光电建筑的技术发展与市场前景分析

师 军，周 彤

(1.天水财信实业有限公司，甘肃 天水 741000；2.甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

在现有的可再生能源技术中，太阳能光伏发电因其在能源生产、运行和维护方面的优势而被认为是最有前途的技术。太阳能光伏发电是最简单的能量转换装置，可以有效地将太阳能转化为电能。光伏在建筑领域的应用，将现有建筑从能源消费者转变为能源生产者。建筑行业的碳排放量占全国51.3%，是我国实现“双碳”目标的主战场[1]。随着我国“双碳”政策的实施，太阳能光伏建筑越来越受到关注。

具备光伏发电功能的建筑也称为光电建筑，英文全称Photovoltaic Building，本质为建筑。光电建筑构成部分包括建筑主体结构、光伏外围护结构、光伏附属设施等，其中光伏外围护结构主要为光伏屋顶和光伏幕墙，光伏附属设施包括光伏遮阳棚、光伏栏杆立面、光伏女儿墙等。

光伏与建筑结合主要有后置式光伏发电屋面系统BAPV(Building Attached Photovoltaic)和光伏建筑一体化BIPV(Building Integrated Photovoltaic)2种形式(见图1)。从定义来看，BIPV是一种将光伏产品集成到建筑上的技术；而BAPV则是简单地将光伏系统附着在建筑上，因此BIPV更具备产品集成的特质。从施工过程来看，BAPV采用特殊的支架将光伏组件固定于原有建筑结构表面，BIPV则是与建筑物同时设计、施工和安装，并与建筑物形成高度结合。从结构类型来看，BAPV主要是“安装型”光伏建筑，主要功能是发电，不破坏或削弱原有建筑物的功能；而BIPV是“构件型”和“建材型”光伏建筑，作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，与建筑物形成统一体[2-3]。

(a)BAPV (b)BIPV

1 BAPV与BIPV的对比

对于BAPV和BIPV两种光电建筑形式，建造及维护成本是建设者优先考虑的因素。表1是某钢结构厂房BAPV与BIPV的工程直观造价。综合材料造价来看，采用BIPV系统比BAPV系统可节约材料164元/m2。中长期来看，BIPV系统具有更长的使用寿命，全生命周期角度具有可观的经济性[4]。但在实际建造及运行过程中，会面临更加复杂的情况。

BIPV的集成度非常高，光伏阵列可以作为建筑围护结构，如幕墙、遮阳篷、窗户和天窗。这种形式的优点是在建筑上干净且有吸引力，并抵消了屋顶、立面或玻璃材料的成本，具备低碳环保、经济效益较好、靠近电力负荷中心等多种优势。然而，由于BIPV结构复杂，安装维护技术难度大，BIPV的总成本远高于BAPV。传统的建筑材料和围护结构可以有效地解决建筑荷载、排水和保温等问题，无需特殊设计，远低于BIPV的成本。受损的BIPV组件直接影响建筑物内部功能的使用。例如当光伏组件的防水结构被破坏时，安装有该光伏阵列的房间将无法保证居住条件。虽然BAPV只是使光伏组件与围护结构叠加，但它们的结构易于安装和维护，即使没有光伏模块，BAPV建筑物也可以正常运行。此外，BAPV在光伏阵列和建筑物表面之间留有空隙。该空隙对于光伏组件的散热具有重要作用，温度对晶体硅光伏组件的电性能和寿命具有重要影响。一般而言，电池工作温度每升高10℃，晶体硅光伏阵列的功率输出会降低约5%。而且，BAPV通常不会增加建筑物的热量增益，并且在大多数情况下，它们使屋顶免受太阳的直接照射。

对于存量改造项目，屋顶面情况复杂(平顶、斜坡等)，如果涉及拆除工程工作量较大或者影响正常的工作生活(如混凝土屋顶)，BAPV具有一定施工成本的优势。但对于彩钢板屋顶等拆除工程成本较低的项目，BIPV则具有优势。农村、工商业、公用事业新建建筑可以直接设计、安装BIPV，可以节约成本。BAPV对屋顶进行支座建设或者屋面改造，有一定漏水隐患；BIPV设计、施工一次成型，对屋面构件形成保护，不造成二次施工踩踏破坏。因此，现阶段应根据光伏技术、建筑形式、成本、建筑场地等情况进行选择。

表1 某钢结构厂房BAPV与BIPV系统成本分析

现阶段BAPV相较于BIPV具有一定的综合成本优势。但随着新材料与新技术的不断发展，BIPV的建设成本、光电效率、可靠性一直在稳步提升。而且，在建筑美学上，BIPV为建筑光伏一体化系统，其设计被纳入建筑总体规划，建成建筑的外观整体性更强。BAPV为后期安装的光伏组件，外观整体性较差。BIPV有着BAPV不能比拟的建筑美观优势。在未来的发展过程中，可以预见BIPV会成为光电建筑的主流。

2 基于光电建筑的分布式发电系统

光伏电站可分为集中式和分布式电站。其中，分布式又有工商业用与户用之分(见图2)。BAPV与BIPV均为分布式电站的分支。BAPV和BIPV的分布式发电系统可以分为离网型和并网型2类分布式[5]。

