加速光伏建筑一体化发展

加速光伏建筑一体化发展

陈志林

武汉联动设计股份有限公司

摘要：经济的发展，社会的进步推动了我国建筑模式的不断调整变革。光伏建筑一体化（BIPV）即建筑光伏一体化，是指将光伏发电功能集成于建材之上的一种形式，具有与建筑一体化程度更高、建筑性能更好等特点。我国将在“十四五”时期推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。光伏作为可再生能源的主要电力方式，将在实现碳中和的各类领域和场景中扮演重要角色。“十四五”时期，光伏建筑一体化市场快速发展。预计2025年光伏建筑一体化装机量将达30.2GW，渗透率达到74.5%。

关键词：光伏建筑；一体化

引言

光伏一体化技术20世纪70年代被首次实践应用以来，经过多年的发展，各项技术已经成熟，相关的标准日益完善。根据住宅与居住环境工程技术研究中心的统计，2020年底我国的建筑总面积达700亿m²，这其中可用于光伏发电的面积达300亿m²，意味着我国在光伏建筑领域有非常大的市场潜力。

1光伏电站的分类

光伏电站是光伏产业链终端应用市场，可分为集中式电站和分布式电站。分布式电站又可以大致分为三类：光伏与建筑结合（BAPV）、光伏建筑一体化（BIPV）、非建筑场景。光伏建筑一体化（BIPV）是光伏和建筑的结合，区别在于将光伏和建筑集成为不可分割的一部分，组件兼具发电、装饰和建材功能，不以发电性能作为唯一考量标准。

2加速光伏建筑一体化发展的措施

2.1源网荷储一体化新型建筑形式

未来的建筑作为零碳能源系统源网荷储一体化中的一部分，既可以产能，又可以作为协助消纳风电光电。“光储直柔”成为了一个热点词汇受到大家的关注，这是太阳能光伏、储能、直流配电和柔性交互四项技术的简称。太阳能光伏是本地的能源生产者，储能是设置在建筑内的蓄电池及通过智能充电桩连接的电动汽车的电池，直流配电省去了直交转换的损失，柔性交互保证市电供应、分布式光伏、储能以及建筑用能四者的协同关系。“光储直柔”建筑是一种新型建筑形式，是一种适应碳中和的零碳能源体系的建筑形式。

2.2建筑终端用能电气化

据中国建筑节能协会能耗与碳排放数据专委会的最新统计，2021年全国建筑电气化率37.1%，南方省份普遍高于北方省份，电气化率最高为海南73%，北京为北方省份最高35%。在未来的远景规划中，到2050年建筑电气化率将达到80%以上，因此既有建筑电气化率也需要大幅度提升。建筑终端电气化包含生活热水、供冷供热、炊事活动的电气化。生活热水实际上是最早实现可再生能源供应的领域，采用太阳能和空气源热泵生产生活热水得到了广泛的应用，在既有建筑改造中也易于实施，推广的阻力最小。目前兴起的家用两联供热泵可以同时解决空调和生活热水，更灵活更方便。经过多年的发展，现在我国北方采暖主要形式：热电联产（绝大多数为燃煤热电联产）的集中供热约占50%，燃煤、燃气区域锅炉房约占40%，各种电动热泵约占10%，前两者都是建筑物的直接碳排放。近年来实施的煤改气从碳中和的角度来看也将是一种过渡手段。在将来电力行业脱碳的进程中除了作为调峰和备用的燃煤、燃气热电厂，其余的燃煤燃气供热都将被取代。将来核能热电联产、生物质热电联产、调峰火电热电联产供热之外的部分缺口将由电驱热泵来弥补。地源热泵、空气源热泵、中深层地热等技术发展迅猛，完全可以担此重任。但替代过程也面临诸多困难。炊事电气化一直受到很多人的排斥，认为和中国的烹饪文化不相容，但不容否认厨房电气化革命早已经悄然在我们的身边兴起，电饭锅、微波炉、电烤箱、电饼铛、电开水器已经占领了厨房的半壁江山。随着电炊具技术的不断进步将来连炒锅都会被电炒锅替代。而且由于电气化炊具效率更高，在经济性上也不比使用燃气差多少。

2.3太阳能光伏建筑一体化

太阳能光伏建筑一体化(BIPV)指的是将建筑材料与光伏器材集成化，将传统的建筑材料替代为光伏器件，与建筑物同时进行构思设计、施工安装并与之完美结合。太阳能光伏发电系统将同时具有建筑构件和发电的双重功能，光伏还能为建筑隔热、遮风和挡雨，甚至还能提升建筑物的立面造型美感，成为其密不可分的一部分。还有一种将光伏器件与建筑物相联系的形式——“BAPV”，它通过简单的支撑结构将太阳能光伏系统附加于建筑物上，其概念常与BIPV相互混淆。BAPV仅具有发电功能而不具备建筑构件与材料的功能，建筑的各项功能在拿开光伏后仍能保持自身的独立完整。前文所提及的太阳能屋顶光伏发电项目就从属于BAPV，与BIPV一体化的形式差别较大。

2.4附加光伏系统

附加光伏系统是当今分布式光伏电站的最重要实现形式，就是在原有建筑的基础上通过改装，将光伏模块附加在建筑的屋顶并设定好最佳的倾斜角度，或者直接附加于南墙表面。不过，由于光照强度的影响，通常情况下位于南墙的光伏发电模块远不如屋顶所获取的电量多，并且综合经济效益也不如后者。附加光伏系统一般主要有屋顶光伏方阵和屋面光伏方阵2种实现途径，所用的太阳能电池材料为单晶硅或多晶硅。常见的BAPV系统由屋顶或墙面光伏方阵、控制器、逆变器、双向电表、交流负载和低压电网组成，整个系统建设相对来说比较容易实现，所以附加光伏系统一直以来很受政府支持。在老建筑建设的初期，往往不会考虑到后期有一些大规模的结构改造。对于附加光伏系统本身有相对较大的自重，所以在进行安装附加光伏系统时务必对整个建筑做全面的安全评估，并需要得到相关部门的安全认证审批，避免之后在设备运行期间出现重大的伤亡事故。附加光伏系统优点是只需要承担安装费用，不用再新建建筑，非常适合对现有技术的升级改造，可在短时间内低成本实现大装机容量的分布式光伏发电站。

2.5光伏光热建筑一体化技术

在实际的应用中，光电转换的效率均在20%左右，最高不超过30%。最早于1973年由Kern和Russell提出将光电技术和光热技术结合起来，光电模块和集热模块通过胶粘的方式连接，并且试验研究通过该方式不仅能够获取光电效应产生的光能，而且集热器可升温40~60℃，能够满足日常用水需求。虽然该技术现在还不太成熟，但是这种对太阳能的高效利用形式肯定是未来建筑一体化的一个重要发展方向，工程中也已有所应用。通过何伟、季杰共同完成的一个光伏光热一体化建筑模型数据来看，利用该技术，建筑墙体的温度升高的现象有所减弱，并且改善建筑室内的空调负荷分布状况，建筑的节能效果显著提高。

结语

总之，“十四五”规划纲要提出，构建现代能源体系，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。能源安全、清洁化转型将是未来我国经济发展的重要方向，光伏作为可再生能源的主要电力方式，受到国家层面鼓励支持，未来光伏建筑一体化将迎来更大发展。

参考文献

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