【IBE】“双碳”目标下光伏建筑一体化发展现状及前景分析

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  本文分析了光伏建筑一体化发展的必要性、优越性、现状及产业链发展的前景预期。在政策指引、法律和法规逐步健全、社会多个行业协同发展的情况下,光伏建筑一体化必将通过合理的设计,在“碳达峰”和“碳中和”长远目标下发挥重要的作用。

  太阳能发电技术在建筑中的应用是国家在“十四五”这个建设周期内的重点发展、推广方向。目前光伏建筑一体化设计中虽然仍存在标准体系不完善,产业链、供应链需提升,安全性、耐久性需提高等难点,但在未来政策趋势以及标准体系完善的情况下,相信光伏建筑一体化系统将得到大力、加快速度进行发展,助力“碳达峰”和“碳中和”目标实现。

  光伏发电目前被公认为全球最具发展前途的可再次生产的能源之一。2021年,全球光伏市场迅速增加,在多国“碳中和”目标的推动下,预计“十四五“期间,全球每年新增光伏装机容量约210 ~260GW。据 IRENA(国际可再次生产的能源机构)预测,在转型能源情景下,到 2050 年,光伏装机总量将达到8519GW，年新增装机超过250GW。

  与国外相比,虽然中国绿色建筑相关的研究起步较晚,但是在国内政策推进和国外市场增长的双重驱动下,光伏产业规模持速增长、投资热情持续高涨、行业集中度逐步提升、区域布局渐趋合理。

  根据中国建筑节能协会数据,当前国内建筑全生命周期碳排量已经占到全国碳排放总量的51.3%,其中仅建筑运行阶段碳排占比就达到了22%。显然,建筑行业成为了我国零碳发展的“主战场”。

  光伏建筑产生的绿电具有方便获取、经济性好的优势，可以大大降低建筑能耗,实现零碳建筑的同时可惠及千行百业、千家万户。当前光伏建筑一体化供需条件和技术趋于成熟，在政策推动和市场需求持续高涨的情况下,光伏建筑一体化的发展有利于实现零碳家庭、零碳园区、零碳城市。

  光伏建筑一体化 ( Building Integrated Photovoltaic,BIPV)指的是与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统。其不仅是光伏发电系统与建筑物的物理结合,还关乎建筑物的整体形象,因此产品的多样性、与建筑物的结合形式至关重要。下面从产品发展现状、产业化发展现状以及光伏建筑一体化的优越性三个方面做分析。

  目前市面上常见的光伏电池有晶硅电池和多元化合物薄膜电池,具体分类及特点如表 1 所示。

  太阳能资源具有储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和利用的经济性等特点。

  从全球来看，中国地处优势地带,具有发展太阳能利用事业得天独厚的优越条件.太阳能资源较好的地区占国土面积 2/3 以上,大多分布在在西北部以及东南地区，其中青藏高原地区的优势尤为突出。考虑西部地区光伏发电电力运输的损耗及成本,东部地区发展光伏建筑一体化可就地取材，节省本金的同时降低建筑能耗。

  “双碳”目标下,国家及地方政府已经推出一些政策鼓励推进建筑光伏一体化行业的发展。例如，在《建筑节能与可再次生产的能源利用通用规范》GB55015-2021第 5.2.1规定,新建建筑应安装太阳能系统;《建筑电气与智能化通用规范》GB 55024-2022 规定了关于光伏建筑一体化设计的要求。浙江省地标《绿色建筑规划设计标准》DB 33/1092-2016第 9.2.24 规定,当采用太阳能光伏发电系统或风力发电系统时,应与建筑一体化设计,并应优先采用并网系统。

  2022 年“两会”提出要从顶层设计层面完善有关规定法律法规,将光伏材料应用、光伏建筑一体化发展等强制性要求纳入政策法规体系,明确有关规定法律责任.完善国家标准体系.为光伏建筑一体化的加快速度进行发展提供政策保障与支撑。

  光伏建筑一体化系统除了具备发电功能之外，同时还具有抗风压性能、水密性能、气密性能、隔音性能、保温和遮阳性能等建筑外围护所必需的性能.因此能在达到建筑围护、建筑节能、太阳能利用等多种功能的同时,保障建筑的美观性、安全性、舒适性等功能,做到与建筑的完美配合。图 1 所示为苏州冯梦龙现代农业园区，其采用的是碲化镉薄膜太阳能组件,组件美观、透光性好。

  图 2 所示为 2019 北京世园会中国馆,其内侧屋架通过安装碲化镉薄膜光伏玻璃,实现建筑功能和发电效果的结合。在光伏玻璃选择方面,建筑师保证完整性,室外侧光伏玻璃颜色选择与普通玻璃接近,室内侧选用金黄色,凸显国家的文化性和礼仪性。

  新建北京至雄安城际铁路雄安站站房项目.采用的是屋面分布式光伏发电屋顶(图 3),光伏组件总敷设面积约为 4.2 万 m2.规划建设容量合计约为5.97MWp,采用335Wp 多晶硅电池组件;选用 24 台196kW 组串式逆变器(1500V)。

