光电建筑应用发展的现状

2021-04-28边萌萌张昕宇孙峙峰李博佳黄祝连王博渊

太阳能 2021年4期

徐伟，边萌萌，张昕宇，何涛，孙峙峰，李博佳，王敏，黄祝连，王博渊

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

在2020年第75届联合国大会一般性辩论上，中国提出了“将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值(下文简称‘碳达峰’)，努力争取2060年前实现‘碳中和’”的承诺。我国建筑碳排放量占全国碳排放总量的近1/3，且随着城市化进程的加快，这一比例还在不断提高；我国每年新增建筑面积达20亿m2，这也意味着建筑领域的温室气体排放量仍将进一步攀升，因此，建筑领域的节能减碳是实现我国“碳达峰”“碳中和”目标的关键一环[1]。我国的建筑节能工作开始于20世纪80年代初[2]，通过采用被动式建筑设计和应用高效暖通空调设备，建筑能耗现已实现了大幅降低；再加上GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》[3]的发布与实施，标志着建筑节能已经迈向超低、近零和零能耗，而这对可再生能源的应用提出了新要求。我国既有建筑面积为600 亿m2，按光伏发电可安装面积为建筑面积的1/6测算，光伏发电装机容量可达1500 GWp，年发电量可达1.5万亿kWh[4]。

欧洲、美国、日本等国家和地区自20世纪90年代开始发展并网光伏发电系统，比如美国开展了“百万太阳能屋顶计划”[5]、日本开展了“新阳光计划”[6]等，将光伏组件安装在建筑物的屋顶，利用光伏电力缓解电网的峰值负荷。而我国光伏发电与建筑的集成应用，即光电建筑的起步较晚，最早是从公共建筑的幕墙开始[7]，在国家相关政策的支持下，我国光电建筑的发展现处于快速上升期，光电建筑是光伏发电系统与建筑物功能及外观协调的有机结合，是零能耗建筑发展的必然。

本文针对光电建筑的应用发展现状，从与建筑集成的光伏发电技术的发展、光电建筑集成技术的发展、光电建筑的安全性能、国内外光电建筑相关标准及应用案例5方面进行了详细调研与分析，并提出了光电建筑应用发展中需要提升的方面及发展方向。

1 与建筑集成的光伏发电技术的发展

1.1 太阳电池技术的发展

光伏组件是光伏发电系统中的核心部件，而太阳电池则是光伏组件的核心部件，近年来太阳电池技术发展迅速，其光电转换效率不断提升，同时光伏发电系统的发电成本也在快速下降。截至2020年，各种太阳电池的实验室最高光电转换效率及产业化光电转换效率如表1所示。2019年11月，美国Lazard投资银行发布，全球光伏发电的平准化度电成本(LCOE)已降至0.04美元/kWh[8]。

表1 各种太阳电池技术的对比[9]Table 1 Comparison of various solar cell technologies

从表1可以看出，在各类太阳电池中，晶体硅太阳电池技术发展最早，技术成熟度最高，目前国际上其实验室最高光电转换效率为26.1%。碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池技术在近几年发展较快，光电转换效率不断上升，实验室最高光电转换效率分别达到了22.1%和23.4%；与晶体硅太阳电池相比，CdTe薄膜太阳电池、CIGS薄膜太阳电池具有弱光性好、温度系数低等优点，适用范围较广。新型太阳电池中发展最快的是钙钛矿太阳电池，其实验室最高光电转换效率已从2009年的3.8%提升至2020年的25.5%；且钙钛矿光伏组件可实现一定的透光度和可弯折度，便于实现光伏发电与建筑外围护结构的集成，但钙钛矿光伏组件的稳定性是目前尚需解决的重要问题。

