光電建筑應用發展的現狀

徐 偉，邊萌萌，張昕宇，何 濤，孫峙峰，李博佳，王 敏，黃祝連，王博淵

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

在2020年第75屆聯合國大會一般性辯論上，中國提出了“將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值(下文簡稱‘碳達峰’)，努力爭取2060年前實現‘碳中和’”的承諾。 我國建筑碳排放量占全國碳排放總量的近1/3，且隨著城市化進程的加快，這一比例還在不斷提高；我國每年新增建筑面積達20億m2，這也意味著建筑領域的溫室氣體排放量仍將進一步攀升，因此，建筑領域的節能減碳是實現我國“碳達峰”“碳中和”目標的關鍵一環[1]。我國的建筑節能工作開始于20世紀80年代初[2]，通過采用被動式建筑設計和應用高效暖通空調設備，建筑能耗現已實現了大幅降低；再加上GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》[3]的發布與實施，標志著建筑節能已經邁向超低、近零和零能耗，而這對可再生能源的應用提出了新要求。我國既有建筑面積為600 億m2，按光伏發電可安裝面積為建筑面積的1/6測算，光伏發電裝機容量可達1500 GWp，年發電量可達1.5萬億kWh[4]。

歐洲、美國、日本等國家和地區自20世紀90年代開始發展并網光伏發電系統，比如美國開展了“百萬太陽能屋頂計劃”[5]、日本開展了“新陽光計劃”[6]等，將光伏組件安裝在建筑物的屋頂，利用光伏電力緩解電網的峰值負荷。而我國光伏發電與建筑的集成應用，即光電建筑的起步較晚，最早是從公共建筑的幕墻開始[7]，在國家相關政策的支持下，我國光電建筑的發展現處于快速上升期，光電建筑是光伏發電系統與建筑物功能及外觀協調的有機結合，是零能耗建筑發展的必然。

本文針對光電建筑的應用發展現狀，從與建筑集成的光伏發電技術的發展、光電建筑集成技術的發展、光電建筑的安全性能、國內外光電建筑相關標準及應用案例5方面進行了詳細調研與分析，并提出了光電建筑應用發展中需要提升的方面及發展方向。

1 與建筑集成的光伏發電技術的發展

1.1 太陽電池技術的發展

光伏組件是光伏發電系統中的核心部件，而太陽電池則是光伏組件的核心部件，近年來太陽電池技術發展迅速，其光電轉換效率不斷提升，同時光伏發電系統的發電成本也在快速下降。截至2020年，各種太陽電池的實驗室最高光電轉換效率及產業化光電轉換效率如表1所示。2019年11月，美國Lazard投資銀行發布，全球光伏發電的平準化度電成本(LCOE)已降至0.04美元/kWh[8]。

表1 各種太陽電池技術的對比[9]Table 1 Comparison of various solar cell technologies

從表1可以看出，在各類太陽電池中，晶體硅太陽電池技術發展最早，技術成熟度最高，目前國際上其實驗室最高光電轉換效率為26.1%。碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池技術在近幾年發展較快，光電轉換效率不斷上升，實驗室最高光電轉換效率分別達到了22.1%和23.4%；與晶體硅太陽電池相比，CdTe薄膜太陽電池、CIGS薄膜太陽電池具有弱光性好、溫度系數低等優點，適用范圍較廣。新型太陽電池中發展最快的是鈣鈦礦太陽電池，其實驗室最高光電轉換效率已從2009年的3.8%提升至2020年的25.5%；且鈣鈦礦光伏組件可實現一定的透光度和可彎折度，便于實現光伏發電與建筑外圍護結構的集成，但鈣鈦礦光伏組件的穩定性是目前尚需解決的重要問題。

