光伏建筑一体化技术的应用及展望_沈瑾.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月积极应对气候变化是当下全人类共同的事业。过多温室气体排放导致的全球气候变暖，早已对全人类的健康生活、生存发展产生了重大影响。据数据统计，目前全球C O2年平均体积分数已经超过0.0 4 15%，创造了有史以来的最高纪录。因此，减少和控制C O2排放已经成为遏制全球气候变暖的关键措施。由近2 0 0个国家共同努力达成的全球气候协议巴黎协定于2 0 1 6年1 1月4日正式生效，为2 0 2 0年后全球合作应对气候变化指明了方向，提出了目标，是具有里程碑意义的“历史性时刻”。在2 0 2 0年9月第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席郑重做出中国承诺，“二氧化碳排放力争于2 0 3 0年前达到峰值，努力争取2 0 6 0年前实现碳中和。”这彰显了大国担当。中国要想全面实现“3 0 6 0”双碳目标，最主要的途径是调整能源发展战略，改变能源发展结构，降低化石能源消费比例，增加可再生能源使用比例，即“碳减排、增绿电”。中国建筑节能协会能耗专委会发布的中国建筑能耗研究报告（2 0 2 0）中，2 0 1 8年全国建筑全过程碳排放总量占全国碳排放比例达到5 1.3%，所以有效减少建筑行业的碳排放，对于“碳减排”至关重要。根据中国2 0 5 0年光伏发展展望报告可知，随着中国的能源结构转型，至2 0 5 0年光伏发电将成为中国第一大电力来源，约占当年全国用电量的4 0%。因此，光伏和建筑行业的跨界深度融合，即光伏建筑一体化，可有效助力实现碳达峰，完成碳中和目标。1光伏建筑一体化的基本概念光伏建筑一体化（B u ild in gIn te g ra te dP V，以下简称B IP V），是具有一体化思维的新型建筑形式，是将太阳能光伏产品集成到建筑上，与建筑物同时设计、同时施工、同时安装，并与建筑物完美结合的太阳能光伏发电系统。实际工作时，还可将光伏多功能建筑组件与建筑照明、建筑遮阳等相结合实现更多功能，是更为先进的绿色建筑形式，是未来分布式光伏的主流，也是加速实现“双碳”目标的有效手段1。完整的B IP V 系统由六大模块组成，分别是光伏电池模块、充放电控制器、储能系统、交流逆变电源、电路保护系统和备用电源。B IP V 系统的设计需从产品全生命周期成本的角度出发，仔细选择和指定核心设备组件，还应考虑建筑物的使用、位置方向、电力负荷和安全规范等问题，让终端用户真正体验到先进绿色建筑所带来的科技感和舒适感2。收稿日期：2022-10-25作者简介：沈瑾，1976年生，女，江苏镇江人，硕士，副教授，主要从事高等职业教育建筑设备专业和环境工程专业教育教学工作。光伏建筑一体化技术的应用及展望沈瑾（南京高等职业技术学校，江苏 南京2 1 0 0 1 9）摘要：在碳达峰、碳中和的目标下，如何有效利用光伏发电技术，实现建筑领域的节能减排，切实推进光伏建筑一体化融合发展，已经成为当前社会和业内重点关注的课题。简要介绍了光伏建筑一体化的基本概念和技术路线，并从光伏组件在建筑中的不同应用场景出发，剖析了不同的产品特性，阐述了光伏建筑一体化未来的市场空间以及面临的挑战。关键词：光伏建筑一体化；双碳目标；光伏屋面；光伏幕墙；光伏车棚中图分类号：T U 1 8文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 4 9-0 4Application and Prospect of Building Integrated Photovoltaic TechnologySHEN Jin(Nanjing Technical Vocational College,Nanjing 210019,Jiangsu,China)Abstract:To achieve the carbon peaking and carbon neutrality goals,the issue on how to effectively use photovoltaic powergeneration technology to achieve energy conservation and emission reduction in the building field and effectively promote theintegration and development of building integrated photovoltaic has become the focus of the current society and the industry.Thispaper introduced the basic concept and technical route of building integrated photovoltaic,analyzed different product characteristicsfrom different application scenarios of photovoltaic modules in buildings,and expounded the future market space and challengesof building integrated photovoltaic.Key words:building integrated photovoltaic;carbon peaking and carbon neutrality goals;photovoltaic roof;photovoltaic curtainwall;photovoltaic shed（总第2 1 0期）能源产业4 9 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0462 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月2光伏建筑一体化的技术路线概述光伏发电是利用半导体电子器件的光生伏特效应，吸收太阳光辐射能并转变成电能的直接发电方式。