目前，我国光伏产业制造规模和应用规模全球领先，为进一步提升光伏产业的发展质量和效率，实现光伏智能创新驱动和持续健康发展，国家发展和改革委员会、国家能源局、财政部、工业和信息化部等部门陆续出台了《能效“领跑者”制度实施方案》、《智能光伏产业发展行动计划(2018-2020年)》(工信部联电子[2018]68号)和《光伏制造行业规范条件(2021年本)》(下文简称《规范条件》)等相关文件。其中，《规范条件》对光伏产品提出了具体要求：多晶硅太阳电池和单晶硅太阳电池的平均光电转换效率分别不低于19%和22.5%，硅基光伏组件、CIGS薄膜光伏组件、CdTe薄膜光伏组件及其他薄膜光伏组件的平均光电转换效率分别不低于12%、15%、14%、14%。该《规范条件》于2021年3月15日正式实施，将引导太阳电池技术向更高光电转换效率方向发展。

1.2 建筑用光伏组件技术的发展

在国家相关政策的支持下，光伏发电系统与建筑结合应用呈现出良好的发展态势，光伏组件也朝着建材化和构件化的方向发展。国内许多光伏产品生产企业也推出了与建筑结合的光伏产品，即建筑用光伏组件，这些生产企业具体如表2所示。

从表2可以看出，生产建筑用晶体硅光伏组件的企业有隆基、上迈和英利嘉盛等，这些生产企业开发了基于晶体硅光伏组件技术的屋顶光伏构件，实现了光伏组件与建筑屋面及外墙的结合；CIGS薄膜光伏组件的生产企业有凯盛和汉能等；CdTe薄膜光伏组件的生产企业有中山瑞科、龙焱和中建材成都等，这些生产企业都推出了适用于建筑屋面、外墙的光伏组件，可以根据建筑外墙的需要展现不同的颜色和图案，且光伏组件的透光性可调，可以满足室内的采光需求[11-12]。

表2 国内市场上建筑用光伏组件的生产企业Table 2 Manufacturers of PV modules used in building in domestic market

2 光电建筑集成技术的发展

与建筑集成的光伏发电系统需要满足“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针，以及满足建筑的结构安全和电气安全的基本需求。目前，关于光伏发电系统在建筑中的应用研究热点集中在光伏发电系统对建筑能耗的影响及光伏发电系统输出功率的提升两方面。

2.1 光伏发电系统对建筑能耗的影响

光伏组件安装在建筑表面时，其因发电产生的热能会影响建筑热环境及供暖空调的能耗。国内外学者对此进行了深入的研究。

TOLEDO等[13]对4种太阳电池(多晶硅、CdTe薄膜、非晶硅薄膜和有机太阳电池)在建筑中应用时的热性能进行了理论和实验研究，并修正了预测该4种光伏组件工作温度的计算公式(额定电池工作温度(NOTC)模型和桑迪亚实验室(SNL)模型下)，为建筑室内热环境预测提供了理论基础。边萌萌[14]通过模拟与实验相结合的方式，研究了不同气候区自然通风条件下的光伏墙体对建筑冷、热负荷及光伏发电量的影响，结果表明，在自然通风条件下，光伏组件合理的安装间距可以在提高光伏发电量的同时降低建筑的冷、热负荷。周宏敞等[15]通过CFD模拟对建筑外墙采用CIGS薄膜光伏组件后建筑的冷、热负荷进行了研究，发现夏季和冬季时建筑的冷、热负荷均有所降低。

光伏发电系统产生的直流电经逆变设备转换成交流电后为建筑提供能源，而大型用电负载(如风机、泵、压缩机、电动汽车)通常内置交流-直流转换器，在直流电驱动下运行[16]。电源侧和用电侧分别进行直流/交流转换不仅会增加设备的成本投入和故障点，还会造成近10%的直流转换损失。因此，近年来对直流建筑的研究增多。

2.2 光伏发电系统输出功率的提升

与建筑集成的光伏发电系统通常在高温、低太阳辐照度条件下运行，若不同朝向的光伏组件共用逆变器则可以实现东、西、南立面光伏组件输出功率的动态叠加，既提升了光伏发电系统的输出功率，又降低了逆变器的数量和成本[17]。SOLANO等[18]通过模拟计算和实验验证的方法，提出了一种基于蓄电池储能容量的智能控制模型，通过蓄电池控制提升了光伏发电系统的发电量，从而可以实现光伏发电系统发电量达到建筑耗电量的50%。

