“双碳”背景下基于BIPV的应用场景分析.pdf

2023 年 32 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application“双碳”背景下基于 BIPV 的应用场景分析张晓欣（浙江建设职业技术学院，杭州 310000）建筑行业是我国能源消耗和二氧化碳排放的主要领域之一，建筑全生命周期碳排放量占到全国碳排放总量的 50.6%。呼吁建筑行业积极探索低碳发展之路，实现绿色可持续发展已成为必要之举。目前，我国提出了“碳达峰、碳中和”的战略目标，建筑节能减排已被写入相关政策。中央财经委员会第九次会议把“双碳”即碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体，进行深远的、系统性的社会变革1。建筑减碳不仅事关我国碳减排目标的实现，还能够增强我国建筑产业的核心竞争力、提高人民生活品质。在“双碳”目标的大背景下，可持续发展已经成为建筑业发展不可或缺的重要方向，而建筑节能减排正是实现可持续发展的必经之路。多种节能减排技术得到开发和推广，绿色建筑与近零能耗建筑逐渐成为市场的主流，光伏发电与建筑相结合的 BIPV 技术更是在近些年快速发展，吸引了太阳能和建筑行业的广泛关注。该技术把光伏组件与建筑物完美地融为一体，构建节能建筑模式，在建筑屋顶、幕墙等建筑元素上嵌入光伏组件，从而实现节能、降低能耗的目的。BIPV 技术提供了实践路径与技术方案，为我国在建筑领域实现“碳达峰、碳中和”目标提供了有力支持，从而助力我国早日实现“双碳”目标。BIPV 技术的广泛应用，还将促进基金项目：浙江省省属高校基本科研业务费项目（Y202203）作者简介：张晓欣（1989-），男，硕士，工程师。研究方向为光伏发电技术、供配电技术。摘要：建筑行业在全国碳排放总量中占据着较大的比例，约占三分之一，这使得建筑节能减排成为实现“碳达峰、碳中和”双碳目标的关键环节。目前，建筑行业很多采用的太阳能光伏建筑技术形式为“安装型”（BAPV），即将光伏组件直接附着在建筑表面而非作为建筑材料的一部分。而光伏建筑一体化技术（BIPV）是一种将光伏发电技术与建筑材料进行集成设计的技术，其将光伏发电技术与建筑设计紧密融合，真正实现降低建筑能耗、减少碳排放的目的。该文将从构建型、建材型、结合安装型等角度探讨 BIPV技术在建筑场景中的应用，为实现建筑碳排放减排目标提供重要技术支持，以此促进建筑绿色化转型与光伏发电行业发展。关键词：双碳；光伏发电；BIPV；碳排放；建筑能耗中图分类号院TU18文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤32-0006-04Abstract:The construction industry is responsible for a significant portion of the national carbon emissions,accounting forone-third of the total emissions in China.Therefore,energy saving and emission reduction in the construction industry are the keystep in achieving the Dual Carbon goals.Currently,the main solar photovoltaic technology BAPV used in the constructionindustry adopts an attachment approach,where the photovoltaic modules are directly attached to the building surface as anaddition rather than integrating them into the building materials.In contrast,building-integrated photovoltaic(BIPV)technologyintegrates the photovoltaic energy generation technology with building materials,achieving an organic fusion of photovoltaic powergenerationandarchitecture,andreducingbuildingenergyconsumptionandcarbonemissions.Thispaperwillanalyzetheapplication of BIPV technology in the construction industry from