BIPV是光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)的简称,是分布式光伏发电系统的一种应用形式,实现了光伏发电产品和建筑的有机结合,兼具发电功能和建材属性。
BIPV相对于BAPV最大的区别在于光伏和建筑相结合的一体化程度更深,BAPV从本质上来说电站属性更加突出,而BIPV组件虽然具备光伏发电性能,但基础属性上是一种建筑材料。
图:BIPV和BAPV示意图(来源:华泰研究)
BIPV相关标准
目前,光伏行业相关国际标准的制定工作主要集中在国际电工委员会太阳能光伏能源系统技术委员会 (IEC/TC82)。其中针对光伏组件性能部分的内容大多也是引用自 IEC 61215、IEC61646 和 IEC61730 这 3 个系列标准;而针对 BIPV组件在建筑材料性能方面的标准则很少,其中与BIPV相关的新制定的标准包括IEC/TS 62788-5-2:2020《光伏组件用材料的测量方法》、IEC 63092-1:2020《建筑光伏-1:建筑光伏一体化组件要求》与IEC 63092-2:2020《光伏建筑一体化系统要求》。国际标准组织也发布了ISO/TS18178:2018《建筑用光伏夹层玻璃规范》。
图:国内部分建筑光伏标准化文件(来源:招商证券)
BIPV相关政策
目前,各地政府积极推动建筑领域的双碳行动,其中的重点方向就是建筑节能率的提升。目前,建筑围护结构保温性能和建筑设备高能效等节能降碳举措已在当前建筑节能中应用的较广泛,而随着对建筑节能率要求的进一步提升,前述举措的成本边界效益逐渐达到,之后,通过建筑光伏等可再生能源的应用,将成为推动建筑节能率提升的重要途经。
图:近年绿色建筑与BIPV相关政策梳理(来源:华泰研究)
BIPV应用场景
相比于传统BAPV光伏电站应用形式的单一,BIPV的应用场景能够呈现出更加多样化、智能化和美观化的优势和特点。以下五种场景是目前BIPV应用的较为广泛的场景。
1. 光伏屋顶
与常规的屋顶光伏电站BAPV不同,BIPV要求光伏发电建材与建筑融合成为整体;除了有非常好的发电能力,还要具有替代传统屋顶的遮阳、保温、防水的功能或者建筑美观功能,不仅要求光伏建材的颜色图案、形状尺寸能与建筑整体设计融合,达到美观要求。光伏屋面通常有替代式和整合式,替代式为组件替代屋顶外侧的保护层,融合在构造层中,组件需要保证较整齐的形状,具有较好的密闭性和方式构造;整合式为组件具备建筑屋顶的全部功能及建材特点,能够取代建筑屋顶,一般为采光屋顶,需采用强化玻璃做底板和面板。
图:替代式(上)和整合式(下)
2. 光伏幕墙
光伏幕墙其本质是幕墙的光电化,也可以理解为将光伏发电建材及其电气系统与幕墙构造结合而产生的新的品类。
- 从幕墙光伏发电材料角度分类:晶硅类、薄膜类
- 从透光性角度分类:透光型、半透光型、非透光型
- 从能源角度分类:产能型、产能节能综合型
晶硅型BIPV使用的仍是传统的单晶硅或多晶硅光伏板,光伏组件是使用EVA或PVB胶膜,在多层钢化玻璃中间封装晶体硅电池片。随着光伏行业的发展,晶体硅类的转换效率不断提高,目前单晶硅的转换效率最高可达26%,普遍单晶组件的转化效率也可达到18%,多晶硅的转换效率略低,平均在16%左右。
图:光伏幕墙示例
对于有透光要求的立面项目,薄膜类光伏幕墙是现在行业最主流的应用方式,由于能够根据设计要求对透光性、色彩、纹理、图案等艺术化处理和个性化定制,使得薄膜类光电幕墙应用更为广泛。目前实际应用场景最丰富的是碲化镉或铜铟镓硒薄膜光伏幕墙。薄膜电池普遍具备更佳的弱光性和温度系数等优势,可在弱光等环境中广泛应用。目前在实验室报告的碲化镉光伏电池最高效率为21.5%,而商业应用上的平均效率为14.7%。
相比于晶硅,碲化镉的弱光性强,在清晨、傍晚、积灰、雾霾等弱光条件下的发电效果明显由于间接带隙材料的晶硅,在较低辐射下,碲化镉比晶硅早发电1个多小时。更重要的是,碲化镉长期衰减低,从25年的组件效率衰退情况看,目前晶硅太阳能电池效率衰减20%,而碲化镉组件约12.5%,这意味着同样功率的组件,碲化镉比晶硅在全生命周期内有更多的发电量,相同发电量下有更长的寿命,对于使用期至少在30-40年的商业建筑来说,是更优的材料。