与建筑集成的光伏组件较易被相邻建筑、树荫或建筑自身遮挡，被遮挡的光伏组件不仅不能发电，还会成为负载消耗发电量，造成电力浪费。比如，YADAV等[19]定量分析了遮挡对光伏发电系统输出功率的影响，并提出了根据周围建筑的宽度、高度和楼间距等参数计算光伏组件最佳安装倾角及光伏发电系统输出功率的方法。PAREEK等[20]提出了一种光伏阵列的优化连接方法，与常规采用的串并联方式(series-parallel，SP)和全连接方式(total-cross-tied，TCT)相比，该连接方法能够降低因组件局部固定遮挡引起的光伏发电系统输出功率损耗，且结构更为简单，光伏阵列中各光伏组件之间的连线数量和光伏阵列的安装成本显著降低。FATH等[21]提出了一种应对光伏组件局部遮挡、提高光伏发电系统输出功率的方法，即将产生局部遮挡的光伏组件串联在一起，以降低输出功率损失。还有研究者提出，将整个光伏发电系统分为多个子系统并分开控制，从而实现各个子系统的最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)[22]。

3 光电建筑的安全性能

光电建筑的安全性能包括结构安全、电气安全和防火安全3个方面。

3.1 结构安全

光电建筑及相应的建筑用光伏组件应能承受风、雪等引起的机械荷载。DAI等[23]对玻璃衬底的光伏组件的机械性能和热性能进行了理论研究，结果发现，当非晶硅薄膜光伏组件在365 MPa的拉应力下，发生1.03%的应变，开路电压下降幅度在4%以内；而其在800 kN的压应力下，产生0.68%的应变，开路电压下降了80%，且与结构胶的连接发生了明显脱落，存在一定的安全隐患。

优化光伏组件的安装方法亦可减轻机械荷载。BORREBÆK等[24]总结并分析了现有建筑用光伏组件应对冰雹、雨雪及冰晶等天气的方法，比如采用光伏组件无边框安装方法可避免雨雪堆积、减轻荷载。隆基、上迈等企业生产的建筑用光伏组件采用的就是无边框的安装方法。

3.2 电气安全

当光伏组件与建筑外墙等部位结合时，由于其可被安装人员及居住者直接接触到，而光伏组件串并联后的电压可达1000 V以上，远大于GB/T 3805-2008《特低电压(ELV)限值》[25]中规定的直接接触电压限值36 V，因此在其安装及运行过程中均存在电击隐患，应引起足够重视。中国建筑科学研究院有限公司主编的团体标准《建筑光伏控制及变配电设备技术要求》规定了建筑光伏发电系统应设置可紧急断开所有直流电路和交流电路的快速关断装置及电弧故障保护装置等，有利于提高光伏发电系统的电气安全性能。

3.3 防火安全

由于光伏发电系统的直流电压较高，其应用于建筑时会存在高压直流电弧等火灾风险[26]。但FALVO等[27]通过采用多个微型逆变器的设计，有效降低了光伏发电系统高压直流电弧隐患。由于光伏组件用EVA胶膜属于快速易燃物，在高温下会释放含烃类的气体[28]，因此，采用EVA胶膜的光伏组件在建筑中的适用性还有待研究。有研究表明，光伏组件的安装倾角对火灾的蔓延速度存在影响，光伏组件的安装倾角越小，火灾发生时蔓延速度越快且火灾后果越严重[29]。美国太阳能规范和标准委员会(Solar America Board for Codes and Standards)[30]实验研究了屋顶平行架空安装光伏阵列对屋面防火等级的影响。在燃烧实验中，由于架空层的“烟囱效应”，火焰蔓延速度不满足建筑防火等级的要求。架空安装时，光伏组件与屋面间的安装间距及光伏组件边缘与屋面边缘的距离也会对火灾的蔓延速度和火灾严重性产生影响[31]。

