光伏建筑发展与经典案例
光伏一体化技术20世纪70年代被首次实践应用以来，经过40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估计，预计到2020年底我国的建筑总面积将达到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 光伏建筑国内外发展状况
1.1 国外光伏建筑发展
早在1839年法国物理学家A.E.Becquerel通过实验就发现了光生伏特效应，但是由于受到材料等原因能量转换效率较低，并且占地面积较大，如果建设大范围太阳能电站势必无法平衡成本和收益。
一百多年以后，1967年日本的MSK集团首次论证了将太阳能电池与建筑结合的可行性，并提出了“光伏一体化建筑”概念。但是由于种种原因，这种想法很难得到实现，到了70年代美国太阳能设计协会（SDA）率先在美国城市波士顿的一个高层建筑上完成了附加式光伏建筑的设计与施工，并最终成功实现了并网发电。
随后美国在马萨诸塞州、新墨西哥州和佛罗里达州又建立了几座光伏一体化建筑的实验站，最终在美国能源部和麻省理工学院的委托下于1980年通过美国太阳能设计协会建立起了真正意义上的光伏发电一体化建筑，并完成了7.5 kWp的并网发电。
此后的几年，光伏一体化建筑进入了政府示范区建设阶段，一批具有特系统的光伏建筑一体化系统被设计制造出来，但
是并未完全商用。
1990年国际能源署成立了一个多国专家组，用来评估光伏建筑一体化系统的各项技术可行性，随后的美国能源部论证了材料、经济效益等因素的可行性，并于1997年美国政府提出了第一个光伏建筑一体化规划—百万屋顶计划，该计划最终因资金问题未能完成。
日本政府在1997年发布了新能源促进法，法案颁布之后，光伏建筑一体化系统的成本迅速下降，从之前的200万日元/kW降至了100万日元/kW。2009年光伏建筑的年总装机量达到480 MW，到了2016年底光伏建筑的发电量已达到8.95 GW。德国在光伏建筑上于1998年10月就提出了十万屋顶计划，并于1990年1月通过相关政策法规进入实施阶段，截至2006年年底该计划已完成了30万套，装机总量
光伏建筑发展与经典案例
李庆党，和学泰，李子良，祝方舟
（青岛科技大学，青岛 266061）
  ［摘　要］ 从新的角度阐述了光伏建筑的国内外发展脉络，列举出了近些年国家相关政策和光伏产业的国家或行业标准。并且分别列举了光伏建筑的3个发展方向：附加光伏系统、光伏建筑一体化及光伏光热建筑一体化，阐述了这3个方向各自的优缺点及面临的一些问题和未来的发展方向，最后详细地分析了3个方向的一些最新典型案例。
  ［关键词］ 附加光伏建筑；光伏建筑一体化；光伏光热一体化建筑；光伏发展
  ［中图分类号］ TU 74    　［文献标志码］ A    　［文章编号］ 1001–523X（2022）04–0001–06
PHOTOVOLTAIC BUILDING DEVELOPMENT AND CLASSIC CASES
Li Qing-dang，He Xue-tai，Li Zi-liang， Zhu Fang-zhou
  ［Abstract］ The paper describes the development history of photovoltaic building in China and other countries from a new perspective, and lists the relevant national policies and national or industrial standards of photovoltaic industry in recent years. Moreover, it lists three development directions of photovoltaic architecture, including additional photovoltaic system, photovoltaic building integration and photovoltaic photothermal building integration.
The advantages and disadvantages of each of the three directions, as well as some problems faced and the general development in the future are explained. Finally, some of the latest typical cases are analyzed in three directions in detail.
