BIPV技术路线及应用形式分析

BIPV技术路线及应用形式分析

张喜峰，黄晓华，王元山

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450042）

[摘要]绿色建筑政策的持续加码，大力发展节能低碳建筑，持续提高新建建筑节能标准，加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展是建筑行业的发展趋势，建筑光伏一体化（BIPV）作为建筑节能增效、降低碳排放的基础工具，越来越受到重视。

[关键词] 建筑光伏一体化；节能减排；光伏建材

Analysis of BIPV technical route and application form

Zhang xi feng ，huang xiao hua，wang yuan shan，

            (Machinery Industry No.6 Design Research Institution,zhengzhou henan 450042,china)

[Abstract]Continuous overweight of green building policy,Vigorously develop energy-saving and low-carbon buildings,Improve the energy-saving standards of newly-built buildings,Accelerating the scale development of ultra-low energy consumption, near-zero energy consumption and low-carbon buildings is the development trend of the construction industry,Building photovoltaic integration is a basic tool for building energy saving, increasing efficiency and reducing carbon emissions,More and more attention.

[Keywords]Building Integrated Photovoltaic；save energy and cut emissions；Photovoltaic building materials

0   引言

终端的能源消耗主要可以分为三部分，工业用能、建筑用能和交通用能。建筑领域是全球及中国碳排放的重要来源，全球碳排放中近40%来源于建筑施工和运营，中国建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量约46%，二氧化碳排放占全国总排放量约51%，要满足建筑能源消耗带来的节能减排的要求，实现建筑领域碳达峰碳中和的目标，首先要注重建筑节能，其次要积极发展分布式建筑光伏系统，提升建筑产电能力，是建筑领域实现碳达峰碳中和目标的重要途径；利用随处可见的太阳光和广阔的建筑屋顶和外墙，打造光伏发电组件与建筑完美融合的建筑光伏一体化（BIPV），推动建筑从传统的耗能型到符合可持续发展的产能型转变，势必成为建筑节能减排的主要发展方向。

1   政策背景

为了实现建筑行业的“双碳”目标，住建部出台多项重要政策，同时全国各地也在不断出台相应支持政策。

2021年5月25日，住建部、生态环境部等15部门发布《关于加强县城绿色低碳建筑的意见》，明确要大力发展绿色建筑和建筑节能，全面推行绿色施工，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。

自2022年4月1日起实施的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》将太阳能利用作为建筑设计的强制性要求。

2022年3月1日，住建部发布《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划的通知》，要求到2025年，全国完成既有建筑节能面积3.5亿平方米以上，建设0.5亿平方米以上的超低能耗、近零能耗建筑，装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30%，全国新增建筑的光伏装机容量要达到50GW以上。

各地支持建筑光伏一体化发展的地方政策不断出台，目前已有十几个省市明确了BIPV的相关补贴政策，未来发展前景广阔。

2   BIPV技术路线

BIPV目前主要采用的光伏技术可分为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件。晶硅组件是目前市场的主流产品，单位装机功率高，转化效率可达16%至22%，同样装机面积下发电量优于薄膜组件，但由于工艺原因，其色彩一致性较差；薄膜组件色彩丰富、整体感强，可满足各种建筑外观需求，但其转化效率相对较低，较晶硅成本高3-5倍。

2.1转化率及弱光性

随着市场的发展，在BIPV中薄膜电池的优势逐渐凸显，晶硅组件虽然具有较高的转换效率，但是在BIPV项目中，组件接收光照的角度往往不好，无法达到最佳的光照条件，组件的转换效率会相应降低，结合国内相关案例统计，晶硅光伏组件即使安装在建筑上正朝南的位置，光电转换效率也只有最佳效率的60%左右，而薄膜电池的弱光性却较好，对安装角度的要求不强，在弱光环境中薄膜电池优势更加明显。

2.2色彩、尺寸及电池使用寿命

晶硅电池生产时制绒环节中硅片表面腐蚀量的不同最终会导致电池片产生色差，无法满足BIPV建筑对色彩的多样化需求，而薄膜电池则具备颜色可调整的优势，可以根据需要生产出相应颜色的组件，市场上采用薄膜电池技术生产的BIPV组件，颜色较为丰富，几乎涵盖所有常见色系，满足建筑设计个中对色彩、尺寸、透光度等各方面的要求。

2.3透光性

建筑设计根据建筑功能对天然采光会有不同的要求，会对BIPV组件透光率有相应的要求，但晶硅电池的透光率较低，改善组件的透光性只能通过降低电池片的排布密度，而降低电池片的排布密度会使得组件功率减小。薄膜太阳能电池则有更好的透光性，可以更好地满足透光率的要求，根据建筑采光需求制作出不同透光率的BIPV组件。

