“雙碳”背景下BIPV的應用與探索

收稿日期：2023-01-15

通信作者：馬元（1995—），男，碩士，主要從事新能源發電技術及其應用方面的研究。2407906648@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230115.01 文章編號：1003-0417（2024）02-05-06

摘 要：“雙碳”目標提出后，中國的綠色經濟發展有了更加明確的方向。城鎮化率不斷增長的同時，中國的建筑業進入了鼎盛發展時期；但與此同時出現的建筑能耗問題也越來越嚴重，這種發展形式與“雙碳”目標背道而馳。而光伏發電技術與建筑相結合成為解決這一問題的有效方式，光伏建筑一體化（BIPV）產業的發展是實現“雙碳”目標的重要途徑。針對當前BIPV產業的發展狀況及發展優勢進行了分析，并分析了影響BIPV建筑發電量的因素，然后從技術、法律法規、市場3個方面提出了優化舉措。分析結果顯示：光伏組件方位角及安裝傾角、光伏組件表面灰塵及其安裝方式是制約BIPV建筑發電量的主要因素，BIPV后續發展需要從技術方面進行改進以確保年發電量達到預期目標；BIPV產業應從技術、法律法規及市場3個方面進行改進和完善，有助于其更好的發展。該研究結果對BIPV理論研究和工程人員施工設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：“雙碳”目標；光伏發電；光伏建筑一體化；光伏屋面；光伏幕墻

中圖分類號：TU18/TU201.5/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

近年來，隨著中國人口數量的不斷增加，城鎮化呈高速發展趨勢，2022年中國城鎮化率增至65.22%[1]。高速城鎮化帶動建筑業快速發展，2001—2022年，中國城鄉建筑的建造面積大幅增加。建筑能耗是建筑業發展過程中不可避免的問題，這直接關系到人類賴以生存的地球環境。中國建筑節能協會于2022年12月發布的《2022中國建筑能耗與碳排放研究報告》[2]顯示，2020年全年中國建筑領域碳排放量達到了50.8億t，占據當年碳排放總量的50.9%。建筑領域引起的能耗問題日益嚴峻，探索降低該領域碳排放量的有效途徑勢在必行。

光伏發電技術以清潔、無污染、可再生等獨特優勢，占據了中國電力事業的半壁江山，隨之衍生出的產品也不斷增多[3-4]。隨著國家對光伏產業的大力扶持，使光伏發電技術在工業、農業等多個領域均得到了應用。2021年6月，國家能源局綜合司在下發的《關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》（下文簡稱為“《通知》”）[5]中指出，中國建筑屋頂資源豐富、分布廣泛，開發建設屋頂分布式光伏潛力巨大，是實現“碳達峰、碳中和”與鄉村振興兩大國家戰略的重要舉措。同時，該《通知》明確要求，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%[5]。當前，中國已有很多地方政府發布了關于屋頂光伏發電項目建設的指導性文件，推動了光伏建筑一體化（BIPV）的大規模市場應用與發展，從而促進“雙碳”目標的實現。

本文針對當前BIPV產業的發展狀況及發展優勢進行分析，并分析影響BIPV建筑發電量的因素，然后針對該產業存在的問題給出優化舉措。

1" 光伏產業的發展現狀

傳統的化石能源依然是中國當前的主要能源形式，但隨著人類對傳統化石能源的不斷消耗，一次能源逐漸減少，再加上當前地球環境的日益惡化，一味地開采、使用化石能源終將會對人類的生存環境產生嚴重影響。因此，可再生能源的開發與應用是大勢所趨。太陽能發電技術以其獨特的優勢受到了全球各國的親睞，而光伏發電為其主要利用方式之一。

根據國家能源局的有關數據，2022年中國新增光伏發電裝機容量達87.41 GW，同比增長60.3%；截至2022年，累計光伏發電裝機容量為3.9億kW。此外，光伏產品的發展非常迅速，單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、薄膜光伏組件、光伏玻璃等的發展如火如荼，這為BIPV產業的發展提供了強有力支撐。

2" BIPV產業的發展現狀

BIPV技術是將光伏組件和建筑材料有機結合在一起實現發電的技術，符合當前綠色節能建筑的理念[6]。當前，在BIPV發展領域，發達國家已經有了完善的法律機制和成熟的關鍵技術，這對還處于不斷發展摸索階段的中國而言，具有良好的借鑒意義。