现有的火灾性能研究多侧重于光伏组件等光伏产品的性能研究，关于光伏组件在建筑应用方面的防火性能的研究尚较少，且光电建筑防火验收尚未出台明确的规定。

4 国内外光电建筑相关标准

以下从国内、国外2个方面对国内外光电建筑相关标准的编制情况进行介绍。

4.1 国际标准

目前，与光电建筑相关的国际标准主要有国际电工委员会IEC标准、欧盟EN标准和国际标准化组织ISO标准[32]。按照内容不同，这些标准可分为2类：建筑用光伏发电系统、建筑用光伏组件或材料。光电建筑相关国际标准的情况如表3所示。

表3 光电建筑相关国际标准的情况Table 3 International standards related to photoelectric building

表3中，建筑用光伏发电系统的标准主要有IEC 63092-2:2020[33]、EN 50583-2:2016[34]和IEC TR 63226:2021[35]。其中，IEC 63092-2:2020和EN 50583-2:2016均在光伏行业标准的基础上，针对建筑的应用特点提出了建筑用光伏发电系统抗风、雪荷载及节能保温性能方面的要求，EN 50583-2:2016还提出了根据光伏组件的安装位置及材料确定测试防火等级的方法；IEC TR 63226:2021则主要针对的是建筑用光伏发电系统的风险管理。

建筑用光伏组件或材料的标准主要有IEC 63092-1:2020[36]、EN 50583-1:2016[37]和ISO/TS 18178:2018[38]。其中，IEC 63092-1:2020和EN 50583-1:2016给出了建筑用光伏组件的定义和分类，同时要求光伏组件应满足建筑材料的要求，如机械荷载、水密性、气密性、光学性能等；ISO/TS 18178:2018探讨了建筑用光伏产品的电气、机械及安全性能等，采用的试验方法主要引用IEC 61215-2:2016和ISO 12543-4:2011中的测试方法。

4.2 国内标准

目前，国内与光电建筑相关的标准主要包括国家、行业、团体和地方标准。根据标准的适用范围不同，主要分为光电建筑工程标准和光电建筑相关产品标准这2类。光电建筑相关国内标准情况如表4所示。

表4中，光电建筑工程标准中的国家标准主要包括GB/T 36963-2018、GB/T 37655-2019和GB/T 51368-2019[39]等。此类标准的主要内容涉及光伏发电系统的设计、施工安装、验收和运行维护等，要求光伏发电系统应满足建筑美观、光环境、防火等要求及功能需求，并符合建筑安全规范；同时建筑应为光伏组件接收到充足的日照创造条件[39]，标准基本涵盖光电建筑的全部环节，但是对于光电建筑的消防验收无明确规定。

光电建筑相关产品标准主要包括3个方面：建筑用光伏组件或材料(如GB/T 37268-2018、GB/T 29759-2013、GB 29551-2013、JG/T 465-2014、JG/T 492-2016和T/CECS 10093-2020[40])，建筑用光伏发电系统(如GB/T 19064-2003、GB/T 16895.32-2008、JGJ/T 365-2015、DB 13/T 2826-2018和T/CECS 10094-2020)，建筑用光伏组件测试方法(如GB/T 37052-2018、GB/T 38388-2019和GB/T 38344-2019)。其中，中国建筑科学研究院有限公司主编的T/CECS 10093-2020[40]、T/CECS 10094-2020[41]和《村镇离网型光伏发电系统》，针对建筑的应用环境提出了光伏组件及光伏发电系统在雨水渗透、结构变形、功率输出等方面的技术要求和试验方法，为保障建筑用光伏产品的质量提供了依据。

