光伏建筑一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

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(1.神華(北京)光伏科技研發(fā)有限公司，北京 102211；2.北京市納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池工程技術(shù)研究中心，北京 102211)

引言

建筑作為能源消費(fèi)的大戶，其能源消耗量隨著社會(huì)發(fā)展和人類居住舒適度需求的提高也隨之不斷增加。然而，作為能源供給主體的化石類燃料能源在推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，在其使用過程中產(chǎn)生的廢棄物也造成了地球生態(tài)環(huán)境的日益惡化。因此，如何解決降低建筑能耗與建筑物對能源需求的日益增加之間的矛盾，已成為當(dāng)今研究人員亟待解決的問題之一。近年來，我國的綠色能源技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，特別是光伏發(fā)電技術(shù)，其是基于太陽能來源穩(wěn)定與安全保障的特點(diǎn)，已發(fā)展成為最適合人類的可再生能源形式之一[1]。將光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合，既為建筑物提供了清潔能源，也降低了化石類能源消耗以及相應(yīng)的溫室氣體排放。

光伏與建筑的結(jié)合方式主要分為光伏組件與建筑相結(jié)合和光伏器件與建筑相結(jié)合兩種[2]，前者是將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或陽臺上，是兩者相結(jié)合的初級形式，后者則是采用特殊的材料和工藝手段，使光伏組件可以直接作為建材使用，即光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)，既能作為建材又可通過發(fā)電進(jìn)一步降低發(fā)電成本。作為本文的研究對象，光伏建筑不需要單獨(dú)占用土地，并且可以就地供電，避免了遠(yuǎn)距離電力傳輸所需的輸配電設(shè)備以及線路損耗等。鑒于BIPV的諸多獨(dú)特優(yōu)勢，在20世紀(jì)70年代國外就開始將光伏組件應(yīng)用于建筑上，并于90年代實(shí)現(xiàn)了BIPV產(chǎn)品的商業(yè)化[2-3]。不少發(fā)達(dá)國家很早就推出了光伏建筑一體化計(jì)劃，并出臺了相應(yīng)的激勵(lì)政策，如德國在1990年率先推出了“千棟光伏屋頂計(jì)劃”，日本從1994年開始實(shí)施總?cè)萘繛?80 MW的“七萬屋頂計(jì)劃”，美國、意大利等國隨后也紛紛推出各自的BIPV發(fā)展計(jì)劃[4]。相比之下，我國的光伏產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還不夠健全，原材料與市場“兩頭在外”的特征導(dǎo)致國內(nèi)光伏建筑一體化技術(shù)的起步較晚，盡管也推出了一些示范性建筑項(xiàng)目[5-6]，但整體水平仍處于前期發(fā)展階段。

本文基于光伏建筑一體化技術(shù)的特點(diǎn)，主要從光伏組件和建筑兩個(gè)方面對該技術(shù)的基本現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，隨后對現(xiàn)階段該技術(shù)應(yīng)用中遇到的主要問題進(jìn)行了分析，并嘗試著尋找解決辦法。最后對光伏建筑一體化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 光伏建筑一體化技術(shù)

能夠應(yīng)用于建筑的光伏組件，應(yīng)兼具發(fā)電和建材的雙重功能，因此需從光伏組件和建材兩個(gè)方面考慮，然后進(jìn)行光伏建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1.1 太陽能電池組件

太陽能光伏發(fā)電是基于“光生伏特效應(yīng)”將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池的雛形出現(xiàn)于1953年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員Chapin D、Fuller C和Pearson G關(guān)于單晶硅太陽能電池的報(bào)道中[7]。太陽能電池早期主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域，由于20世紀(jì)70年代能源危機(jī)等因素的影響促使許多國家加大了對替代化石類能源的投入與研究，這極大地推動(dòng)了太陽能行業(yè)的發(fā)展。截止到目前，太陽能電池已研發(fā)出了晶硅電池、砷化鎵電池、銅銦鎵硒薄膜電池、碲化鎘薄膜電池、染料敏化電池、鈣鈦礦電池等類型。其中，晶體硅太陽能電池因受益于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而成為目前太陽能電池商業(yè)化的主流產(chǎn)品，我國的晶硅電池組件產(chǎn)量已連續(xù)多年在全球排名第一。同時(shí)，薄膜太陽能電池(包括銅銦鎵硒電池)在國內(nèi)已開始小規(guī)模的生產(chǎn)。這便為建筑用電池組件在種類和數(shù)量方面提供了較多的選擇。應(yīng)用于建筑的光伏組件并無特殊限定，選用時(shí)主要是基于不同電池的特點(diǎn)并結(jié)合建筑物的實(shí)際使用情況，對光伏組件的形狀、顏色、透明程度、邊框有無以及接線盒的安裝部位等進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足建筑的需求。