different perspectives,including constructive types,buildingmaterial types,and integrated installation types.This study is supposed to provide important technical support for achievingemission reduction targets in the construction industry and promote the development of the green transformation of the buildingindustry and the photovoltaic power generation industry.Keywords:Dual Carbon;photovoltaic power generation;BIPV;carbon emission;building energy consumptionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.0026-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期光伏发电行业发展和建筑绿色化转型，同时降低能源开支，提高社会效益。1BIPV一体化设计1.1功能一体化设计光伏发电建筑是一种创新的太阳能发电应用，我国目前主要的太阳能光伏建筑应用有两种模式，即太阳能光伏建筑技术（Building Attached Photovoltaic，BAPV）和太阳能光伏建筑一体化（Building IntegratedPhotovoltaic，BIPV）2。BIPV 通过将光伏电池集成到建筑物中，实现了光伏建筑一体化，与传统应用有着明显的区别。这种集成方式更加强调系统产品的集成性，相较于 BAPV，BIPV 具有更高的性能优势。从应用效果来看，BIPV 的优势主要在于实现建筑自身的能源产能，降低了能源损耗。传统建筑结构需要依靠城市电网系统的供电，但长距离电能传输会产生大量损耗，降低供电效率。而光伏建筑一体化技术能够利用建筑自身的光伏电池将太阳能转化为电能，缩短了供电路径，降低了电能损耗，提高了供电效率。这种应用方式能够有效地减少城市的能源浪费，达到环保节能的目的。BIPV 所使用的建材型光伏发电材料不仅满足建筑对于建材的基本功能和美学要求，还能够优化建筑建造技术，提高建筑的科技美感。这也是 BIPV 相对于传统建筑应用的优势之一。在未来，这种创新应用有望成为一种能够带来经济效益和环境效益的绿色建筑技术，同时符合建筑美学与科技发展的趋势。1.2信息一体化设计BIPV 建筑作为一种新型太阳能发电应用，推动现代建筑向智能化、安全性高、环保节能方向转型。基于BIPV 设计的建筑可增配光伏发电实时监测系统、建筑综合管理系统，以实现系统集成化，提高光伏建筑的自动化管理水平3。光伏监控系统是 BIPV 建筑的重要组成部分，用于采集光伏系统运行数据，如电气参数等。同时，该系统还能够根据收集环境数据来对光伏发电量进行预测，及时提供运维信息，从而保障建筑光伏系统的正常运行。建筑综合能源管理系统则是实现光伏产能最大化利用的核心。该系统收集和分析用电负荷数据，实现光伏发电产能和建筑能源消耗的有机结合，最大限度地实现高效现代化清洁能源的利用。这个系统不仅有助于建筑实现自我能源的可持续发展，也能为推进清洁能源的自主应用和促进建筑行业的可持续发展作出贡献。2BIPV应用影响因素2.1地理位置不同地理位置的光伏系统所能接受的最大太阳辐射强度是不同的，这与其所处的纬度、温度、海拔、气候和空气质量等因素综合作用有关。因此，对于同一光伏系统，在不同地理气候条件下的工作表现也可能存在很大差异。在实际应用中，为了确保光伏系统能够达到预期的工作表现，需要充分考虑项目所处的地理位置及其环境因素。例如，对于接受光辐射较少、气温较低的地区，需要使用更高效的光伏组件，以提高系统的能量输出效率。另外，在确保安全的前提下，可以采取适当的安装角度、朝向和阴影遮挡措施，以最大程度地提高光伏系统的发电效率。地理位置及其环境因素对光伏系统的工作表现具有重要影响，需要在实际应用中充分考虑，并根据实际情况进行合理的设计和调整，以实现最佳的能量输出效率。2.2光伏发电朝向和倾角光伏板的输出受到多种因素的影响，包括环境因素和光伏板自身的特性。尽管环境因素如纬度和温度在最优范围内，但光伏板的输出仍取决于其放置方式，即朝向和倾角。北半球的光伏板应该朝向正南方，因为在北半球，太阳最强烈的辐射来自正南方。南半球的情况与之正好相反。因此，选择正确的朝向可以最大程度地利用太阳能。倾角指太阳能电池板与水平面的夹角，是另一个影响光伏板输出的重要因素。最佳倾角因地而异，需要结合大量仿真模拟和实地监测数据来确定。