表4 光电建筑相关国内标准情况Table 4 Domestic standards related to photoelectric building

4.3 小结

通过以上针对国内外光电建筑相关标准的研究可以发现，从标准的类型来看，现有标准侧重于建筑用光伏组件/光伏发电系统等产品，关于光电建筑工程的相关标准较少；从标准的内容来看，主要规范了光电建筑中电气、结构、节能保温等内容，防火等安全性能的指标与测试方法尚没有具体的规定，需进一步深入研究。

5 应用案例

5.1 2019中国北京世界园艺博览会——中国馆[42-43]

中国馆是2019中国北京世界园艺博览会的标志性建筑，其采用1056块透光率为12%的彩色CdTe薄膜光伏组件，如图1所示，总装机容量为70 kWp，年发电量为5～6 万kWh；其所发电量就近汇入场馆内的配电系统，可提供场馆二层东、西2个展厅的普通照明用电。由于彩色CdTe薄膜光伏组件的制造工艺较为复杂，因此该项目的整体造价较高。

图1 2019中国北京世界园艺博览会中国馆室内实景Fig. 1 Indoor view of China Pavilion of Beijing Expo 2019

5.2 惠州潼湖科技小镇[44-45]

惠州潼湖科技小镇项目是我国首个CIGS薄膜光电建筑示范项目，共包括3栋光电建筑。这3栋光电建筑位于广东省惠州潼湖科技小镇园区西侧，于2018年投入使用，建筑用途包括园区控制中心、实验室及办公室等，建筑层数为3～5层；采用CIGS薄膜光伏组件作为建筑外墙材料，3栋建筑共安装了2037块光伏组件，建成后年发电量约为12.3万kWh。该项目中光伏发电系统的设计结合了当地夏热冬暖的气候特点及建筑的冷、热负荷特性，提高了光伏发电系统与建筑的匹配性。惠州潼湖科技小镇中某光电建筑立面的实景图如图2所示。

图2 惠州潼湖科技小镇中某光电建筑立面的实景Fig. 2 Real scene of facade of a photoelectric building of Tonghu Sci-Tech Town in Huizhou

5.3 国家能源集团BIPV中心[46]

国家能源集团BIPV中心位于北京市昌平区未来科学城，是国家住房和城乡建设部课题的重要示范项目之一。该项目的建筑面积为1054 m2，共采用914块CIGS薄膜光伏组件，安装于建筑立面及屋顶，总装机容量为88.9 kW，年发电量约为8万kWh，可满足建筑部分用电需求。为提高展示度及研究性，该项目采用了呼吸式光伏幕墙、可调节式光伏天窗系统、能源管控平台等多项技术。国家能源集团BIPV中心实景如图3所示。

图3 国家能源集团BIPV中心的实景Fig. 3 Real scene of BIPV center of CHN energy

5.4 大同能源馆[47]

大同能源馆是山西政府主办的大型能源主题展馆，建于2019年，总建筑面积为2.8万m2。建筑中光伏发电系统与储能系统、暖通空调系统、数据机房、室内照明、路灯等直流负荷构成全直流系统，为“光伏+直流”的应用起到了示范作用。其中，采用白色仿铝材型CdTe薄膜光伏组件安装在建筑上部及屋顶部分作为光伏幕墙和光伏采光顶，光伏组件的总安装面积为1.07万m2，装机容量为917 kW，年发电量可达123.54万kWh。大同能源馆实景如图4所示。

图4 大同能源馆的实景Fig. 4 Real scene of Datong energy museum

5.5 广州珠江城大厦

广州珠江城大厦的设计高度为309 m，地面上楼层共71层，建筑面积为171379 m2，获得了LEED-CS铂金级认证及绿色建筑三星认证[48]。建筑中光伏组件分别安装在大厦屋顶、东西面遮阳百叶和南面塔楼部分区域，分别采用了单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件，总安装面积将近1110 m2，年发电量约为15.2万kWh。该项目为光伏发电系统在高层建筑的应用起到了示范作用。珠江城大厦的光伏组件在百叶窗上安装的效果图如图5所示[49]。