2022年，全世界極端天氣頻發，6月，印度西北部已經熱得“起火”了，多地地表溫度已經超過了60℃；7月10日，上海中心氣象臺10日下午發出高溫紅色預警信號，當日最高氣溫達到40℃以上，7月13日，江蘇部分地區地表溫度達到65℃以上......
針對日益嚴峻的環境狀況，?巴黎協定? 把“全球平均溫升控制在相對工業革命前水平2℃之內” 作為長期氣溫控制目標，以減少氣候變化帶來的風險和影響。
碳達峰及碳中和成為國家重大戰略部署，建筑作為能源消耗的三大“巨頭”之一，急需轉型發展，將綠色技術融入其中，尋求可持續的生產和消費方式。
隨著國家不斷提高新能源應用的比例，太陽能在實際應用中越發廣泛，在工業、民眾生活中的應用日趨成熟。在國家“十三五”規劃中，發改委明確提出太陽能應用在2020年和2030年達到占比一次能源比重15％，20％的目標。
國家能源局下發的?關于報送整縣( 市、區) 屋頂分布式光伏開發試點方案的通知?提到：
黨政機關建筑屋頂總面積可安裝光伏發電比例不低于50％；
學校、醫院、村委會等公共建筑屋頂總面積可安裝光伏發電比例不低于40％；
工商業廠房屋頂總面積可安裝光伏發電比例不低于30％；
農村居民屋頂總面積可安裝光伏發電比例不低于20％。
住房和城鄉建設部等15部門聯合發布了關于加強縣城綠色低碳建設的意見，提出“通過提升新建廠房、公共建筑等屋頂光伏比例和實施光伏建筑一體化開發等方式，?降低傳統化石能源在建筑用能中的比例。”
目前已有北京、天津、上海、重 慶、內蒙古、浙江等多地發布光伏建筑一體化(BIPV) 未來 3~5年相關政策，?推動BIPV的大規模市場應用、高質量發展被提上議程，從國家到地方，光伏建筑一體化方興未艾，在“光伏＋”等政策鼓勵下，光伏建筑一體化將迎來蓬勃發展的時代。
光伏建筑一體化是一種將太陽能發電產品集成到建筑上的技術，即通過建筑物屋頂和立面與 光伏發電集成起來，使建筑物本身能夠利用太陽能發電，以滿足自身用電需求。
BIPV最早在1986年由世界能源組織首次提出，由于發展得早，BIPV技術在歐美等發達國家和地區已經應用得很成熟，而我國在這方面起步較晚 ，在國家相關政策的支持下才進入了快速發展期。
本文對BIPV的發展歷程進行了全面綜述，并結合國內外不同地區的實際案例詳細分析了此項技術的應用現狀和優缺點，并提出了BIPV未來的發展方向。
根據與建筑結合方式不同，光伏系統( PV System) 可分為兩大類，如表1所示。?
PV?的分類
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分類
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優點
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缺點
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BAPV
（結合式）
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改造容易、投資低、施工要求低
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視覺效果不美觀，
可能對室內環境有負面影響
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BIPV
（集成式）
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兼具 發 電 和 建 筑 結 構 作用、
滿足建筑美學要求
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設計和施工要求高，
技術研發難度大
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一類是BAPV( Building Attached Photovoltaic) ，即光伏方陣與建筑的結合，這種方式是在建筑物表面安裝光伏發電設備，建筑物作為光伏方陣載體，起支撐作用，BAPV一般是建筑物建好之后安裝的光伏系統。
然而大多數建筑在前期設計上不會考慮是否采用光伏系統，故后期存在重復施工的問題，也會浪費建筑材料。BAPV 在結構上會增加荷載，美觀上影響建筑的整體效果。
另一類是 BIPV，即光伏建筑一體化，簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力，這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。
BIPV示意圖
在這兩種方式中，BAPV作為光伏方陣與建筑的結合是一種常用的形式，特別是與建筑屋面的結合，由于不占用額外的地面空間，是光伏發電系統在城市中廣泛應用的最佳安裝方式，因而倍受關注。
BIPV作為光伏方陣與建筑的集成是一種高級形式，?它對光伏組件的要求較高，光伏組件不僅要滿足光伏發電的功能要求同時還要兼顧建筑結構的基本功能要求，未來這種方式有廣大的發展前景。
BAPV 更多是通過安裝的方式對建筑進行改造，而BIPV中光伏組件作為建筑的一部分融合在一起，既能發揮結構作用也能發揮光伏發電效果，做到真正的一體化。
BIPV系統可以根據客戶的需求，部分或整體替換建筑物的某個構件，BIPV的安裝形式應由地 區氣候條件、建筑物本身結構特點和光伏組件性能一起決定。同時，根據安裝地點的實際用電情況，在系統發電過剩時，可以使用儲能系統或者余電上網，實現自給自足。在系統發電能力不足時，可以使用電網的電能來滿足建筑物的用電需求。
采用光伏組件作為建筑玻璃幕墻，不僅可以保持建筑原有的功能性、安全性以及美觀需求 ，還能通過全年發電提供電能，同時太陽能轉換的熱能可滿足建筑的季節性能源需求。
固德威光伏幕墻??
