師 軍，周 彤

(1.天水財信實業(yè)有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

在現有的可再生能源技術中，太陽能光伏發(fā)電因其在能源生產、運行和維護方面的優(yōu)勢而被認為是最有前途的技術。太陽能光伏發(fā)電是最簡單的能量轉換裝置，可以有效地將太陽能轉化為電能。光伏在建筑領域的應用，將現有建筑從能源消費者轉變?yōu)槟茉瓷a者。建筑行業(yè)的碳排放量占全國51.3%，是我國實現“雙碳”目標的主戰(zhàn)場[1]。隨著我國“雙碳”政策的實施，太陽能光伏建筑越來越受到關注。

具備光伏發(fā)電功能的建筑也稱為光電建筑，英文全稱Photovoltaic Building，本質為建筑。光電建筑構成部分包括建筑主體結構、光伏外圍護結構、光伏附屬設施等，其中光伏外圍護結構主要為光伏屋頂和光伏幕墻，光伏附屬設施包括光伏遮陽棚、光伏欄桿立面、光伏女兒墻等。

光伏與建筑結合主要有后置式光伏發(fā)電屋面系統BAPV(Building Attached Photovoltaic)和光伏建筑一體化BIPV(Building Integrated Photovoltaic)2種形式(見圖1)。從定義來看，BIPV是一種將光伏產品集成到建筑上的技術；而BAPV則是簡單地將光伏系統附著在建筑上，因此BIPV更具備產品集成的特質。從施工過程來看，BAPV采用特殊的支架將光伏組件固定于原有建筑結構表面，BIPV則是與建筑物同時設計、施工和安裝，并與建筑物形成高度結合。從結構類型來看，BAPV主要是“安裝型”光伏建筑，主要功能是發(fā)電，不破壞或削弱原有建筑物的功能；而BIPV是“構件型”和“建材型”光伏建筑，作為建筑物外部結構的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構件和建筑材料的功能，與建筑物形成統一體[2-3]。

(a)BAPV (b)BIPV

1 BAPV與BIPV的對比

對于BAPV和BIPV兩種光電建筑形式，建造及維護成本是建設者優(yōu)先考慮的因素。表1是某鋼結構廠房BAPV與BIPV的工程直觀造價。綜合材料造價來看，采用BIPV系統比BAPV系統可節(jié)約材料164元/m2。中長期來看，BIPV系統具有更長的使用壽命，全生命周期角度具有可觀的經濟性[4]。但在實際建造及運行過程中，會面臨更加復雜的情況。

BIPV的集成度非常高，光伏陣列可以作為建筑圍護結構，如幕墻、遮陽篷、窗戶和天窗。這種形式的優(yōu)點是在建筑上干凈且有吸引力，并抵消了屋頂、立面或玻璃材料的成本，具備低碳環(huán)保、經濟效益較好、靠近電力負荷中心等多種優(yōu)勢。然而，由于BIPV結構復雜，安裝維護技術難度大，BIPV的總成本遠高于BAPV。傳統的建筑材料和圍護結構可以有效地解決建筑荷載、排水和保溫等問題，無需特殊設計，遠低于BIPV的成本。受損的BIPV組件直接影響建筑物內部功能的使用。例如當光伏組件的防水結構被破壞時，安裝有該光伏陣列的房間將無法保證居住條件。雖然BAPV只是使光伏組件與圍護結構疊加，但它們的結構易于安裝和維護，即使沒有光伏模塊，BAPV建筑物也可以正常運行。此外，BAPV在光伏陣列和建筑物表面之間留有空隙。該空隙對于光伏組件的散熱具有重要作用，溫度對晶體硅光伏組件的電性能和壽命具有重要影響。一般而言，電池工作溫度每升高10℃，晶體硅光伏陣列的功率輸出會降低約5%。而且，BAPV通常不會增加建筑物的熱量增益，并且在大多數情況下，它們使屋頂免受太陽的直接照射。