目前，我國光伏產業制造規模和應用規模全球領先，為進一步提升光伏產業的發展質量和效率，實現光伏智能創新驅動和持續健康發展，國家發展和改革委員會、國家能源局、財政部、工業和信息化部等部門陸續出臺了《能效“領跑者”制度實施方案》、《智能光伏產業發展行動計劃(2018-2020年)》(工信部聯電子[2018]68號)和《光伏制造行業規范條件(2021年本)》(下文簡稱《規范條件》)等相關文件。其中，《規范條件》對光伏產品提出了具體要求：多晶硅太陽電池和單晶硅太陽電池的平均光電轉換效率分別不低于19%和22.5%，硅基光伏組件、CIGS薄膜光伏組件、CdTe薄膜光伏組件及其他薄膜光伏組件的平均光電轉換效率分別不低于12%、15%、14%、14%。該《規范條件》于2021年3月15日正式實施，將引導太陽電池技術向更高光電轉換效率方向發展。

1.2 建筑用光伏組件技術的發展

在國家相關政策的支持下，光伏發電系統與建筑結合應用呈現出良好的發展態勢，光伏組件也朝著建材化和構件化的方向發展。國內許多光伏產品生產企業也推出了與建筑結合的光伏產品，即建筑用光伏組件，這些生產企業具體如表2所示。

從表2可以看出，生產建筑用晶體硅光伏組件的企業有隆基、上邁和英利嘉盛等，這些生產企業開發了基于晶體硅光伏組件技術的屋頂光伏構件，實現了光伏組件與建筑屋面及外墻的結合；CIGS薄膜光伏組件的生產企業有凱盛和漢能等；CdTe薄膜光伏組件的生產企業有中山瑞科、龍焱和中建材成都等，這些生產企業都推出了適用于建筑屋面、外墻的光伏組件，可以根據建筑外墻的需要展現不同的顏色和圖案，且光伏組件的透光性可調，可以滿足室內的采光需求[11-12]。

表2 國內市場上建筑用光伏組件的生產企業Table 2 Manufacturers of PV modules used in building in domestic market

2 光電建筑集成技術的發展

與建筑集成的光伏發電系統需要滿足“適用、經濟、綠色、美觀”的建筑方針，以及滿足建筑的結構安全和電氣安全的基本需求。目前，關于光伏發電系統在建筑中的應用研究熱點集中在光伏發電系統對建筑能耗的影響及光伏發電系統輸出功率的提升兩方面。

2.1 光伏發電系統對建筑能耗的影響

光伏組件安裝在建筑表面時，其因發電產生的熱能會影響建筑熱環境及供暖空調的能耗。國內外學者對此進行了深入的研究。

TOLEDO等[13]對4種太陽電池(多晶硅、CdTe薄膜、非晶硅薄膜和有機太陽電池)在建筑中應用時的熱性能進行了理論和實驗研究，并修正了預測該4種光伏組件工作溫度的計算公式(額定電池工作溫度(NOTC)模型和桑迪亞實驗室(SNL)模型下)，為建筑室內熱環境預測提供了理論基礎。邊萌萌[14]通過模擬與實驗相結合的方式，研究了不同氣候區自然通風條件下的光伏墻體對建筑冷、熱負荷及光伏發電量的影響，結果表明，在自然通風條件下，光伏組件合理的安裝間距可以在提高光伏發電量的同時降低建筑的冷、熱負荷。周宏敞等[15]通過CFD模擬對建筑外墻采用CIGS薄膜光伏組件后建筑的冷、熱負荷進行了研究，發現夏季和冬季時建筑的冷、熱負荷均有所降低。

光伏發電系統產生的直流電經逆變設備轉換成交流電后為建筑提供能源，而大型用電負載(如風機、泵、壓縮機、電動汽車)通常內置交流-直流轉換器，在直流電驅動下運行[16]。電源側和用電側分別進行直流/交流轉換不僅會增加設備的成本投入和故障點，還會造成近10%的直流轉換損失。因此，近年來對直流建筑的研究增多。

2.2 光伏發電系統輸出功率的提升

與建筑集成的光伏發電系統通常在高溫、低太陽輻照度條件下運行，若不同朝向的光伏組件共用逆變器則可以實現東、西、南立面光伏組件輸出功率的動態疊加，既提升了光伏發電系統的輸出功率，又降低了逆變器的數量和成本[17]。SOLANO等[18]通過模擬計算和實驗驗證的方法，提出了一種基于蓄電池儲能容量的智能控制模型，通過蓄電池控制提升了光伏發電系統的發電量，從而可以實現光伏發電系統發電量達到建筑耗電量的50%。