  ［Keywords］ BAPV；BIPV；photovoltaic photothermal integrated building；photovoltaic development
收稿日期：2022–01–10
作者简介：李庆党（1973—），男，山东青岛人，教授级博士生导
师，主要研究方向为MEMS系统、自动化技术、计算机软件及
应用光伏系统。
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高达2.5 GW。
近年来德国政府也在积极倡导能源转型升级，预计到2022年关闭国内所有核电设备，并在2038年之前关闭化石能源电厂，预计2050年可再生能源占比将达到80%。
1.2 国内光伏建筑发展
我国的光伏一体化建筑起步较晚，直到2004年我国中科院电工研究所才设计了第一个真正意义上的光伏一体化建筑项目，装机容量为50万kW并成功并网。
随后我国又建设了一些重点的示范工程，比如装机容量300 kW的首都博物馆和装机容量1 MW的奥林匹克公园。2006年上海市政府也出了十万屋顶计划，该项计划分2批，已于2015年完成，根据相关数据显示上海十万屋顶计划每年可发电4.3 kWh，节约煤炭2万t，减少二氧化碳排放达4万 t。
根据最新政策《关于印发绿建筑创建行动方案的通知》的要求，到2022年城镇新建建筑中绿建筑面积占比达到70 %。并且我国的光伏产业标准共规划了500套，目前已经现行131套，正在制订中有85套，其他各类标准也在紧锣密鼓地制订与探讨中（表1）。
表1 光伏建筑标准制订情况
项目概况编号类型状态
建筑用太阳能光伏夹层玻璃GB 29551—2013国家标准现行
建筑用太阳能光伏中空玻璃GB/T 29759—2013国家标准现行光伏蜂窝一体化板——待制订建筑物电气装置第7–712部分：
特殊装置或场所的要求太阳
能光伏（PV）电源供电系统
GB/T 16895.32—2008国家标准现行
光伏与建筑一体化发电系统验
收规范
20111728–T–424国家标准制订中
光伏建筑一体化系统运行与维
护规范
JGJ/T 264—2012行业标准现行
工业厂房光伏建筑一体化屋顶
光伏系统
——待研究农村建筑太阳能利用技术条件20083014–T–326国家标准制订中
民用建筑太阳能光伏系统应用
技术规范
JGJ 203—2010行业标准现行建筑光伏幕墙采光顶检测方法20121191–T–333国家标准制订中光伏生态温室建筑指南——待制订
相信随着我国政府对环保问题的不断重视，光伏建筑一体化系统在不久的将来在数量和质量上都会领先世界。
2 光伏建筑电池技术发展
随着光伏电池的不断发展，将薄膜太阳能电池集成到柔性建筑材料中，比如幕墙或者带状屋顶等，成为趋势。
光伏建筑电池技术大概划分为3个发展阶段。
（1）第一代光伏建筑电池为单晶硅和多晶硅主导的光伏电池，该类型电池是现如今BAPV市场上最常见的一种，并且已经得到了广泛的应用，各项技术比较成熟，性能也很稳定。
由于多晶硅的光电转换效率要略优于单晶硅，多晶硅太阳能光伏电池是快速增长的光伏市场中最常见的太阳能电池类型。市场上生产的多晶硅绝大多数被用于光伏产业，差不多每MW的装机量需消耗5 t左右的多晶硅原料。
（2）第二代光伏电池材料常见有碲化镉（CdTe）/硫化镉（CdS）以及铜铟镓硒（CIGS）。这些材料与第一代光伏电池相比，能够吸收更广的太阳光频谱范围。（CdTe）光伏太阳能电池是继多晶硅之后世界市场上第二丰富的太阳能光伏技术，根据2014年的公开数据显示CdTe光伏太阳能电池世界市场份额达7 %。First solar的实验室中测得CdTe太阳能光伏电池的最大光电转换效率为21.5 %，平均光电转换效率达到14.7 %。并且CdTe薄膜光伏太阳能电池可以快速制造，为传统硅基光伏技术提供了一种低成本的替代方案。铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池具有弹性好、抗太阳辐射强度高、比功率高等优点，应用也越来越广泛。
铜铟镓硒（CIGS）光伏太阳能电池在其1.5 eV 的带隙处具有非常高的吸收系数，因此，对太阳光谱的吸收非常强。铜铟镓硒（CIGS）电池的光电转换效率是目前所有应用的薄膜电池中最高的，在玻璃基板上接近20 %。根据这些特点铜铟镓硒（CIGS）光伏电池可以用于柔性光伏模块场景，暂时无法被替代。
（3）目前，理论研究中的第三代电池有硫化铜锌锡光伏电池（CZTS）、染料敏化光伏电池、有机光伏电池、钙钛矿光伏电池、聚合物光伏电池以及量子点光伏电池。硫化铜锌锡属于四元半导体化合物，与铜铟镓硒（CIGS）有着类似的光学和电学性质，所以该材料非常适合做薄膜光伏电池的吸收层。但是
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与铜铟镓硒（CIGS）所不同的是该材料成本要低得多，并且储量相对丰富，对环境较友好。