美國作為能源消耗大國，其能耗構成中化石能源占據了很大比重，但美國政府制定了一系列政策和舉措以充分發展可再生能源產業，從而促進了能源結構的轉型升級，擺脫了長期以來對化石能源的依賴。美國自1997年就制定并實施了“百萬太陽能屋頂計劃”，使美國的光伏發電總量1年內增長了30%以上。在法律方面，美國制定了光伏產業發展相關條例，切實保障了此產業的發展；在政策方面，該國加大了對光伏產業的扶持力度，投入更多的資金用于此產業發展；在技術方面，其投入大量資金用于光伏發電技術的研究。美國在各個層面的投入與支持，使包括BIPV在內的所有光伏發電相關產業均得到了快速發展[7]。

BIPV起步較早的德國在20世紀90年代就制定并實施了“一千屋頂計劃”，將光伏發電技術應用在私人住宅屋頂，從而建立起規模龐大的發電系統，初步展現了BIPV的優勢。20世紀末更是提出了“十萬屋頂計劃”，推動德國BIPV產業的發展邁向新的階段[7]。

相較于國外發達國家在BIPV領域的發展，中國的起步較晚且還處于不斷探索階段。但近年來，隨著中國科技水平的顯著提升，經濟的高速發展，BIPV領域取得初步成果，并已經建成多項示范工程。

國家體育館光伏發電項目是中國首個BIPV示范工程。整個國家體育館為金屬屋面、玻璃幕墻，總建筑面積為80890 m2；其中，玻璃幕墻的面積約為19000 m2，包含明框幕墻、點式幕墻和鋁板玻璃3種。在考慮了美觀性、太陽能利用率及各方面因素后，將光伏組件安裝在金屬屋頂和南面玻璃幕墻上，25年總發電量為243萬kWh，年發電量約為9.7萬kWh，設計使用壽命為25年。按照火力發電1 kWh電能平均消耗390 g標準煤計算，該套光伏發電系統1年可減排421 t二氧化碳，是典型且成功的BIPV應用案例。

位于河北省保定市的“光伏+被動式+智能示范建筑”項目是國內首座集BIPV、被動式建筑、地源熱泵、空氣源熱泵、毛細管輻射空調系統等能源技術及智慧能源管控、智慧辦公等智能系統為一體的零碳示范建筑。該建筑采用“青磚、黛瓦”這一新型光伏建筑材料（該材料是依托光伏材料與技術國家重點實驗室20余項BIPV專利技術研發而成），該材料突破了傳統的光伏組件外觀設計，從而使建筑成為具有中式特色的發電建筑。該建筑的光伏組件總裝機容量為97.8 kW，安裝面積為728 m2，年發電量超過10萬kWh。

位于首都北京的北京南站，其站房為雙曲穹頂、外形為橢圓結構，設計中融入了古典建筑“三重檐”的傳統文化元素；其中央屋面采用BIPV設計，共安裝3264塊光伏組件，總功率為245 kW，成為國內面積最大的安裝有光伏發電系統的公共建筑[8]。該BIPV建筑的建成，拉開了中國建設綠色樞紐站場，提升鐵路客運站的社會形象的帷幕。

在當前“雙碳”背景下，中國積極深入推進綠色、低碳、環保的發展理念，國外在建筑行業的低碳舉措有目共睹，而中國在該領域的發展也在逐漸步入正軌。主動借鑒學習國外先進設計理念，結合中國現有示范工程的設計經驗，積極完善、健全法律法規體系，從而快速推動BIPV產業發展，這對“雙碳”目標的實現意義重大。

3" BIPV產業的發展優勢

國內外諸多的BIPV案例折射出BIPV在實現“雙碳”目標、緩解電網供電壓力、健全光伏產業布局等方面均有很大促進作用。BIPV技術能夠得到國家各部門的支持與其獨有的優勢密不可分。這些優勢主要體現在以下4個方面。

1）利用的是綠色能源。BIPV技術是將光伏發電技術和建筑的高效結合，是對光伏發電技術的有效應用。BIPV產業利用的是綠色能源，且不會對環境帶來負面影響，大多數地區的太陽能資源充足且此類資源免費。

2）不占用土地資源。BIPV強調在建筑設計過程中將光伏發電技術與建筑物有效融合在一起，同時設計、同時施工、同時安裝。此種方式不會額外占用土地資源，尤其是對土地昂貴的城市建筑而言更為重要。