2.4经济性

在市场的发展上，经济性是薄膜电池发展限制的一大主要因素，经济性优势离不开规模经济的作用，但规模经济下晶硅组件标准化的尺寸不利于满足BIPV定制化的需求；建筑设计中，屋面及外墙荷载增加，对主体结构的含钢量会有一定的影响，与晶硅电池相比，薄膜电池的重量较轻，使用薄膜光伏建材时施工难度也会降低，对大跨建筑，优势将更加明显；在幕墙领域，使用薄膜光伏建材能减小幕墙的龙骨截面尺寸，有效的降低幕墙的整体成本。

综上，薄膜光伏组件在弱光性、柔韧性、色彩多样性、透光率及整体经济性等方面的具有明显的综合优势，随着建筑光伏一体化设计的逐步推广，薄膜电池在BIPV领域的优势更加明显。

3   BIPV应用形式

结合国内案例及市场发展情况，目前BIPV在建筑中的应用主要有五种形式。

3.1 BIPV屋面

传统方式一般是在屋顶设置独立的光伏板（BAPV），BIPV屋面要求光伏建材与建筑屋面一体化设计，既满足屋面的遮阳、保温、防水等基本的建筑功能要求外，又能提供电能，设计中常采用的方式是与厂房金属屋面及公共建筑屋面的结合，通过光伏产品与屋面的优化融合，打造建筑的第五立面。

3.2光伏幕墙

光伏幕墙是BIPV的重要形式，当前光伏屋顶是要的使用形式，但相较于屋面，建筑幕墙表面积更大，能有效提高发电量，且更适用于高楼大厦安装光伏发电的需求，光伏屋顶难以满足大城市高楼大厦的用电需求，完全实现建筑物碳中和，利用建筑物外墙安装光伏产生能源是必然选择，对光伏幕墙的需求也将更大。

光伏幕墙的本质是幕墙的光电化，从产品的透光性方面可分为透光型、半透光型、非透光型三种，透光型及半透光型幕墙主要结合玻璃幕墙设计，非透光型幕墙主要应用于建筑无采光要求的实体外墙面部分，相比透光型幕墙，由于实体墙面材质的特殊要求，比如仿石材，非透光型幕墙对光伏建材的要求更高。薄膜类光伏幕墙是目前已实施项目中应用最多的方式，在薄膜类光伏产品中应用最广泛、适应场景最丰富的是碲化镉薄膜光伏幕墙，作为绿色节能的幕墙形式，它实现了被动节能和主动产能的完美结合。

3.3光伏采光顶

采光顶在建筑设计中的应用非常广泛，且在大型公共建筑中应用面积很大，玻璃采光顶的夏季隔热成为一个主要的问题，隔热处理不好会极大的增加夏季的能源消耗，而碲化镉透光发电玻璃替代传统玻璃是一个比较好的方式，经过国内相关案例的分析比较，根据建筑设计要求，可选择适宜的透光率兼顾采光及夏季隔热的要求。

   3.4光伏遮阳系统

   光伏组件与建筑遮阳系统相结合，节能满足建筑遮阳的需求，又能产生电能，一般主要有两种方式，第一种是采用光伏遮阳板与建筑立面等进行一体化设计，将光伏发电建材作为建筑本体遮阳结构，既满足建筑外立面的要求，又兼具遮阳和发电的需要；第二种是采用光伏百叶窗，光伏百叶窗的表面是晶硅太阳能电池面板，可结合建筑的智能控制系统进行控制，根据光线强弱调整百叶的角度及收放。

4   结语

建筑行业要大力发展绿色建筑，采用清洁能源，有效降低建筑能耗，实现我国能源结构专项和建筑行业绿色低碳发展，建筑光伏一体化(BIPV)将成为实现这一目标的关键技术，我国在建筑光伏一体化建设方面初现成效，已建众多示范工程，为推进建筑光伏一体化奠定了良好的基础；在当前碳中和的背景下，从增量到存量，从屋顶到立面，BIPV都是最重要的技术手段，我们要在吸取已有项目经验的基础上，积极的推进相关法律法规及政策的完善，建立技术标准和认证体系，不断加强光伏建材的创新发展及更新迭代，为我国建筑领域实现碳达峰碳中和的长远目标提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1]刘怡平，浅析中国建筑体现的文化内涵[J]，潍坊学院学报，2021，21（03），82-84.

[2]石莹，宫德健，李帅飞，等，基于光伏多用一体式百叶窗的研究[J]，科技创新与应用，2021（02），63-65.

[3]侯亦南，太阳能建筑光伏一体化探究[J]，城市建筑，2019，16（27），28-29+36.

[4]师劭航，褚英男，何逸，等，整体设计导向的国际建筑光伏一体化技术策略研究[J]，建筑技艺，2021，27（08），49-53.

[5]杜晓辉，张永超，高铁建筑表皮与光伏一体化设计分析[J]，南方建筑，2020（06），42-47.