與建筑集成的光伏組件較易被相鄰建筑、樹蔭或建筑自身遮擋，被遮擋的光伏組件不僅不能發電，還會成為負載消耗發電量，造成電力浪費。比如，YADAV等[19]定量分析了遮擋對光伏發電系統輸出功率的影響，并提出了根據周圍建筑的寬度、高度和樓間距等參數計算光伏組件最佳安裝傾角及光伏發電系統輸出功率的方法。PAREEK等[20]提出了一種光伏陣列的優化連接方法，與常規采用的串并聯方式(series-parallel，SP)和全連接方式(total-cross-tied，TCT)相比，該連接方法能夠降低因組件局部固定遮擋引起的光伏發電系統輸出功率損耗，且結構更為簡單，光伏陣列中各光伏組件之間的連線數量和光伏陣列的安裝成本顯著降低。FATH等[21]提出了一種應對光伏組件局部遮擋、提高光伏發電系統輸出功率的方法，即將產生局部遮擋的光伏組件串聯在一起，以降低輸出功率損失。還有研究者提出，將整個光伏發電系統分為多個子系統并分開控制，從而實現各個子系統的最大功率點追蹤(maximum power point tracking，MPPT)[22]。

3 光電建筑的安全性能

光電建筑的安全性能包括結構安全、電氣安全和防火安全3個方面。

3.1 結構安全

光電建筑及相應的建筑用光伏組件應能承受風、雪等引起的機械荷載。DAI等[23]對玻璃襯底的光伏組件的機械性能和熱性能進行了理論研究，結果發現，當非晶硅薄膜光伏組件在365 MPa的拉應力下，發生1.03%的應變，開路電壓下降幅度在4%以內；而其在800 kN的壓應力下，產生0.68%的應變，開路電壓下降了80%，且與結構膠的連接發生了明顯脫落，存在一定的安全隱患。

優化光伏組件的安裝方法亦可減輕機械荷載。BORREB?K等[24]總結并分析了現有建筑用光伏組件應對冰雹、雨雪及冰晶等天氣的方法，比如采用光伏組件無邊框安裝方法可避免雨雪堆積、減輕荷載。隆基、上邁等企業生產的建筑用光伏組件采用的就是無邊框的安裝方法。

3.2 電氣安全

當光伏組件與建筑外墻等部位結合時，由于其可被安裝人員及居住者直接接觸到，而光伏組件串并聯后的電壓可達1000 V以上，遠大于GB/T 3805-2008《特低電壓(ELV)限值》[25]中規定的直接接觸電壓限值36 V，因此在其安裝及運行過程中均存在電擊隱患，應引起足夠重視。中國建筑科學研究院有限公司主編的團體標準《建筑光伏控制及變配電設備技術要求》規定了建筑光伏發電系統應設置可緊急斷開所有直流電路和交流電路的快速關斷裝置及電弧故障保護裝置等，有利于提高光伏發電系統的電氣安全性能。

3.3 防火安全

由于光伏發電系統的直流電壓較高，其應用于建筑時會存在高壓直流電弧等火災風險[26]。但FALVO等[27]通過采用多個微型逆變器的設計，有效降低了光伏發電系統高壓直流電弧隱患。由于光伏組件用EVA膠膜屬于快速易燃物，在高溫下會釋放含烴類的氣體[28]，因此，采用EVA膠膜的光伏組件在建筑中的適用性還有待研究。有研究表明，光伏組件的安裝傾角對火災的蔓延速度存在影響，光伏組件的安裝傾角越小，火災發生時蔓延速度越快且火災后果越嚴重[29]。美國太陽能規范和標準委員會(Solar America Board for Codes and Standards)[30]實驗研究了屋頂平行架空安裝光伏陣列對屋面防火等級的影響。在燃燒實驗中，由于架空層的“煙囪效應”，火焰蔓延速度不滿足建筑防火等級的要求。架空安裝時，光伏組件與屋面間的安裝間距及光伏組件邊緣與屋面邊緣的距離也會對火災的蔓延速度和火災嚴重性產生影響[31]。