對于存量改造項目，屋頂面情況復雜(平頂、斜坡等)，如果涉及拆除工程工作量較大或者影響正常的工作生活(如混凝土屋頂)，BAPV具有一定施工成本的優(yōu)勢。但對于彩鋼板屋頂等拆除工程成本較低的項目，BIPV則具有優(yōu)勢。農村、工商業(yè)、公用事業(yè)新建建筑可以直接設計、安裝BIPV，可以節(jié)約成本。BAPV對屋頂進行支座建設或者屋面改造，有一定漏水隱患；BIPV設計、施工一次成型，對屋面構件形成保護，不造成二次施工踩踏破壞。因此，現階段應根據光伏技術、建筑形式、成本、建筑場地等情況進行選擇。

表1 某鋼結構廠房BAPV與BIPV系統成本分析

現階段BAPV相較于BIPV具有一定的綜合成本優(yōu)勢。但隨著新材料與新技術的不斷發(fā)展，BIPV的建設成本、光電效率、可靠性一直在穩(wěn)步提升。而且，在建筑美學上，BIPV為建筑光伏一體化系統，其設計被納入建筑總體規(guī)劃，建成建筑的外觀整體性更強。BAPV為后期安裝的光伏組件，外觀整體性較差。BIPV有著BAPV不能比擬的建筑美觀優(yōu)勢。在未來的發(fā)展過程中，可以預見BIPV會成為光電建筑的主流。

2 基于光電建筑的分布式發(fā)電系統

光伏電站可分為集中式和分布式電站。其中，分布式又有工商業(yè)用與戶用之分(見圖2)。BAPV與BIPV均為分布式電站的分支。BAPV和BIPV的分布式發(fā)電系統可以分為離網型和并網型2類分布式[5]。

圖2 光伏電站分類

離網型光伏發(fā)電系統可配有儲能系統，在簡易應用場景、電網不發(fā)達、消納有壓力的區(qū)域使用，其基本組成如圖3所示。我國光伏發(fā)電多以集中式電站推廣，這有賴于我國強大的經濟模式和電網體系。若想進一步加快光伏對傳統能源的滲透，分布式光伏的推廣是必要的步驟，而在此過程中，簡易應用場景、部分地區(qū)用電需求提升與電網的不發(fā)達，以及區(qū)域能源供需問題導致消納存在障礙都為離網型光伏分布式系統提供了機會。離網型也稱獨立型發(fā)電系統，一般包括光伏電池方陣、蓄電池、太陽能充放電控制器、獨立逆變器等設備。離網型發(fā)電系統不與電網相連，利用太陽能轉化成電能儲存在蓄電池中，在偏遠山區(qū)、海島以及路燈等地方被廣泛應用。

圖3 離網型光伏系統

并網型發(fā)電系統更適應城市、電網發(fā)達區(qū)域，有利于光伏發(fā)電的經濟性以及平抑光伏發(fā)電峰谷特性，其基本組成如圖4所示。并網型光伏發(fā)電系統不經過蓄電池儲存電能，通過光伏組件產生的直流電通過并網逆變器轉換成符合要求的交流電，直接輸入公共電網。光照不足時，并網型系統從電網中獲取電能。由于并網型光伏發(fā)電系統節(jié)省了蓄電池存儲和釋放能量的過程，減少能量消耗和空間占用，降低了運營成本?！白园l(fā)自用，余量上網”的項目，收益端由3部分構成：第一部分是光伏發(fā)電節(jié)省的電費，其數值為自用的光伏發(fā)電量與用戶電價的乘積；第二部分是電量上網的電費收入，其數值為上網電費與對應上網電價的乘積；第三部分是補貼收入，包括當地補貼和國家補貼兩部分。

圖4 并網型光伏系統

3 光電建筑技術進展

光電建筑所采用的光伏主要是第一代和第二代光伏產品。第一代是晶體硅光伏，分為單晶硅和多晶硅，現在應用非常普遍，我國在這個市場占有很大份額；第二代是品種繁多的薄膜電池，優(yōu)點是材料用量少，最大的缺點是光電轉化率只有晶體硅的1/2。

具體而言，BAPV采用的主要是晶硅光伏組件，BIPV則包括了晶硅光伏組件和薄膜光伏組件。目前，晶硅組件是光伏市場的主流產品，單位裝機功率高，同樣裝機面積下發(fā)電量優(yōu)于薄膜組件，但由于工藝原因，其色彩一致性較差。建筑物的屋頂受到的太陽輻射強度最高，適合使用晶硅光伏組件，而且屋頂光伏對建筑物不會產生美學方面的影響。隨著新工藝不斷被應用到晶體硅電池的研發(fā)，晶體硅類光伏電池的轉換效率不斷提高。目前單晶硅的轉換效率高達25%，多晶硅的轉換效率為20%。

