投入使用的BIPV系统都是根据建筑物独特的特征定制设计的,比如建筑的类型、位置、方向、气候等。对于之后的设计,现有系统无法作为参考或套用,这也增加了设计成本。

3 未来展望

(1)规范化

光伏组件在实际设计施工过程中涉及多个技术环节,每个环节都需要对应的标准。若同时考虑回报率和一体化水平的因素,则需要谨慎制定一套标准来实现。现阶段,我国在BIPV方面还处于高速发展阶段,缺乏完善的体系与规范、标准。要解决这些问题,应当结合实际情况制定可供参考的标准。除了2.2节提及的规范外,还有一些其他的规范,如EN 50583是光伏在建筑中应用的标准,以及IEC 61730为光伏模块的安全认证标准,未来可在这些现有规范的基础上结合实际施工制定更完善的行业标准,并且可通过定向培养专业的设计师以及现场施工人员使建设BIPV系统更加安全。

(2)信息化

光伏建筑设计需要考虑阴影与遮蔽的问题。相关研究表明,光伏热斑对光伏电池的影响严重,即使有小部分被遮蔽也能造成很高的能量损失。由于城市中的建筑物往往比较密集,所以阴影与遮蔽是不得不考虑的问题,为了解决此问题,安装前必须对周围环境进行考察,为了防止出现阴影等情况,应仔细确定安装光伏组件的地点。目前PVSOL，RETScreen，PVSystem等光伏设计软件已能结合不同地区的天气日照信息计算出组件的最佳斜角,然而BIPV的计算需要更多考虑周边环境带来的影响。相信随着信息化平台的优化,在未来BIPV亦可结合BIM(Building Information Modelling)和GIS(Geological Information System)设计出更精准的模型,例如在建筑立面上的最佳布置地点、最优角度和朝向、经济可行性等。

(3)普及化

BIPV发展的最大阻碍是其高昂的成本,BIPV系统的初始成本包括逆变器、储能系统或电网计量连接设备、故障保护、布线等成本,以及设计和安装的费用。相信未来随着技术逐渐成熟,BIPV的设计以及产品的标准化会降低成本费用。另外,能获得一个光伏发电上网的固定电价也能使成本降低,BIPV在实际工程中的应用亦会更普及。

(4)完善的配套设施

将BIPV作为产品投入市场并得到广泛使用首先需要建立完善的配套维护设施和方案,例如清洁机器人、检修设备、故障应急预案等。建议制造商根据他们的目标市场开发相关产品。并且光伏组件作为建筑的一部分最终旨在服务于人,节能环保的同时也要保证居住舒适度,比如在组件故障时如何通过储备供电方案不影响居民正常用水用电也是需要考虑的。