現有的火災性能研究多側重于光伏組件等光伏產品的性能研究，關于光伏組件在建筑應用方面的防火性能的研究尚較少，且光電建筑防火驗收尚未出臺明確的規定。

4 國內外光電建筑相關標準

以下從國內、國外2個方面對國內外光電建筑相關標準的編制情況進行介紹。

4.1 國際標準

目前，與光電建筑相關的國際標準主要有國際電工委員會IEC標準、歐盟EN標準和國際標準化組織ISO標準[32]。按照內容不同，這些標準可分為2類：建筑用光伏發電系統、建筑用光伏組件或材料。光電建筑相關國際標準的情況如表3所示。

表3 光電建筑相關國際標準的情況Table 3 International standards related to photoelectric building

表3中，建筑用光伏發電系統的標準主要有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均在光伏行業標準的基礎上，針對建筑的應用特點提出了建筑用光伏發電系統抗風、雪荷載及節能保溫性能方面的要求，EN 50583-2:2016還提出了根據光伏組件的安裝位置及材料確定測試防火等級的方法；IEC TR 63226:2021則主要針對的是建筑用光伏發電系統的風險管理。

建筑用光伏組件或材料的標準主要有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給出了建筑用光伏組件的定義和分類，同時要求光伏組件應滿足建筑材料的要求，如機械荷載、水密性、氣密性、光學性能等；ISO/TS 18178:2018探討了建筑用光伏產品的電氣、機械及安全性能等，采用的試驗方法主要引用IEC 61215-2:2016和ISO 12543-4:2011中的測試方法。

4.2 國內標準

目前，國內與光電建筑相關的標準主要包括國家、行業、團體和地方標準。根據標準的適用范圍不同，主要分為光電建筑工程標準和光電建筑相關產品標準這2類。光電建筑相關國內標準情況如表4所示。

表4中，光電建筑工程標準中的國家標準主要包括GB/T 36963-2018、GB/T 37655-2019和GB/T 51368-2019[39]等。此類標準的主要內容涉及光伏發電系統的設計、施工安裝、驗收和運行維護等，要求光伏發電系統應滿足建筑美觀、光環境、防火等要求及功能需求，并符合建筑安全規范；同時建筑應為光伏組件接收到充足的日照創造條件[39]，標準基本涵蓋光電建筑的全部環節，但是對于光電建筑的消防驗收無明確規定。

光電建筑相關產品標準主要包括3個方面：建筑用光伏組件或材料(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])，建筑用光伏發電系統(如GB/T 19064-2003、GB/T 16895.32-2008、JGJ/T 365-2015、DB 13/T 2826-2018和T/CECS 10094-2020)，建筑用光伏組件測試方法(如GB/T 37052-2018、GB/T 38388-2019和GB/T 38344-2019)。其中，中國建筑科學研究院有限公司主編的T/CECS 10093-2020[40]、T/CECS 10094-2020[41]和《村鎮離網型光伏發電系統》，針對建筑的應用環境提出了光伏組件及光伏發電系統在雨水滲透、結構變形、功率輸出等方面的技術要求和試驗方法，為保障建筑用光伏產品的質量提供了依據。

表4 光電建筑相關國內標準情況Table 4 Domestic standards related to photoelectric building

4.3 小結

通過以上針對國內外光電建筑相關標準的研究可以發現，從標準的類型來看，現有標準側重于建筑用光伏組件/光伏發電系統等產品，關于光電建筑工程的相關標準較少；從標準的內容來看，主要規范了光電建筑中電氣、結構、節能保溫等內容，防火等安全性能的指標與測試方法尚沒有具體的規定，需進一步深入研究。

5 應用案例

5.1 2019中國北京世界園藝博覽會——中國館[42-43]

中國館是2019中國北京世界園藝博覽會的標志性建筑，其采用1056塊透光率為12%的彩色CdTe薄膜光伏組件，如圖1所示，總裝機容量為70 kWp，年發電量為5～6 萬kWh；其所發電量就近匯入場館內的配電系統，可提供場館二層東、西2個展廳的普通照明用電。由于彩色CdTe薄膜光伏組件的制造工藝較為復雜，因此該項目的整體造價較高 。

圖1 2019中國北京世界園藝博覽會中國館室內實景Fig. 1 Indoor view of China Pavilion of Beijing Expo 2019