薄膜太陽能電池色彩豐富、整體感強，可滿足各種建筑外觀需求，圖5為非晶硅薄膜光伏組件構成的窗戶。而且，隨著技術的進展，薄膜類光伏具備更佳的弱光性和溫度系數等優(yōu)勢，可以在弱光等環(huán)境中應用。因此，薄膜光伏的不斷更新，使得建筑立面，包括建筑南墻都可以實現光電轉換，且對于建筑外觀具有美學提升，這無疑為BIPV的快速發(fā)展奠定了優(yōu)勢。

圖5 非晶硅薄膜光伏組件

4 BIPV市場前景分析

以前我國光電建筑行業(yè)受困于高昂的建筑光伏成本、技術，以及發(fā)電價格。國內光電市場仍處于初步階段。根據測算，目前我國光電建筑應用面積占既有建筑的比例僅約1%，滲透率較低，且以工商業(yè)屋頂應用為主，未來成長空間巨大。我國城市建筑以中高層為主，且存量建筑一般未考慮潛在建筑光伏安裝的可能性，這無形加大了BAPV與BIPV改造、推廣的難度。相比較而言，工商業(yè)、公共建筑、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農村地區(qū)有望成為光電建筑的主戰(zhàn)場。尤其是 “整縣推進”政策的實施，使我國分布式光伏進入發(fā)展新階段。

2021年6月20日，為全面推進屋頂分布式光伏的發(fā)展，國家能源局發(fā)布了《關于報送整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，在全國范圍內開展整縣(市、區(qū))推進屋頂分布式光伏的開發(fā)試點工作?！锻ㄖ访鞔_規(guī)定，縣(市、區(qū))黨政機關建筑，學校、醫(yī)院、村委會等公共建筑，工商業(yè)廠房以及農村居民住宅的屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例分別不低于50%、40%、30%和20%，同時鼓勵各地方政府利用財政補貼等措施對試點工作進行支持。在這一政策的激勵下，各地方政府迅速響應，全國已有20省出臺相關政策推行試點工作，我國光電建筑將迎來新的發(fā)展階段。

在光電建筑的推廣過程中，還有諸多問題需要解決。目前建筑與光伏行業(yè)缺少溝通和合作機制，行業(yè)間的割裂現象較為普遍。傳統的光伏產品立足于降低成本、提高轉換效率，缺乏對建筑行業(yè)的了解和建材制造的能力，對建筑要求的防水、采光、耐熱和通風等性能欠缺考慮。同時，傳統建筑存在方案設計、建筑施工等多個階段，不同建材有明確的接入點，而光伏組件介入建筑的時間較為滯后，導致其為了滿足建筑在顏色、材質和形狀等要求，需要頻繁修改光伏組件的設計，加大施工難度，拖慢施工進程；后期維修責任也是需要重點理清的問題。此外，從目前的光電建筑行業(yè)標準來看，主要集中在建筑領域，缺乏針對光伏發(fā)電的標準規(guī)范。

雖然近年來我國加快了針對光電建筑的國家標準體系的建設，例如在 2019 年發(fā)布的《建筑光伏幕墻采光頂檢測方法》和《光伏與建筑一體化發(fā)電系統驗收規(guī)范》。但現階段光電建筑的標準制定大多依靠行業(yè)內的討論或地方政府的規(guī)劃，尚未形成全國性的光電統一標準體系。

5 結語

目前，我國光電建筑雖然處在起步階段，但是在“碳達峰、碳中和”的背景下，國家出臺多項政策推動綠色建筑和整縣分布式光伏的發(fā)展，光電建筑將迎來重要發(fā)展契機。在這一過程需要注意以下兩點：①綜合考慮BAPV和BIPV的選擇，在此基礎上偏重BIPV。②建筑與光伏制造企業(yè)應積極合作，共同攻克光伏與建筑結合中的難題，我國也要完善光電建筑的相關標準。