3）電力可實現自發自用。據統計，采用BIPV方式時，光伏發電系統所發電量能夠滿足建筑用電需求，甚至在用電低谷期還會有剩余電量可以并入電網，或以儲能形式存起來以備光伏發電量不足時使用，從而減少了電力輸送過程中產生的費用和能耗，降低了輸電成本。

4）助力“雙碳”目標的實現。安裝于玻璃幕墻的光伏組件在吸收太陽輻射能的同時還可以降低墻體溫度，從而減少空調負荷，起到建筑節能的作用。此外，將太陽能轉換成電能，促進了節能減排計劃的實現。

4" BIPV建筑發電量影響因素分析

盡管BIPV產業有諸多優勢，但受制于技術因素，導致中國的BIPV產業在發展過程中也存在諸多問題，分析這些問題并給出有效對策，將對BIPV產業的可持續發展起到至關重要的作用，同時對于實現“雙碳”目標大有裨益。

BIPV建筑除了具備建筑本身的功能外，還兼具發電功能，所以在建筑設計過程中要考慮諸多影響因素，使所建成的BIPV建筑在具備美觀的同時還能夠產生最大發電量，獲得最大效益。因此，分析當前BIPV建筑發電量的影響因素對于未來BIPV產業的發展有舉足輕重的作用。影響BIPV建筑發電量的因素主要包括：光伏組件方位角及安裝傾角、光伏組件表面灰塵、光伏組件安裝方式，下文進行具體介紹。

4.1" 光伏組件方位角及安裝傾角

光伏組件方位角和安裝傾角對光伏組件接收的太陽輻射量有影響[9]。BIPV建筑的設計過程中，在不破壞建筑美觀性的前提下，需要根據不同的屋頂形式及不同地區的太陽輻照度情況來確定光伏組件的方位角和安裝傾角。

4.2" 光伏組件表面灰塵

無論是何種建筑物都會受到灰塵的影響，普通的建筑物外表面在有灰塵時只會對房間的明暗度產生影響，但對于BIPV建筑而言，其表面有灰塵時，光伏發電系統的發電效率會大幅降低，局部過熱引起電流過大，會燒壞光伏組件，嚴重時甚至會導致火災等情況。因此，在BIPV建筑設計過程中，需要根據光伏組件安裝傾角、方位角，以及其他因素來考慮光伏組件的安裝位置，從而盡量減少其表面積塵。與此同時，在對BIPV建筑進行成本預算時，光伏組件的清掃費用也應計算在內。

4.3" 光伏組件安裝方式

光伏組件的安裝方式對于其散熱、屋面防水、光伏發電量、建筑美觀性等方面都有一定程度的影響。由于BIPV是光伏發電系統與建筑相結合，這決定了光伏組件溫度不僅受環境溫度的影響，還會受安裝方式的影響。文獻[10]針對BIPV建筑在建筑立面和屋頂分別安裝光伏發電系統時的安裝方法進行了詳細研究，并對光伏組件的安裝位置、安裝傾角等進行了分析；同時結合典型案例進行分析，最終得出在建筑立面安裝光伏組件時，以60°橫向傾斜或小于15°的豎向傾斜的角度為最佳安裝傾角；在屋頂安裝時，則是以項目所在地的緯度作為最佳安裝傾角。由此看來，安裝方式對于光伏發電系統發電量有直接影響，在BIPV建筑設計時應該重點考慮這一方面。

5" BIPV產業的優化措施

針對BIPV產業，本文從技術、法律法規、市場3個方面提出了優化舉措，以促使BIPV產業形成全面發展的產業布局。

5.1" 創新技術

在BIPV建筑應用過程中存在著影響其發電量的因素，可采用屋面一體化、墻面一體化等創新技術來避免這些影響因素，促進BIPV產業駛入高速發展的快車道。

5.1.1" 屋面一體化技術

該技術既可以采用碲化鎘（CdTe）薄膜光伏組件這種玻璃基光伏組件，也可以采用銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件這種柔性光伏組件。

1） 將CdTe薄膜光伏組件嵌入平屋面，可以水平嵌入也可以傾斜嵌入。屋面是建筑接收太陽輻射面積最大的部位，所以在屋面安裝CdTe薄膜光伏組件可以有效發揮其發電功能。