1.2 建材需求

作為建材使用的電池組件，還應(yīng)滿足建材行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)以銅銦鎵硒薄膜電池為例來分析，銅銦鎵硒電池生長的襯底可以采用金屬箔或高分子聚合物等柔性基底，也可以采用玻璃基底，不同襯底的電池使用的環(huán)境不同。就柔性基底的光伏組件而言，于2018年8月1日正式實(shí)施的JG/T 535—2017《建筑用柔性薄膜光伏組件》對建筑用柔性薄膜光伏組件材料、外觀、質(zhì)量、電池性能、電氣安全性、機(jī)械性能、對環(huán)境的抵抗能力、燃燒性能等均有明確的規(guī)定，因此，以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)對柔性銅銦鎵硒電池進(jìn)行檢驗(yàn)以判斷其是否滿足作為建材使用的要求。而對于采用玻璃基底的光伏組件而言，目前尚無對其作為建材使用性能判定的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其判定主要依據(jù)有兩個(gè)方面：一方面是檢驗(yàn)光伏組件的性能是否滿足太陽能電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會(huì)制訂的涉及電池組件性能與安全的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61215和IEC 61730，另一方面是檢驗(yàn)光伏組件是否達(dá)到建材的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB 15763.2《建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃》、GB 29551《建筑用太陽能光伏夾層玻璃》以及JG/T 492《建筑用光伏構(gòu)件通用技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了對于落球沖擊剝離性能、霰彈袋沖擊性能、熱工性能等技術(shù)指標(biāo)的要求。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用的光伏組件不同，或是相同電池種類的不同結(jié)構(gòu)，選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以確保光伏組件達(dá)到建筑使用的性能要求。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

電池表面太陽輻照度和電池溫度是影響電池實(shí)際轉(zhuǎn)化效率的主要因素。太陽輻照度的影響因素有電池組件的安裝地理位置、海拔高度、朝向、傾角、排列方式、表面灰塵清理情況以及周圍建筑或樹木等在電池表面形成的陰影大小等。電池溫度的高低取決于其散熱結(jié)構(gòu)，在散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩方面的因素，一是如何增強(qiáng)散熱效果以使電池發(fā)電量提高，二是兼顧施工成本的高低。鑒于上述情況，可利用計(jì)算機(jī)對建筑用光伏組件進(jìn)行模擬，并分析各種因素對發(fā)電量的影響，在保證建筑功能的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使光伏組件的發(fā)電量最高而成本最低。

輔助設(shè)計(jì)可用的軟件有PVsyst、Ecotect、HOMER、TRNSYS等[3,8-10]，其中PVsyst和Ecotect是應(yīng)用較多的軟件。PVsyst是由瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)CEUPE研究團(tuán)隊(duì)于1994年開發(fā)的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬軟件。該軟件包括了世界各大城市的氣象數(shù)據(jù)庫以及太陽能設(shè)計(jì)相關(guān)工具等，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況選擇光伏系統(tǒng)的類型、地理位置、氣溫、太陽輻照度、建筑物環(huán)境、光伏組件和逆變器的參數(shù)等，來模擬和分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作性能，如1 kW發(fā)電量、發(fā)電效率，進(jìn)而可以比較電池組件的不同安裝傾角、不同類型等因素對于最終發(fā)電量的影響。Ecotect最初是由英國Square One公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，2008年被Auotdesk公司收購。軟件具有三維建模設(shè)計(jì)界面，可以對太陽輻射、遮陽、熱工等多個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行模擬和性能分析，其結(jié)果實(shí)現(xiàn)了圖形化顯示，并可保存為多種專業(yè)分析軟件格式。

另外，當(dāng)前國內(nèi)熱門的人工智能技術(shù)在國外也早已應(yīng)用于光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制等領(lǐng)域，結(jié)果表明人工智能技術(shù)能夠有效提高光伏系統(tǒng)的性能[11]。

