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BIPV如何開啟光伏應用之路？
發布時間:
2020-08-14
一、光伏應用回顧
自1958年起，太陽能光伏效應以太陽能電池的形式在空間衛星的供能領域首次得到應用。時至今日，小至計算器、庭院燈、滅蚊器、自動停車計費器的供能、屋頂太陽能系統，大至面積廣闊的地面百萬千瓦級大型的太陽能電站，其在發電領域的應用已經遍及全球。有別于風能、水能等其他可再生能源需要資源的匹配，光伏發電不受地域限制，有光的地方就能發電。因此，光伏發電可以應用于世界各地。
近年來，全球一體化的趨勢明顯，習近平總書記提倡人類命運共同體的理念深入人心，進一步促進了全球經濟的共同發展和共同進步。隨著人們生活水平的提高，對于能源的需求急劇上升，尤其是可再生能源的需求。人類只有一個地球，保護我們共同的家園成為未來人類的首要任務。解決環境污染與能源需求的增加已經成為主要的矛盾。可再生能源尤其是光伏發電是化解矛盾的有效手段之一。
隨著我國光伏產業的發展，新技術不斷應用和產業的規?；嵘?，對于全球的貢獻有目共睹。短短的10年間，光伏的應用成本已經下降了80%以上，而光伏發電最重要的部分太陽電池的成本已經下降了90%以上。世界上很多國家的平準化度電成本已經接近或低于火力發電的成本，無需特別補貼就可以推廣應用。
二、光伏發電的瓶頸
然而光伏發電也有其天然的問題，一是能量密度低，二是需要與動植物分享陽光。由于能量密度低，就需要占用大量的土地資源。而人類生存最基本的糧食生產也需要陽光和土地。這就為光伏發電的選址帶來了問題。全球人口的數量也在不斷地增加。隨著人們生活品質的提高，人均占有的空間也在上升，而地球的面積卻不會變化。土地越來越成為稀缺的資源，這也成為制約光伏發電的一個重要的因素。
現代的人類生活，逐漸向城市聚集，向大城市特大城市移動。便利的交通，工作機會的增加，優越的醫療條件，完善的教育，各種各樣的娛樂設施，使人們更加向往大城市。更多的人涌向了大城市，又提供了更多的工作機會，馬太效應進一步顯現。這使能源的需求和供給進一步前移。呼喚更多的可再生能源來解決目前的困境。
有沒有一種不受地域限制，不占用空間和土地資源，解決應用端前移的可再生能源?
有!這就是光伏建筑一體化BIPV(Building integrated photovoltaic )。
三、BIPV將開啟一個持續長久的應用時代
BIPV具有獨特的優勢
1、 BIPV不占用土地
利用建筑物屋頂、墻面等圍護系統，既充分利用光照資源，還不增加土地的占有。相比地面電站1GW占有的土地資源高達30000畝。BIPV光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要。
2、無可替代的巨大的BIPV資源
城市的發展需要更多的土地、更大的空間來建設更多的建筑，為不斷涌入的新城市人提供住宿、工作、生活、娛樂的條件，這是不可阻擋的剛性需求，因此建筑是不可替代的。而BIPV正是依托建筑存在的，這將是BIPV持續發展不可替代的資源。
(1)、建筑存量
全球建筑數量眾多，在光伏發電應用之前，屋面和屋頂基本都采用傳統的水泥、金屬建材，除個別建筑綠化以外，絕大多數的建筑屋面和墻面就是結構性的功能，遮風擋雨保溫，沒有其他用途。建筑存量數量巨大。以我國為例，截止到2015年我國房屋建筑面積約510億平方米。其中工業廠房面積85億平米。(2017年2月13日中國智能建筑協會：“房屋建筑中第二大細分行業——工業建筑市場有多大?”)
僅以工業建筑為例來測算，工業廠房的屋頂可利用率達到50%以上。也就是說，存量市場有40億平米以上。用來建設BIPV光伏發電系統，裝機容量可達到500GW。
(2)、建筑增量
2015年-2019年我國新增建筑面積約160億平米，其中工業廠房約20億平米(2020年3月25日中國建筑協會：2019年建筑業發展統計報告)。每年的建筑面積新增約40億平米，其中住宅占67%，每年新增26.8億平米，工業廠房占12.2%，每年新增約4.89億平米。商業地產占7.11%，每年新增2.8億平米。
建筑的屋頂、立面圍護系統均可以利用來建設BIPV系統，僅新增工業建筑的屋頂部分，如果50%用來采用BIPV產品安裝光伏發電系統，每年新增部分的屋面裝機量將達到30GWp以上。
大量的商業建筑、住宅頂面及外立面，如果采用可以發電的BIPV產品，其市場的規模還要成倍增長。建筑市場每年的新增容量持續不斷，BIPV也將會持續不斷地應用。
3、 BIPV可以多種形式存在
光伏幕墻、光伏陽光房、光伏車棚、光伏采光頂、光伏裝飾墻等，都是BIPV的應用場景。
建筑與光伏的進一步結合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃，目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶，這樣既可用做建材也可用以發電，可謂物盡其用。對于框架結構的建筑物可把其整個圍護結構做成光伏陣列，選擇適當光伏組件，既可吸收太陽直射光，也可吸收太陽反射光。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以實現以上目的，使建筑外觀更具魅力，也可滿足建筑師獨特的設計意圖。