在供暖季節產生熱空氣減少建筑的熱負荷，在非供暖季節產生熱水來滿足家庭需求。并且光伏組件內的水循環能降低光伏幕墻的溫度， 從而使系統始終保持良好高效的運行性能。國內著名的光伏幕墻工程有北京世園會中國館、嘉興火車站等。
將光伏構件鋪設在屋頂，形成光伏屋面，一般有兩種形式:第一種是常規分布式光伏屋面，這種形式是在已經建成的屋面鋪設太陽能板；第二種是瓦片式光伏屋面，這種方式使用太陽能瓦片取代建筑物常規瓦片，光伏發電系統直接成為屋面的一部分，不僅承擔發電任務，還扮演常規瓦片的結構支撐作用。
固德威光伏屋面展示圖
除了以上兩種應用最廣泛的形式，還有其他一些形式，比如百葉窗式光伏發電系統、窗間式光伏發電系統、遮陽棚式光伏發電系統等等。綜合來看，所有的BIPV安裝形式都是根據氣候條件、建筑物特點和業主要求來確定的，在進行應用時，應做到因地制宜，綜合考量發電效率、碳排放等各種因素之后采用綜合收益最大的方案。
目前的研究主要關注實際應用中BIPV系統綜合影響因素、BIPV系統效率提升方法、BIPV發展前景和技術挑戰、市場份額的刺激政策等方面，主要包括以下幾方面:
1）BIPV組件作為建筑物結構構件(例如幕墻鋁制框等)時，產生的裂縫對整個發電系統的影響。
2）在一些高樓密度大的城市區域，云層、霧 霾、周圍建筑物的遮蔽會影響實時光照輸入，從而使得BIPV實際輸出效率與模型計算值有偏差。
3）在BIPV組件上保持合理的溫度范圍，提高它們的效率，并通過減少熱循環和應力來延長 其工作壽命，增加輸出發電量。
4）基于不同種類的材料，例如電池、相變材料( PCM)組件等，提出了多種余電存儲解決方案。在使用電池的情況下，需要考慮的因素有材料制造工程、電解質意外釋放、毒性釋放、易燃、 降解和報廢管理等。有些PCM材料具有腐蝕性，火災隱患以及潛在的高毒性也是需要考慮的因素。
5）應該根據不同城市實際情況推進城市BIPV系統項目的實施，并且根據建筑物高度以及周圍建筑物密度來判斷使用何種BIPV。研究表明對于地處空曠區域較矮的建筑，光伏瓦片和光伏屋頂有最大發電潛力。然而，對于有高密度的高層和玻璃建筑的區域，光伏幕墻的潛力更為突出。
6）大量實例證明BIPV的運用能緩解對環境帶來的不利影響，除了量化緩解的程度以外，還 應考慮經濟可行性，其中包括如何降低混合動力系統整個生命周期內的電力消耗總成本、延長BIPV組件的壽命以及如何實現綠色回收等。
7）通過將建筑物的角色從能源消費者轉變為能源生產者，在發達國家建立近零能耗城市需要達到的標準以及程度，厘清實現這一目標的挑戰，以及有哪些利益相關者參與了這些挑戰。
BIPV 發展如此迅猛，與它本身具有很多優點密不可分，總結起來主要有以下幾點:
光伏建筑一體化利用的是太陽能發電，太陽能作為最清潔干凈的可再生能源，不會對生態環 境造成污染。在對BIPV組件進行的生命周期評估中，模擬數據表明BIPV組件從獲取原材料，生產、使用直至廢棄的整個過程的年度碳排放量遠遠低于傳統能源發電，并且隨著光伏儲能系統的技術成熟，相信能夠進一步降低BIPV的碳排量。
BIPV 的使用將提高建筑物的整體能源效率，就地發電可以最大限度地減少輸配電損耗， 提高電力輸出效率，最終降低太陽能發電的成本。
光伏發電儲能一體機
與安裝面積有限的傳統太陽能電池板(BAPV)不同，BIPV系統不需要額外的土地面積，因為它們取代了傳統的建筑材料，充分利用了建筑物外表面的空間，讓更多的建筑類型能夠使用太陽能發電。
固德威BIPV展示圖
雖然近年來BIPV產業發展迅猛，國家和地方也出臺了很多支持政策，但總體來看，其商業化程度仍然不是很高，僅占光伏應用的1％~3％。造成這種困境的原因如下:
BIPV最常見的問題是供需不匹配問題，太陽輻射在中午達到峰值時所產生的太陽能最高， 然 而由于人們現代生活的用電模式，午時的用電率一般較低，用電高峰期是在太陽能不再可用的日落之后，這導致了當用電需求較高時，僅僅依靠太陽能無法滿足生產生活需求，當用電需求較低時，額外的電力被輸送到電網中，從而造成供需不匹配，形成鴨子曲線。
光伏發電數字化管理