然而，在简单的系统设计中，可以将纬度作为倾角的近似值，尽管不够准确，但仍有一定的参考意义。在优化光伏板输出时，必须考虑其放置方式，选择正确的朝向和倾角，以最大化太阳能的利用。通常以组件接收最佳日照来决定光伏板的安装倾角，也可以进行模拟计算来确定其倾角4。3BIPV应用形式与场景3.1构建型构建型的光伏建筑构件是指太阳能组件与建筑构件的融合，或者直接将光伏组件作为独立建筑构件。光伏建筑构件可以采用标准普通光伏组件，也可以根据建筑要求订制。其中，光伏雨蓬是一种常见的光伏建筑构件。光伏雨蓬利用光伏材料替代传统的雨蓬材料，实现防雨和发电两大功能的融合。有 2 种类型的太阳能7-2023 年 32 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application雨棚：一种是与大型建筑物融合；另一种则是独立构件，例如设计在公交站点处的雨棚。尽管不追求最大发电量，不同形式的太阳能雨棚均具有特定的倾角和光伏面积，且光伏材料面积较建材型的幕墙和屋顶较小5。因此，一体化光伏建筑构件的采用能够在满足建筑功能需求的同时，有效提高太阳能的利用效率，具有重要的实际应用前景和经济效益。3.2建材型通过将太阳能电池与建筑材料结合成为一体，建材型的光伏建筑构件可以在建筑基础上实现直接发电的功能。其中，光伏采光顶是建材型一种常用的形式。建筑物的屋顶不仅较为开阔不易受遮挡，而且位置处于建筑物的高处，因而在光照时间和光线遮挡概率方面都具备更为优越的条件，是安装最佳地点。与此同时，在安装该种形式的 BIPV 系统时不影响建筑外观。然而，在满足室内采光的情况下，屋顶需要在设计时留有类似于天窗的空间，以确保光线进入室内的同时不影响太阳能电池的正常工作。因此，太阳能电池要求一定透光性。采用该种方式可以最大程度地利用屋顶的光照资源，且不会影响建筑外观。在设计 BIPV 系统时需要综合考虑发电效果、室内采光和建筑材料强度安全等多种因素。3.3结合安装型安装型的光伏建筑形式是另一种建筑一体化光伏形式，其形式多种多样，常见的有平屋顶上安装、顺坡架空安装及墙面平行安装等。安装型光伏建筑与前两种光伏建筑形式有所不同，其不是以光伏材料作为建筑材料，而是在建筑完成之后对光伏组件进行安装和架设。由于该形式的光伏材料并没有融入建筑材料之中，因此其与建筑的结合度较低。尽管在一些文献中，安装型的光伏建筑形式并未被严格定义为光伏建筑一体化的形式之一，然而该形式仍然拥有着广泛的应用前景和实际价值。该形式的光伏组件安装相对简便，无须考虑建筑的整体设计和光伏组件与建筑材料的协同性。因此，安装型的光伏建筑形式虽然与建筑的结合程度不如前两种形式那么高，但其仍然是一种重要的太阳能利用形式，在光伏建筑应用中仍然扮演着重要的角色。4BIPV应用存在的问题4.1标准待完善光伏建筑作为一种新兴的建筑形式，在环保、经济和美观等方面具有独特的优势，逐渐受到人们的关注。然而在建筑光伏一体化建材的设计、施工以及使用过程中，需要考虑的因素非常多，从政策、管理、技术、经济和社会等方面考虑，有学者结合文献检索结果与专家访谈建议，选取政策、管理、技术、经济与社会等因素指标，建立了影响因素的解释结构模型6，有助于全面掌握这些因素，但仍然亟需统一的规范和标准。行业标准和产品技术标准对于建筑光伏一体化建材也至关重要。建立一整套完善的规范和标准能够保障建筑的安全性、节能性和舒适性，为行业的可持续发展提供稳定保障。建筑光伏一体化建材行业标准应该包括安全性、性能、耐久性、防水性和防火性等各个方面。例如，在安全性方面，建筑光伏一体化建材应符合建筑结构和设计的负荷要求，满足国家相关建筑标准和规定，确保建筑使用过程中不会对人员和财产造成损害。在性能方面，建筑光伏一体化建材应当具有较高的发电效率，同时还要具备良好的光电转换效率和电池板的稳定性。此外，还应考虑光伏建筑在不同气候条件下的耐久性、防水性和防火性等特殊要求。建筑光伏一体化建材产品技术标准应该围绕光伏建筑的建筑材料、电池板和光伏组件等方面进行，进一步保证光伏建筑的质量和性能。例如，在电池板技术标准方面，应该定义电池板尺寸标准、电池片类型、接线方式和尺寸公差等重要参数，既能满足工程需求，又能保证组件的生产和供应能够质量稳定且可控。建筑光伏一体化建材需要制定全面、细致的行业标准和产品技术标准，才能更好地保障光伏建筑的安全性、质量和性能，推动光伏建筑产业的健康、可持续发展。4.2市场不成熟建筑光伏一体化技术是一种将太阳能电池板和建筑外观相结合的新型技术，可以为建筑物提供清洁可再生能源，为城市的绿色建筑和能源转型作出贡献。然而，在 BIPV 技术的推广应用过程中，仍存在一些困难和挑战，成熟的商业模式也亟待探索7。一方面，市场中可供选择的 BIPV 产品种类相对较少，应用场景相对局限，在市场推广中还需要进行进一步验证。虽然目前市场上已经有了一些 BIPV 相关产品，但其应用场景较为局限，无法满足市场上不同客户群体的需求。