目前该材料实验室条件下的光电转换效率仅能达到12 %。染料敏化光伏电池，又称Gratzel型太阳能电池，最早于1988年被发明出来，属于光电化学系统，基于光敏阳极和电解液之间的半导体。该电池系统也是成本较低的薄膜太阳能电池，可根据需求制成半柔性或半透明状态，制作过程非常简单。
不过该型电池也只是处于理论上性能比较好的状态，实际应用中会消耗大量的珍贵材料如铂和钌，并且由于该电池为液态电解质，不适合所有的天气环境，会大幅增加维护费用，所以目前还只是处于理论阶段。
有机光伏电池与聚合物电池一样，虽然成本低，但是与无机电池相比效率低、稳定性差、强度低等特点。
钙钛矿电池被业界普遍认为是代替传统硅电池的最理想材料。该类型电池不仅制造简单，生产成本低廉并且光电转换效率已从2009年的3.8 %提升到了现如今的25.2 %，是迄今为止发展最快的太阳能电池技术，并且该材料具有更大的低生产成本和极高转换率的潜力，国外已经打算将钙钛矿电池模块投放市场。
量子点光伏电池是目前最新、最尖端的太阳能电池技术，量子点具有独特的优势：量子尺寸效应，通过改变半导体量子点的大小，可使太阳能电池吸收特定波长的光线，即小量子点吸收短波长的光，而大量子点吸收长波长的光。该技术目前还在理论认证阶段。
3 光伏建筑设计与实现形式
3.1 光伏建筑系统设计
光伏建筑系统是通过集成的方式将光伏模块和传统建筑结合在一起，使其不仅能够起到保护建筑的作用，还能产生建筑所需的电能，一般综合评定来看光伏建筑系统的经济效益要远远大于单个的光伏电站。
一个完整的光伏建筑系统包括6大模块（图1）。
（1）光伏电池模块，包括透光、非透光光伏电池、柔性电池和刚性电池等。
（2）充放电控制器，用于调节蓄电池的进出电量。
（3）储能系统，常见的主要是分成2种：并网所连接的电压线，离网状态下的蓄电池组。
（4）交流逆变电源，可将电路调节成用户所需的电压值。
（5
）电路保护系统。
图1 光伏系统示意
（6）备用电源，一般备用电源只用于离网系统中。
光伏建筑系统应采用节能设计技术，并仔细选择和指定设备组件。应从生命周期成本的角度来看待，而不仅仅是初始成本。
光伏建筑系统的设计考虑因素必须包括建筑物的使用和电力负荷，其位置和方向，适当的建筑和安全规范以及相关的公用事业问题和成本。
设计光伏建筑系统的以下步骤包括。
（1）仔细考虑采用节能设计实践和节能措施，以降低建筑的电力需求。这将提高舒适性和节省资金，同时使给定的BIPV系统能够提供更大比例的负荷贡献。
（2）在公用事业交互式太阳能光伏系统和离网光伏系统之间进行正确选择。
（3）整个系统必须保证充足的通风，否则由于温度的上升会大大降低系统的工作效率，并降低使用寿命。有条件的可以考虑如何能够利用这一过程中产生的热能。
（4）要充分考虑到光伏板块的选择是否有利于室内的采光或者遮光。BIPV组件可以帮助减少与大面积建筑玻璃相关的不必要的冷负荷和眩光。
（5）要针对当地气候和环境进行设计，设计师应了解气候和环境对光伏阵列输出的影响。寒冷、晴朗的天气将增加发电量，而炎热、阴天将减少光伏模块输出。
（6）要充分考虑到光伏发电的效率，必须保证在中午太阳峰值的3 h内光伏组件能充分吸收光谱。
（7）光伏安装模块要便于安装和后续的维修拆卸，必须保证在后续拆卸过程中不能影响整个建筑的结构安全。
（8）参与设计、安装及维护的相关人员务必有良好的专业素养，因为光伏建筑的安全要求要远大于普通的光伏电站，否则建筑将有极大的风险。
（9）要尽可能地将光伏材料与传统建筑材料有机融合，使其不仅能体现出高科技美感，更要符合当
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地的特，让住户真正能体验到绿建筑到来的舒 适感。
3.2 主要实现形式
光伏建筑的实现形式主要分成3个方向，其中比较传统的为附加光伏系统（BAPV ）和光伏一体化建筑（BIPV ）。
近年来，随着技术的不断发展，为了能实现太阳能利用的最大化，研究者又提出了光伏光热建筑一体化技术（BITVT ），这种技术不仅能将太阳中的光能转换成电能，同时可以吸收在该过程中产生的热能。3.2.1 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（图2），
所用的太阳能电池材料为单晶硅或多晶硅。
（a ）
（b ）
图2 BAPV 案例
（a ）屋顶光伏方阵；（b ）屋面光伏方阵
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（图3）。
太阳能电池板
湿度计
白射仪
带保护装置逆变器
用电设备实电电能表国电电能表
室外显示屏室内显示屏
图3 BAPV 原理
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。
3.2.2 光伏建筑一体化