图2 光伏电站分类

离网型光伏发电系统可配有储能系统，在简易应用场景、电网不发达、消纳有压力的区域使用，其基本组成如图3所示。我国光伏发电多以集中式电站推广，这有赖于我国强大的经济模式和电网体系。若想进一步加快光伏对传统能源的渗透，分布式光伏的推广是必要的步骤，而在此过程中，简易应用场景、部分地区用电需求提升与电网的不发达，以及区域能源供需问题导致消纳存在障碍都为离网型光伏分布式系统提供了机会。离网型也称独立型发电系统，一般包括光伏电池方阵、蓄电池、太阳能充放电控制器、独立逆变器等设备。离网型发电系统不与电网相连，利用太阳能转化成电能储存在蓄电池中，在偏远山区、海岛以及路灯等地方被广泛应用。

图3 离网型光伏系统

并网型发电系统更适应城市、电网发达区域，有利于光伏发电的经济性以及平抑光伏发电峰谷特性，其基本组成如图4所示。并网型光伏发电系统不经过蓄电池储存电能，通过光伏组件产生的直流电通过并网逆变器转换成符合要求的交流电，直接输入公共电网。光照不足时，并网型系统从电网中获取电能。由于并网型光伏发电系统节省了蓄电池存储和释放能量的过程，减少能量消耗和空间占用，降低了运营成本。“自发自用，余量上网”的项目，收益端由3部分构成：第一部分是光伏发电节省的电费，其数值为自用的光伏发电量与用户电价的乘积；第二部分是电量上网的电费收入，其数值为上网电费与对应上网电价的乘积；第三部分是补贴收入，包括当地补贴和国家补贴两部分。

图4 并网型光伏系统

3 光电建筑技术进展

光电建筑所采用的光伏主要是第一代和第二代光伏产品。第一代是晶体硅光伏，分为单晶硅和多晶硅，现在应用非常普遍，我国在这个市场占有很大份额；第二代是品种繁多的薄膜电池，优点是材料用量少，最大的缺点是光电转化率只有晶体硅的1/2。

具体而言，BAPV采用的主要是晶硅光伏组件，BIPV则包括了晶硅光伏组件和薄膜光伏组件。目前，晶硅组件是光伏市场的主流产品，单位装机功率高，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。建筑物的屋顶受到的太阳辐射强度最高，适合使用晶硅光伏组件，而且屋顶光伏对建筑物不会产生美学方面的影响。随着新工艺不断被应用到晶体硅电池的研发，晶体硅类光伏电池的转换效率不断提高。目前单晶硅的转换效率高达25%，多晶硅的转换效率为20%。

薄膜太阳能电池色彩丰富、整体感强，可满足各种建筑外观需求，图5为非晶硅薄膜光伏组件构成的窗户。而且，随着技术的进展，薄膜类光伏具备更佳的弱光性和温度系数等优势，可以在弱光等环境中应用。因此，薄膜光伏的不断更新，使得建筑立面，包括建筑南墙都可以实现光电转换，且对于建筑外观具有美学提升，这无疑为BIPV的快速发展奠定了优势。

图5 非晶硅薄膜光伏组件

4 BIPV市场前景分析

以前我国光电建筑行业受困于高昂的建筑光伏成本、技术，以及发电价格。国内光电市场仍处于初步阶段。根据测算，目前我国光电建筑应用面积占既有建筑的比例仅约1%，渗透率较低，且以工商业屋顶应用为主，未来成长空间巨大。我国城市建筑以中高层为主，且存量建筑一般未考虑潜在建筑光伏安装的可能性，这无形加大了BAPV与BIPV改造、推广的难度。相比较而言，工商业、公共建筑、乡镇、农村地区有望成为光电建筑的主战场。尤其是 “整县推进”政策的实施，使我国分布式光伏进入发展新阶段。

2021年6月20日，为全面推进屋顶分布式光伏的发展，国家能源局发布了《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，在全国范围内开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏的开发试点工作。《通知》明确规定，县(市、区)党政机关建筑，学校、医院、村委会等公共建筑，工商业厂房以及农村居民住宅的屋顶总面积可安装光伏发电比例分别不低于50%、40%、30%和20%，同时鼓励各地方政府利用财政补贴等措施对试点工作进行支持。在这一政策的激励下，各地方政府迅速响应，全国已有20省出台相关政策推行试点工作，我国光电建筑将迎来新的发展阶段。

在光电建筑的推广过程中，还有诸多问题需要解决。目前建筑与光伏行业缺少沟通和合作机制，行业间的割裂现象较为普遍。传统的光伏产品立足于降低成本、提高转换效率，缺乏对建筑行业的了解和建材制造的能力，对建筑要求的防水、采光、耐热和通风等性能欠缺考虑。同时，传统建筑存在方案设计、建筑施工等多个阶段，不同建材有明确的接入点，而光伏组件介入建筑的时间较为滞后，导致其为了满足建筑在颜色、材质和形状等要求，需要频繁修改光伏组件的设计，加大施工难度，拖慢施工进程；后期维修责任也是需要重点理清的问题。此外，从目前的光电建筑行业标准来看，主要集中在建筑领域，缺乏针对光伏发电的标准规范。

虽然近年来我国加快了针对光电建筑的国家标准体系的建设，例如在 2019 年发布的《建筑光伏幕墙采光顶检测方法》和《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》。但现阶段光电建筑的标准制定大多依靠行业内的讨论或地方政府的规划，尚未形成全国性的光电统一标准体系。

5 结语

目前，我国光电建筑虽然处在起步阶段，但是在“碳达峰、碳中和”的背景下，国家出台多项政策推动绿色建筑和整县分布式光伏的发展，光电建筑将迎来重要发展契机。在这一过程需要注意以下两点：①综合考虑BAPV和BIPV的选择，在此基础上偏重BIPV。②建筑与光伏制造企业应积极合作，共同攻克光伏与建筑结合中的难题，我国也要完善光电建筑的相关标准。