因此，BIPV 产业需要进一步提高产品创新能力，推广新型产品，并不断拓展应用场景和范围。另一方面，在整个8-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 32 期BIPV 产业中，项目全周期的运营和维护存在着诸多的难点。比如，BIPV 项目缺乏完善的设计、施工、运营和维护标准；由于缺乏经验，维护成本通常较高，且可靠性难以得到保障。应对这些问题，产业需要进一步完善标准、培养人才，提高技术和经验的共享。除此之外，成功推广和应用 BIPV 技术还需要一个成熟的商业模式的支撑。目前，BIPV 产业的商业模式尚处于探索和实践阶段。因此，产业需要积极探索多样化的商业模式，以满足市场需求和推动 BIPV 产业的快速发展。BIPV 应用的困难和挑战明显，在推广 BIPV 技术方面需取得一些突破。同时，大规模的推广还依赖于建筑行业与其他行业的紧密合作和交流。产业需要进一步完善标准和规范，促进公私合作和技术共享，使BIPV 技术逐步成为大规模应用的关键技术之一。未来，随着装配式建筑的快速发展，BIPV 产业将有望迎来实质性的发展突破。同时，政策支持力度的增强和技术创新的推动，也将为产业带来更多的机遇和优势，进而实现全面升级和产业化的目标。4.3经济性待提高BIPV 技术的出现拓展了光伏建筑的应用场景，但与 BAPV 技术相比，其经济性表现并不突出。目前，BAPV 技术更为成熟，施工成本和技术路线也更为清晰。虽然 BIPV 技术在未来可能会有更广泛的应用，但在目前阶段，其高成本和复杂的施工方式仍然影响了其推广。首先，相对于 BAPV 技术，BIPV 技术需要更高的装配技术和成本。BIPV 技术需要将太阳能电池板集成到建筑物的外观中，从而使得其施工工序较为复杂。同时，由于 BIPV 技术需要更高的技术和装配工具，因此每个工艺节点的投入成本也会更高，使得整个项目的建设成本显著增加。其次，虽然 BIPV 技术在解决景观破坏等问题方面具有优势，但由于其装配成本高、施工难度较大，使得其应用面临一些限制。相比之下，BAPV 技术更可行和灵活，可以更好地利用现有的墙面或屋顶，为建筑物提供清洁、可再生的能源。此外，由于 BAPV 技术施工简单、成本低廉，更容易被市场和用户所接受。因此，BIPV 产业需要进一步提高技术研发和创新能力，在成本和施工难度上进一步优化，提高装配效率和降低成本，以更好地满足市场需求。综上所述，BIPV 技术的出现为光伏建筑的发展注入了新的动力，但在其成本和施工难度等方面仍存在一些难点和挑战。与此相比，BAPV 技术在经济性、施工难度和灵活性等方面表现更加出色，更符合市场需求和用户期望。未来，BIPV 产业需要不断探索创新，提高技术和成本效益，推进产业向着更高效、更可持续方向迈进。5结束语在全球气候变化日益严峻的背景下，减少碳排放、降低碳排放已经成为各个行业的共同目标。建筑业是世界上能源消耗和碳排放较高的产业之一，通过不断探索和推广可持续的建筑技术和理念，建筑业也在逐渐实现绿色化发展。在“双碳”建设大背景下，建筑领域的减碳举措日益受到各行各业的关注。作为建筑领域的一种重要节能减碳技术，光伏发电不断得到各界的青睐。而 BIPV 作为一种新兴的建筑技术，正在改变我们对于建筑的认知，为建筑行业的节能减排工作带来了新的希望。本文旨在探讨“双碳”建设背景下建筑领域的减碳举措，特别关注节能建筑与光伏发电融合的应用，重点分析以 BIPV 为基础的建筑应用形式与场景。BIPV 作为光伏一体化建筑技术的一种重要形式，在建筑领域具有广阔的应用前景。本文以构建型、建材型、结合安装型应用形式和场景展开分析，探讨 BIPV应用场景的潜力及挑战。尽管在标准制定、产业链完善、成本控制等方面，BIPV 仍面临诸多挑战和提升空间，但在建筑领域中，BIPV 所体现的发电特点和科技美感却极其突出。未来，随着节能建筑减碳要求日趋严格，BIPV 建筑系统作为可再生清洁能源的代表，将越来越被广泛采纳和应用。随着市场上光伏组件的价格不断下降，BIPV 市场的前景和潜力将会变得愈加巨大和广阔。参考文献院1 黄承梁.把碳达峰碳中和作为生态文明建设的历史性任务N.中国环境报，2021-03-25（003）.2 赵铮.太阳能光伏在建筑中的应用研究D.北京：清华大学，2012.3 房建军.光伏建筑一体化融合理念和光伏系统设计要点J.科技和产业，2021，21（5）：251-254.4 胡从川，王博渊，刘广东，等.光电建筑工程的关键技术研究J.太阳能，2021（7）：37-45.5 王东.分布式光伏发电建筑一体化系统设计与研究D.北京：华北电力大学，2017.6 孙瑞鸿，周盛世，李龙.“双碳”背景下光伏建筑一体化发展影响因素分析J.湖南工业大学学报，2023，37（2）：65-71.7 沈瑾.光伏建筑一体化技术的应用及展望J.能源与节能，2023（3）：49-52.9-