光伏建筑一体化又被称为集成式光伏电站（图4），就是在建筑建设的前期就充分考虑到太阳能这类绿能源的利用，使得建筑将技术与美学融合在一起。该技术是当今最热门的领域，尤其是应用在建的新型写字楼。
地板
平光顶
幕墙遮阳板
图4 BIPV 原理
光伏建筑一体化的实现方式多种多样，并不一定只限制在大厦的建设，比如在车棚、景观亭、公交
站、路灯等场景都能实现建筑一体化，尤其是现在很多城市街道上的路灯已经实现了光伏一体化。常见的BIPV 实现形式主要可以分成4大类，见表2。
表2 常见的BIPV 形式
BIPV 形式光伏组件光伏类型应用场景采光顶光伏玻璃集成建筑采光顶光伏屋顶光伏屋面瓦集成建筑屋顶光伏幕墙
透明光伏透光玻璃集成建筑外层幕墙非透明光伏玻璃 （普通）集成建筑外层幕墙遮阳板
采光
光伏遮阳板
（透光）集成建筑遮阳板不采光光伏遮阳板（非透光）
集成建筑遮阳板光伏地板
光伏石板
集成
庭院石板路
光伏建筑一体化的优点较多，比如光伏建筑的一些结构可以代替原本的建筑结构，可以节省建设成本节约建筑空间。
并且，直接可以实现原地并网发电，减少电力运
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输过程中的损耗，两者配合大幅减轻市政部门用电高峰期的压力。
通过光伏幕墙不仅能实现采光还可以吸收太阳热量，起到室内保温的效果。由于光伏模块有独特的光影效果，给人的视觉效果较好，使得建筑更具科技感和美感。但是光伏一体化建筑的基础材料费用较高，光伏建筑比一般的建筑要高出许多建设和维护 成本。
3.2.3 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。
4 典型案例
4.1 附加光伏系统
北京大兴国际机场于2014年开工建设，项目总耗资800多亿元，项目开工后经历5年时间于2019年9月30日正式交付使用（图5）。同时该机场是光伏示范项目之一，项目预计总规模达到5.61 MWp ，分批次建设而成，其中现已建成一期工程4.1 MWp ，并于2019年9月16日完成并发电。一期工程建设分为2个大的子部分：机场跑道工程和货运区工程。一期工程共计安装光伏发电模块1.3万套，逆变器共有57台，光缆和电缆长度达到43 km ，地环网的总长度也达到5.5 km
。
（a ）（b ）
高层建筑设计规范
图5 北京大兴国际机场BAPV 案例
（a ）跑道光伏发电系统；（b ）货运区光伏发电系统
其中，跑道分布式光伏项目总装机容量为
2.07 MWp ，采用单晶硅套件共计6 688套，同时配有28台逆变器和25台升压装置，最后通过10 kV 形式完成并网。这是我国在跑道周边建设的光伏项目，并且是全球距离跑道较近的光伏发电系统，最近中心距离只有150 m 。货运区光伏总装机容量为2.03 MWp ，采用单晶硅套件共计6 556套，同时配有29台逆变器，最终采用0.4 kV 并网至低压配电站。两者均采用自发自用余电并网。
大兴国际机场光伏一期发电工程并网后预计每年将产生绿电力500万kW ，每年可节约1 557 t 化石能源，并减少790 t 二氧化碳排放和11.9 t 二氧化硫排放，能产生巨大的社会效益和环境效益。4.2 光伏建筑一体化典型案例
4.2.1 国家电投总部大楼智慧能源示范项目
国家电投总部建设于2005年，但是由于建筑本身有三面采光，所以导致室内温差过大，基本上每年3月底室内温度已达到30 ℃，每天的控温消耗电量达到1.5万kWh ，费用也达到2万元人民币。所以2016年初提出了智慧能源理念，在大厦的东、西、南三面引用了汉能的薄膜太阳能发电技术，最终解决了采光、发热、电力供应等问题。
设备改造后国家电投总部大楼总装机量为170.66 kWp ，预计在2025年的使用寿命内年均发电量为12.69万kWh ，节约能耗70.9万kW ，节约化石能源近275 t ，并减少20多t 二氧化碳排放和5.43 kg 二氧化硫排放。环境效益相当于种植树木45 000棵，停用150辆汽车。
除此之外，该项目节能降耗投资收益率高达9 %，预计9年内赚回成本总费用454.4万元，并且25年运行期间累计创收2 000多万元，此结果基于未考虑财政的相关补贴政策等额外收益而得出。4.2.2 嘉兴秀洲光伏科技馆项目
嘉兴秀洲光伏科技馆项目总的建筑占地面积为4 832 m 2，整个科技馆外观几乎全部被光伏建筑模块覆盖，涵盖东西南三立面幕墙、光伏雨篷、光伏塔以及斜屋面屋顶和采光顶5个模块，整个建筑幕墙的安装总面积为5 261 m 2。
其中，采用龙焱能源科技提供的碲化镉光伏组件安装面积为4 253 m 2，主要分布在立面幕墙、光伏雨篷、光伏塔和采光顶等，总装机量310 kW ，共计用掉各类型50 %透光率碲化镉组件1 008片和721片不透光碲化镉组件。屋顶部分选用晶硅组件，除去车棚部分共计安装晶硅组件224片，装机容量为58 kW 。

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