2） 將CdTe薄膜光伏組件嵌入坡屋面。部分地區建筑的屋頂為斜坡型屋面，所以將此類光伏組件嵌入坡屋面，可以起到發電、保溫、防水、采光等多種功能。

3） 將柔性光伏組件用于曲面、異形屋頂。除居住型房屋外，中國一些有象征性的建筑的屋頂并非是平直的，而是以曲面為多，所以應該繼續加大柔性光伏組件的研發力度，以擴大其應用范圍。

5.1.2 墻面一體化技術

將光伏組件嵌入玻璃幕墻中，不僅可節省墻面的建筑材料，而且光伏組件還可以充當外墻，起到隔熱、防水等功能；此外，光伏組件作為建筑墻面也可以充分吸收太陽輻射進行發電，實現建筑物用電自給自足。

5.2" 健全相關法律法規

根據實際中國國情及BIPV產業發展現狀，制定并完善相關法律法規，保障BIPV產業持續穩定健康發展。

2006年中國開始實施《可再生能源法》，大力支持發展可再生能源產業。在2020年“雙碳”目標提出后，建筑行業協會、有關部門等提出了一系列政策制度，旨在加大建筑與可再生能源產業的融合發展。此外，相關部門還應根據當前BIPV產業發展趨勢，實時完善相關標準體系，制定出更加符合BIPV應用的行業標準和法律法規。

5.3" 統籌市場

發揮政府主體作用，根據實際情況實時調控、統籌市場，營造良好的BIPV產業發展氛圍、維持和諧的社會發展秩序。

隨著城鎮化進程的不斷加快和建筑行業的快速發展，BIPV市場發展潛力巨大，根據國家統計局數據和中國建筑科學研究院測算，截至2021年6月，中國建筑總面積約為800億m2；同時，BIPV市場每年可新增近1億m2的采光瓦屋頂面積，BIPV技術一旦走向規?；瘧?，其市場規模將達到近萬億元[11]。因此，在BIPV產業發展過程中政府應該做好調控，統籌市場，使該產業呈良性發展趨勢，為“雙碳”目標的實現貢獻力量。

6" 結論

本文針對當前BIPV產業的發展狀況及發展優勢進行了分析，并分析了影響BIPV建筑發電量的因素，然后從技術、法律法規、市場3個方面提出了優化舉措。分析結果顯示：光伏組件方位角及安裝傾角、光伏組件表面灰塵及其安裝方式是制約BIPV建筑發電量的主要因素，BIPV后續發展需要從技術方面進行改進以確保年發電量達到預期目標；BIPV產業應從技術、法律法規及市場3個方面進行改進和完善，有助于其更好的發展。未來BIPV將會是“光伏+”項目的主流應用方式，發展前景廣闊。

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APPLICATION AND EXPLORATION OF BIPV UNDER BACKGROUND OF EMISSION PEAK AND CARBON NEUTRALITY

Ma Cai1，Xiang Yande2，Ma Yuan2

（1. Department of Architectural Engineering，College of Science and Technology，North China Electric Power University，

Baoding 071000，China；2. College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，

Tianjin 300222，China）

Abstract：Since the proposal of the emission peak and carbon neutrality goals，China's green economy development has a clearer direction. While the urbanization rate continues to grow，China's construction industry has entered a period of peak development. However，at the same time，the issue of building energy consumption is becoming increasingly serious，which goes against the emission peak and carbon neutrality goal. The combination of PV power generation technology and construction has become an effective way to solve this problem，and the development of PV building integration （BIPV） industry is an important way to achieve the emission peak and carbon neutrality goal. This paper analyzes the current development status and advantages of the BIPV industry，and analyzes the factors that affect the power generation capacity of BIPV buildings. Then，optimization measures are proposed from three aspects：technology，laws and regulations，and market. The analysis results show that the azimuth and installation angle of PV modules，surface dust and installation method of PV modules are the main factors restricting the power generation capacity of BIPV buildings. In the subsequent development of BIPV，technical improvements are needed to ensure that the annual power generation capacity reaches the expected target. Moreover，improving and perfecting the BIPV industry from three aspects：technology，laws and regulations，and market will contribute to its better development. This study results has certain reference value for the theoretical research of BIPV and the construction design of engineering personnel.

Keywords：emission peak and carbon neutrality goals；PV power generation；BIPV；PV roof；PV curtain wall