铜铟镓硒电池具有薄膜光伏技术中最高的能量转换效率,目前在玻璃基板上的平均转换率接近20%,其柔性、抗太阳辐射强度和高比功率特征使其成为目前行业内公认的最具有工业化前景的薄膜发电技术。
图:分布式光伏技术路线梳理
3. 光伏采光顶
玻璃采光顶在夏天隔热是一个比较头疼的问题。使用碲化镉透光发电玻璃替代传统玻璃是一个好办法。经过大量光伏采光顶项目的经验总结,在平衡透光度、发电功率等因素后,采用20%透光度的碲化镉发电玻璃比较好,能够满足采光要求,并且保证了发电功率。另外,光伏采光顶相比普通钢化玻璃采光顶,会有一定的降温效果。首先,光伏组件会反射热量,太阳光照射光伏组件,光伏组件把一部分太阳能吸收转化为电能,另一部分太阳光则被光伏组件反射。其次,光伏组件对投射的太阳光线进行折射,折射之后太阳光会衰减,对太阳光进行了有效的过滤。
图:光伏采光顶
图:碲化镉薄膜彩色光伏组件
4. 预制光伏墙
光伏与立面结合除了干挂的形式,也可以做成一体化装配式光伏墙体,直接替代了传统墙体,在工厂预制加工完成后,可以直接快速安装在建筑的框架体系上。在一般建筑外围护中,非透明外墙占比达到70%,作为安装光伏为主要场景的建筑外立面,非透光区域的BIPV具有非常大的市场开发潜力。
5. 光伏遮阳板
光伏遮阳板是将光伏发电建材作为建筑本体遮阳结构,可根据设计要求灵活调整尺寸央视、颜色图案、透光等。目前,国家标准GB/T 37268 – 2018《建筑用光伏遮阳板》已发布实施,为光伏遮阳板的相关技术和产品应用提供指导。
图:光伏遮阳板示例
BIPV全生命周期经济评价
BIPV项目一般与没有使用光伏系统的同类建筑相比,费用增量和效益增量分别出现在全寿命周期的不同阶段。在全生命周期中,涉及到成本费用增加的环节主要在投资阶段,设计阶段和施工阶段费用增量所占比例较小,效益增加的环节主要体现在运营阶段,通过光伏产品的使用可以产生电力,以上网电价卖出或供内部负载消耗,并实现碳减排,增加社会效益。BIPV项目在运营阶段的收益主要有电力的收益和通过碳减排和碳价产生的碳资产收益。
应用案例 – 汉能控股集团总部BIPV项目
汉能控股集团总部BIPV项目位于北京市朝阳区奥林匹克公园内,为一个既有建筑改造项目,此项目融合了当今国内最多样式的薄膜发电组件,是新能源与建筑和谐共生的典型案例。整个项目主要分为3个部分:1-2层双曲面光伏幕墙、3层折形光伏幕墙和多彩透光连廊。采用汉能定制化高效组件(透光率20%),并使用微电网技术进行能量管理、光伏发电总装机容量约300kw,每日为建筑提供近1000度绿色能源。汉能BIPV产品具备弱光优势、高温优势、均匀透光、环境适应性强等特点,更在原料选择、电池膜加工、组件封装等环节全部实现清洁零污染,完美契合绿色环保建筑理念及标准。
图:汉能控股集团总部外景
多彩透光连廊采用点驳结构,使用定制大尺寸透光BIPV组件进行采光窗/落地窗的功能设计。连廊里面东西两侧采用透光技术,周围景观一览无余;顶部采用汉能彩色BIPV系列产品,在满足采光要求的同时,增加建筑色彩表现和艺术感。
图:汉能彩色BIPV组件
汉能控股除了上述产品还有透光BIPV组件,中空、low-E等兼具采光、遮阳、隔音、隔热性能的BIPV组件,柔性BIPV组件系列,轻便灵活,异性BIPV组件和超大尺寸组件面积。
BIPV目前国内渗透率2%,在4月1日住建部发布的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》全面执行后,项目会大量选择做BIPV,市场也会迎来爆发。BIPV目前处于成长曲线的起点,未来的政策支持力度,产品经济型和材料特性都可以预期到会有大幅度的增长。
参考文献:
- BIPV行业深度报告,招商证券;
- BIPV在线;
- 建筑节能专题:BIPV春潮涌动,华泰证券;
很有含金量的文章