5.2 惠州潼湖科技小鎮[44-45]

惠州潼湖科技小鎮項目是我國首個CIGS薄膜光電建筑示范項目，共包括3棟光電建筑。這3棟光電建筑位于廣東省惠州潼湖科技小鎮園區西側，于2018年投入使用，建筑用途包括園區控制中心、實驗室及辦公室等，建筑層數為3～5層；采用CIGS薄膜光伏組件作為建筑外墻材料，3棟建筑共安裝了2037塊光伏組件，建成后年發電量約為12.3萬kWh。該項目中光伏發電系統的設計結合了當地夏熱冬暖的氣候特點及建筑的冷、熱負荷特性，提高了光伏發電系統與建筑的匹配性。惠州潼湖科技小鎮中某光電建筑立面的實景圖如圖2所示。

圖2 惠州潼湖科技小鎮中某光電建筑立面的實景Fig. 2 Real scene of facade of a photoelectric building of Tonghu Sci-Tech Town in Huizhou

5.3 國家能源集團BIPV中心[46]

國家能源集團BIPV中心位于北京市昌平區未來科學城，是國家住房和城鄉建設部課題的重要示范項目之一。該項目的建筑面積為1054 m2，共采用914塊CIGS薄膜光伏組件，安裝于建筑立面及屋頂，總裝機容量為88.9 kW，年發電量約為8萬kWh，可滿足建筑部分用電需求。為提高展示度及研究性，該項目采用了呼吸式光伏幕墻、可調節式光伏天窗系統、能源管控平臺等多項技術。國家能源集團BIPV中心實景如圖3所示。

圖3 國家能源集團BIPV中心的實景Fig. 3 Real scene of BIPV center of CHN energy

5.4 大同能源館[47]

大同能源館是山西政府主辦的大型能源主題展館，建于2019年，總建筑面積為2.8萬m2。建筑中光伏發電系統與儲能系統、暖通空調系統、數據機房、室內照明、路燈等直流負荷構成全直流系統，為“光伏+直流”的應用起到了示范作用。其中，采用白色仿鋁材型CdTe薄膜光伏組件安裝在建筑上部及屋頂部分作為光伏幕墻和光伏采光頂，光伏組件的總安裝面積為1.07萬m2，裝機容量為917 kW，年發電量可達123.54萬kWh。大同能源館實景如圖4所示。

圖4 大同能源館的實景Fig. 4 Real scene of Datong energy museum

5.5 廣州珠江城大廈

廣州珠江城大廈的設計高度為309 m，地面上樓層共71層，建筑面積為171379 m2，獲得了LEED-CS鉑金級認證及綠色建筑三星認證[48]。建筑中光伏組件分別安裝在大廈屋頂、東西面遮陽百葉和南面塔樓部分區域，分別采用了單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，總安裝面積將近1110 m2，年發電量約為15.2萬kWh。該項目為光伏發電系統在高層建筑的應用起到了示范作用。珠江城大廈的光伏組件在百葉窗上安裝的效果圖如圖5所示[49]。

圖5 珠江城大廈的光伏組件在百葉窗上安裝的效果圖[49]Fig. 5 Installation effect diagram of PV modules on louvers of Pearl River Tower

6 結論與展望

本文通過對與建筑集成的光伏發電技術及光電建筑集成技術的應用發展現狀、國內外光電建筑相關標準及應用案例進行研究分析，得出以下結論：

1)當前光伏發電的發展已較為成熟，但建筑用光伏組件/光伏發電系統的發展尚處于起步階段，應針對建筑的使用需求進一步開展研究，以滿足光電建筑的發展需求。

2)現有光電建筑相關標準側重于建筑用光伏組件/光伏發電系統等產品，光電建筑工程的相關標準較少；同時，關于防火性能的評定及驗收尚未出臺具體的規定，成為阻礙光電建筑發展的重要原因。

本文介紹的光電建筑應用案例為我國光電建筑的發展起到了重要的示范與推廣作用，并為出臺相關政策奠定了基礎。隨著光電建筑相關產品經濟性的進一步提升，光電建筑將會實現跨越式發展，為建筑領域實現“碳中和”做出貢獻。