4、BIPV可以實現按照建材的形式加工、生產、安裝，極大地提高施工效率。建材的加工，基本上可以在工廠完成。而隨著裝配式建筑的興起，更多的BIPV將會是裝配式建筑的一部分。
5、BIPV是一次設計，最大限度的保證建筑整體效果;一次性施工，可以節省施工成本，避免建筑完工后二次施工導致的建筑無法投入使用引起的空置成本。
6、就近發電就近消納，無需大規模的建設輸變線路，減少了線路損耗，提高了發電效率。建筑物本身需要消耗能源，夏天是用電高峰的季節，也正好是日照量最大、光伏系統發電量較高的時段，對電網可以起到調峰作用。
7、BIPV還可以起到建筑節能作用。光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體的熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建筑節能作用。因此，發展太陽能光伏建筑一體化，可以“節能減排”。
由于在建筑物上集成了光伏發電，作為建筑的一部分，它實現了不占用土地、綠色、解決了用戶側前移的問題，無需建設輸變線路，充分利用了光照資源，這將會是光伏應用的藍海。近年來國內的桑尼、有科、中信博、上邁等公司也從不同的技術方案上對BIPV做出了研究和應用。全球最大的單晶巨頭隆基、電動車巨頭特斯拉也加入到BIPV的開發和應用，這將為BIPV注入新的活力。
四、BIPV需要解決的問題
BIPV光伏建筑一體化伴隨著光伏的發展，從一開始就有研究和應用。早期主要以研究為目的，后期也有示范項目，但大規模的應用并不多。主要的原因有以下幾點：一是光伏系統的造價很高;二是建筑師對于光伏的應用比較陌生，沒有光伏設計的經驗，建筑與光伏中間存在真空;三是光伏建筑一體化的產品很少，很難匹配建筑的設計;四是沒有統一的標準。這些問題長期困擾著BIPV的推廣應用。隨著光伏發電成本的大幅下降，第一個問題已經不存在了。其他幾個問題也將會逐步解決。
1、相比十年前的晶硅光伏組件20元/Wp左右的高昂成本，目前高效單晶組件已經降到了1.5元/Wp、多晶組件1.3元/Wp左右。系統成本由10年前的35元/Wp左右，已經降到了3.5元/Wp左右，平價上網已經從夢想變為了現實。極大的加快了BIPV的應用步伐。
2、我國在光伏應用上起步雖晚，但進步很快。目前我國的建筑行業領軍企業中國建筑設計研究院有限公司、中國建筑科學研究院有限公司聯合工信部、國網公司、南網公司、光伏行業協會等團體，積極推進建筑與光伏的結合，打通了真空地帶。國內著名的建筑設計院很早就介入光伏電站的設計。很多設計師也跨行設計光伏建筑一體化系統。市場決定方向，相信在不久的將來，會有更多的建筑設計師，在建筑規劃設計階段，就會將BIPV作為自己的專業來做。
3、國內在光伏發展方面投入巨大，無論從多晶硅料，還是硅片、電池片、普通光伏組件方面，都在國際上處于領先地位。在BIPV的產品研發應用方面，除傳統的企業桑尼、有科、上邁、中信博外，隆基等大集團厚積薄發，在今年的SNEC展會上，“隆頂”等多款BIPV產品已經上市，將提供更多更好的產品，供建筑設計師選擇使用。
4、沒有產品標準，也就沒有檢測的依據。因此建筑師在建筑設計時也無法放心的選擇和設計。
目前國際上針對BIPV的產品標準還較少。通行的標準主要是針對普通光伏組件產品。如IEC61215、61730等，有完整的設計鑒定要求和安全性評價規范。我國的光伏建筑一體化產品標準也還停留在建筑附加光伏也就是一般人理解的BAPV上面。亟需既滿足光伏發電性能又符合建筑設計規范的BIPV產品標準。
以工業廠房的光伏彩鋼瓦BIPV為例，作為建材，它必須符合建材的“四性”要求、防火標準;作為光伏組件，它需要滿足IEC61215的各種電氣參數及IEC61730安全性能要求。這種既能發電又是建材的新產品如何檢測它的各種性能指標呢?可喜的是由中國材料試驗聯盟CSTM制訂的《屋面晶體硅光伏與壓型鋼板構件防火等級試驗方法》，解決了BIPV防火檢測的難題。通過檢測認證，那些符合標準的產品，建筑師就可以放心的選擇和設計。消除了建筑與光伏結合的障礙。
由中國建筑設計研究院有限公司牽頭制訂的《建筑光伏系統應用技術標準》GB/T 51368-2019、由中國建筑科學研究院有限公司、中國建筑裝飾協會幕墻工程分會聯合主編并會同有關單位共同編制的《光電建筑技術應用規程》T/CBEA XX-2019等一系列的標準出臺，預示著建筑行業也在不遺余力的打通光伏與建筑的結合之路。
五、BIPV如何真正成為光伏應用的主力軍?
BIPV雖然已經“千呼萬喚始出來”，但還是“猶抱琵琶半遮面”。相比較光伏企業的熱情，建筑行業保持著一貫的定力。筆者與建筑行業的大佬交流，很少有建筑師嘗試在建筑設計階段，就以光電建筑來設計。第一個吃螃蟹，還是需要勇氣的。
筆者在“從建筑到光電建筑”系列文章中，介紹了BIPV將開啟光伏的應用之路。在此，筆者呼吁，建筑行業要有敢為天下先的氣概，勇于創新，大膽實踐。需要有一批光電建筑(光伏建筑)設計院，一改目前的建筑設計思路，從源頭設計開始，就應用BIPV產品，做出光電建筑的樣板工程。依靠國家在綠色建筑、綠色建材上的政策支持，由示范工程再到大面積的推廣應用，才可以真正開啟BIPV的應用之路。否則，BIPV的應用仍然是光伏界的剃頭匠挑子，“一頭熱”另一頭涼。
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