研究表明為了彌補用電高峰期的需求，電網供電無法靈活響應太陽能供應的快速起伏，關閉和重新啟動發電機不僅在經濟上不可行，而且會產生額外的碳排放。
在空氣污染嚴重地區，灰塵積累成了影響光伏組件性能的一個重要因素。使用傳統的人力很難解決這個問題，因為BIPV的大小、陣列或建筑物高度的變化會使得清潔工作更為復雜。
光伏車棚
目前市面上很少有除塵機器人能夠很好的解決BIPV組件清潔的問題。BIPV專用的清潔工具需要在設計階段考慮實際操作、能耗、滑動等因素。同時，BIPV作為建筑物的構件，一旦出現問題，維修過程會影響建筑物的正常使用，因此對 BIPV組件或系統運行的穩定性要求極高， 目前的制造水平還有待提高。
在對BIPV系統進行的耐火試驗和玻璃破碎試驗中， 分別測試了BIPV作為建筑物不同組成部分的耐火特性，結果表明當BIPV作為屋頂和幕墻時有較高的火災風險，這是因為接線盒和串 接器中的電弧是極度易燃的，一旦暴露于建筑物外部的火源將會造成嚴重后果。
在國際規范IEC 63092里涵蓋了與BIPV相關的電氣技術、結構以及安全的要求，但由于缺少 實際設計中的指導建議以及BIPV/T(Building Integrated Photovoltaic / Thermal)和供暖通風與空氣調節HVAC(Heating，Ventilation and Air Conditioning)集成的相關信息，造成的“灰色地帶”可能存在未意識到的隱患。
目前常用的BIPV測試是由IEC(International Electrical Technical Commission，IEC 61215)和UL (Underwriter Laboratories Inc，UL1703)規定的。然而，一些重要的測試，比如沖擊、推力、溫度循環和火災危險性測試沒有包括在IEC 61215中，又比如紫外線和低輻照度測試沒有包括在UL1703中。
光伏建筑較一般建筑來說建造成本較高，這是造成該技術在我國發展困難的主要因素。從光伏發電的電價成本來看，除政府補貼收入外，還受到裝機成本、光照條件、投資回收期和運營維護費用等因素的影響。
另外，大多數已經投入使用的BIPV系統都是根據建筑物獨特的特征定制設計的，比如建筑的類型、位置、方向、氣候等，對于之后的設計，現有系統無法作為參考或套用，這也增加了設計成本。
光伏組件在實際設計施工過程中涉及多個技術環節，每個環節都需要對應的標準。若同時考 慮回報率和一體化水平的因素，則需要制定一套標準來實現。
光伏建筑設計需要考慮陰影與遮蔽的問題。相關研究表明，光伏熱斑對光伏電池的影響嚴重，即使有小部分被遮蔽也能造成很高的能量損失，為了解決此問題，應仔細確定安裝光伏組件的地點。
目前PVSOL ，RETScreen ，PVSystem 等光伏設計軟件已能結合不同地區的天氣日照信息計算出組件的最佳斜角，然而BIPV的計算需要更多考慮周邊環境帶來的影響，例如在建筑立面上的最佳布置地點、最優角度和朝向、經濟可行性等。
BIPV 發展的最大阻礙是其高昂的成本，BIPV系統的初始成本包括逆變器、儲能系統或電網計量連接設備、故障保護、布線等成本，以及設計和安裝的費用。相信未來隨著技術逐漸成熟，BIPV 的設計以及產品的標準化會降低成本費用。
另外 ，能獲得一個光伏發電上網的固定電價也能使成本降低，BIPV在實際工程中的應用亦會更普及。
將 BIPV 作為產品投入市場并得到廣泛使用首先需要建立完善的配套維護設施和方案，例如清潔機器人、檢修設備、故障應急預案等。建議制造商根據他們的目標市場開發相關產品， 并且光伏組件作為建筑的一部分最終旨在服務于人，節能環保的同時也要保證居住舒適度 ， 比如在組件故障時如何通過儲備供電方案不影響居民正常用水用電也是需要考慮的。
參考資料：光伏建筑一體化(BIPV ) 應用現狀與發展前景，互聯網等。
原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：光伏建筑一體化(BIPV ) 應用現狀與發展前景