2 光伏建筑一體化技術(shù)存在的問題

光伏發(fā)電與建筑原屬于兩個(gè)互不相關(guān)的領(lǐng)域，光伏建筑一體化技術(shù)將它們聯(lián)系在一起，這種跨領(lǐng)域的特征無疑提高了從業(yè)人員的準(zhǔn)入門檻，也導(dǎo)致在實(shí)際操作過程中有較多的問題有待解決，下面結(jié)合實(shí)際存在的問題進(jìn)行探討。

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待完善

將光伏組件應(yīng)用于建筑的過程涉及建筑設(shè)計(jì)、建材選用、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行與維護(hù)、安全等諸多環(huán)節(jié)，如果每個(gè)環(huán)節(jié)都具有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，則對于光伏組件在建筑中的推廣應(yīng)用有著積極的推動(dòng)作用。為了更好地表述光伏組件用于建筑的現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完善程度，現(xiàn)從材料與性能、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、并網(wǎng)運(yùn)維等五個(gè)方面列出相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并將光伏組件應(yīng)用中最為成熟的地面電站的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一并列出作為參照，詳見表1。

表1 光伏建筑一體化和光伏電站現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對比1)

由表1可以看出，光伏建筑現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在廣度和深度上均存在進(jìn)一步補(bǔ)充或完善的空間。在此背景下的光伏建筑建設(shè)過程中，一方面要以現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，另一方面要參照其他相關(guān)現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來推進(jìn)。以雙玻晶硅組件用作建筑幕墻為例，不僅要達(dá)到光伏組件的性能要求，還要滿足建筑幕墻標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于氣密、水密、抗風(fēng)壓等三性試驗(yàn)要求和建筑物安全性能要求[9]。

2.2 綜合成本有待降低

依據(jù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)中產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段分類法的劃分，光伏產(chǎn)業(yè)因其具備技術(shù)不斷成熟、平均成本不斷下降、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、市場需求不斷增加等特點(diǎn)從而將其歸屬于朝陽產(chǎn)業(yè)。不僅如此，目前光伏產(chǎn)業(yè)在一定程度上還依賴于政府補(bǔ)貼或優(yōu)惠政策等。對于光伏建筑一體化技術(shù)而言，如何降低成本已成為該技術(shù)在建筑市場推廣過程中面臨的一個(gè)重要問題。從光伏發(fā)電的電價(jià)成本來看，除補(bǔ)貼收入外，主要是受到裝機(jī)成本、日照條件、貸款狀況、投資回收期和運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用等五大因素的影響[12]。其中，裝機(jī)成本具體是指光伏組件、光伏平衡系統(tǒng)(包括支架、控制器、逆變器等)、土建及人工費(fèi)用等，這一費(fèi)用隨著電池效率的不斷提高、包括光伏平衡系統(tǒng)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增大等有利因素的影響而呈現(xiàn)出降低的趨勢。雖然貸款狀況、投資回收及運(yùn)營等因素則存在著不確定性，但是國家政策在推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮的積極引導(dǎo)作用使得這些不確定性因素的影響逐漸降低。如由國家發(fā)改委、財(cái)政部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》中，明確了降低補(bǔ)貼強(qiáng)度，進(jìn)一步加大市場化配置項(xiàng)目力度，這必將加快光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的速度，從而在整體上促進(jìn)光伏建筑一體化技術(shù)綜合成本的下降。

3 結(jié)語

近年來，伴隨著光伏產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的飛速發(fā)展，光伏建筑一體化技術(shù)的研究日益受到重視，在光伏建筑建設(shè)過程中無論是可選擇的光伏組件、所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，還是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面，都在不同程度上具備了可操作的條件。盡管目前面臨著行業(yè)或國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善、綜合成本較高等因素對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約，但我們也要看到隨著全社會(huì)環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，對清潔能源的需求也在相應(yīng)增大，同時(shí)，大力發(fā)展光伏建筑一體化無論是對于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整還是促進(jìn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級都有很大的益處。因此，我們相信目前出現(xiàn)的困難只是發(fā)展過程中的小插曲，光伏建筑一體化技術(shù)在我國必將有著光明的發(fā)展前景。