目前，光伏建筑一体化的主要技术路线，按照电池的种类可分为晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池3。晶硅太阳能电池，主要分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，光电转化效率普遍能达到1 5%2 5%。单晶硅太阳能电池是以高质量高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，是当前转换效率最高、技术也最为成熟的一种太阳能电池；多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺类似，由于材料制备简单，总体生产成本要低于单晶硅太阳能电池，但其光电转换效率要低于单晶硅太阳能电池。目前，晶硅太阳能电池技术路线成熟、光电性能稳定，是光伏电池的主流产品，占据了最广泛的应用市场；但由于晶硅组件尺寸高度标准化，在B IP V 的相关应用场景中无法满足定制化需求，应用受限。薄膜太阳能电池是指用单质元素、有机材料或者无机化合物等制作的以薄膜为基体材料的太阳能电池，主要包括碲化镉（C d T e）薄膜电池、硫化镉（C d S）薄膜电池、铜铟镓硒化物（C IG S）薄膜电池等。此类材料与晶硅材料相比，能够吸收更广的太阳光频谱范围；此类电池与晶硅太阳能电池相比，具有使用材料少、制造工艺简单、耗能少、成本造价低等优势，但光电转化效率整体偏低。当前，碲化镉薄膜电池在薄膜太阳能电池中市占率最高，具有弱光效应好、热斑效应弱、能够实现尺寸定制化等优点，且碲化镉薄膜组件色彩均匀，颜色可定制，整体感强，非常适合对建筑美学要求高的幕墙应用场景。铜铟镓硒薄膜电池具有生产成本低、弱光效应好且无光致衰退等优点，但镉具有毒性，制备工艺要求高。目前铜铟镓硒薄膜电池已实现产业化，并且在B IP V 领域得到广泛应用。3光伏建筑一体化的应用场景及其产品剖析太阳能光伏产品具备建材化和构件化的特性，是光伏建筑一体化发展的重要方向。随着多种具备建材功能的光伏产品涌出，建筑光伏的应用场景也呈现多样化。将光伏产品安装于建筑屋面上，称之为光伏屋面；将光伏产品安装于建筑立面上，称之为光伏幕墙；还可以将光伏产品安装于建筑附属结构上，比如建筑屋檐、建筑长廊等，形成光伏遮阳板。具备遮阳功能的光伏产品可与充电桩、储能设备相结合，对新能源汽车进行充电，称之为光伏车棚。光伏产品还可以与公交车亭、农业大棚等其他建筑主体形式结合，形成多样化的建筑光伏应用场景。3.1光伏屋面屋面是覆盖的建筑顶，是建筑围护结构的一部分，主要起到防御雨、雪、阳光、极端温度和风速等影响的作用。屋面材料是构成建筑围护的关键载体，将具备建材功能的光伏产品作为屋面材料，可有效吸收太阳光辐射，将多余的太阳能辐射进行储存和光电转换。光伏屋面根据屋面材料的不同，可大致分为金属屋面和混凝土屋面，它附着的下游建筑包括工商业厂房、居民建筑和公共建筑。其中，工商业厂房以金属屋面为主，还包括少量的混凝土屋面，而居民建筑和公共建筑以混凝土屋面为主。工商业厂房的屋面资源丰富，具有屋面面积大、业主用电量多且用电成本高的特点，因此，经济性与安全性成为业主考虑的首要问题，再通过基于全生命周期的净收益测算模型测算后，与传统的工商业分布式光伏电站对比，B IP V 与工商业厂房屋面更适配。以1 00 0 0m2的工商业厂房为例，在2 5a使用期限内，工商业厂房式B IP V 的投资静态回收期为6 7a，相比于传统式缩短了1 2a，具备了更好的投资收益和发电效益。金属屋面结构的工商业厂房，是光伏建筑一体化非常重要的一个应用场景4，而光伏产品作为屋面材料，除了基本的光伏发电功能外，还应承担建筑材料必须的建材属性，其中防水性能至关重要。不同解决方案系统提供商的核心优势不同，所提供的防水设计方案也有很大的差异，目前金属屋面市场上主流的防水设计方案有以下两种。a)导水槽式防水，原理是通过横槽和竖槽的导水槽或者W 形和U 形的导水槽，导入环形收集器中，通过屋顶排水沟将水排出。具有代表性的系统提供商有阳光新能源的iB u ild in g智慧B IP V 系统，中信博的智顶B IP V 系统、双顶B IP V 系统，以及厦门国瑞能的能舍-B IP V 系统。b)构件式防水，原理是采用新型高质量的彩钢瓦（使用年限可达2 5a以上），通过榫卯或者建筑结构胶与组件进行连接，以1 8 0或3 6 0锁边的方式并配合排水槽来实现高防水性。具有代表性的系统提供商有天合光能的天能瓦B IP V、晶科能源的晶科B IP V彩钢瓦以及隆基股份的隆顶B IP V。随着屋面防水技术的不断革新，新型的防水材料和技术层出不穷，其中，T P O（热塑性聚烯烃防水卷材）柔性屋面防水技术应用最为广泛和成熟，因此针对T P O 柔性屋面的光伏屋面B IP V 产品也应运而生。柔性屋面B IP V 的解决方案是将光伏组件、保温材料、防水卷材T P O 以及彩钢瓦进行集成，通过铺设T P O 卷材和提供预制件的方式构建光伏柔性屋面防水系统。具有代表性的系统提供商有东方雨虹的虹昇光伏系统、江苏凯伦的C S P V 系统以及北新防水的北新-B IP V 防水系统。5 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月3.2光伏幕墙光伏屋面是当前B IP V 非常重要的应用场景，但随着用电需求的增加，光伏屋面无法满足高层建筑的用电需求；相较于建筑屋面，表面积更大的建筑立面更符合要求，能够有效提升发电量，满足高层建筑发电需求。因此利用建筑立面安装光伏产品也显得尤为重要，也是未来进行建筑碳减排、实现建筑碳中和的必要路径。光伏幕墙是将建筑立面幕墙与光伏发电功能相结合，在具备卓越稳定的安全性能的基础上，采用薄膜太阳能电池或晶硅组件让建筑自主发电5。同时，发电的建筑立面可拥有不同花纹、多种色彩，能适配全球主流的建筑风格，可以为各类建筑提供一体化的解决方案。光伏幕墙除了满足基本的组件性能和发电功能外，同样需要满足建筑幕墙的建材性能需求，例如抗风压、气密性、美观度等，尤其是针对高层建筑的极高防火性能要求。因此高质量的光伏产品的应用至关重要。目前，针对光伏幕墙，按照电池种类的不同可分为晶硅类幕墙B IP V 系统和薄膜类幕墙B IP V 系统