  本项目根据国家电网公司文件国家电网办[2013] 1781 号《国家电网公司关于印发分布式电源并网》相关意见和规范(修订版)的通知:10kV 及以下电压等级接入,且单个并网点总装机容量不超过 6MW 的分布式电源。综合考虑项目的建设周期、运营情况、合理性、经济性以及可行性分析,采取光伏电站通过升压站进行升压后,用 1个并网点经 10kV 电压等级并网运行的方式。

  全国各地区的太阳能辐射强度不同.对于同样的光伏发电系统.能够产生的发电量不同,因而“碳减排”量也不同。城镇地区和农村地区的建筑类型、特点不同,光伏发电系统可应用的场景也不同。对我国太阳能资源利用潜力的衡量,一方面要考虑各省份的太阳能辐射资源条件,另一方面也要考虑不一样的地区的城镇、农村建筑体量。从而分析得出光伏发电系统的装机潜力和由此产生的“碳减排”潜力。

  政策方面，“碳达峰”“碳减排”的任务慢慢的开始下放。根据最新政策《关于印发绿色建筑创建行动方案的通知》的要求,到 2022 年,城镇新建建筑中绿色建筑面积占比达到 70%。2022 年国家补贴政策全面退出,地方补贴接力成为分布式光伏市场重要的推动力量。根据制定的《2021 年推进工业质量发展加快工业强区建设若干意见操作细则》给出的意见,工商业光伏项目 0.4 元/W,最高补贴 50 万；BIPV 工商业光伏项目 0.8 元/W,最高补贴 100 万。截至目前,据不完全统计,全国共 39 个地方出台光伏补贴政策,补贴范围有户用及工商业。从补贴金额来看,初装补贴最高 1 元/W，度电补贴最高0.45 元/度,出台补贴最多的省份当属浙江、广东北京。北京有 4 个区有光伏补贴(表 2),其中,顺义区级按照市级补贴标准 1:1比例进行补贴,补贴期限为 5 年。

  标准体系方面.我国的光伏产业标准共规划了500 套目前已经现行 131 套。我国光伏建筑一体化标准还处于光伏标准和建筑标准初步融合阶段.专对于光伏建筑体化的评价标准、设计规范仍存在部分缺失,光伏材料与部件结构承受力、抗风、防火、防水等方面的标准规范尚未完善.制约了光伏建筑一体化的发展。

  投资者结合投资回报率考虑敷设的面积、装机价格、敷设方法以及发电量的大小等因素衡量是否装设光伏发电系统。若投资者选择光伏发电系统仍需要仔细考虑是否上网、如何申请以及如何拿补贴等流程。

  不同专业设计人需要结合本专业特点合理设计协同合作。建筑专业需考虑建筑外形、功能最佳倾角和发电量之间的平衡问题;结构专业需要考虑荷载的增加对结构安全性的影响:给排水专业需要考虑光伏板安装在屋面对于屋面排水等措施的影响等;暖通专业需要考虑通风装置,组件温度对太阳能光伏板的影响(图4),25℃时光伏组件效率达到最高。温度上升,开路电压降低,短路电流稍微增加.整体转换效率减低。

  对电气专业来说,适宜并网点的选择、是否选择设置储能装置是需要仔细考虑的技术难点,应该要依据装机容量结合政策分析。根据《分布式电源接入电网技术规定》( Q/GDW 1480-2015)分布式电源并网电压等级及装机容量参照表 3。

  储能装置具备削峰填谷、调频调压、电能质量治理等功能,因此“光伏+储能”的应用得到行业的广泛共识。

  考虑建筑的全生命周期碳排放总量中运行过程碳排放量占比高达 70%,因此光伏建筑一体化设计特别的重要,适宜的光伏建筑一体化设计需要结合建筑美学，同时满足建筑结构和保温、隔热、防水等功能要求。通过选择调整合适的安装角度、朝向、避免遮挡,利用通风、隔热等措施,采取了合理的串并联方式，使光伏发电系统和建筑匹配结合，助力节能减排。

  目前市面上常用的光伏板色彩的单一性使得建筑师将光伏板和建筑物结合时受到一定的瓶颈。产品生产商需要结合设计施工中涉及的产品问题及时来更新产品材料性能，与建筑规划设计匹配。建筑是定制化的产物,产品是规模化的产物,将两者适宜的结合需要未来产品化方向既可以做标准化,也能定制化。

  BIPV 并不意味着着一款产品,而是一款系统的解决方案。不同厂家生产出的系统配件参数不完全一样,亟需跨界、跨行业的集成商将不同参数的产品匹配结合.形成一套系统的解决方案。

  生产商和使用者均需要仔细考虑产品的回收周期:光伏电池使用寿命和建筑物使用年数的限制寿命的不匹配。建筑物的寿命一般为 50~100 年光伏板的使用周期一般为 25 年。组件回收涉及技术层面、经济层面以及政策层面，需要不一样的行业统筹规划协同发展。光伏建筑一体化设计中不同生命周期的建设者、使用者立场和需求不同,考虑的侧重点也不同,在当前政策指标已经下发的情况下，考虑安全性的同时,还应结合城市的美观度、常规使用的寿命以及绿色建筑等有关要求,不同部门沟通协调统一,光伏企业与有交付能力的建筑企业相结合，共同推广、开发、交付,发挥各自的优势,推动实现光伏建筑一体化行业的发展。

  未来国内光伏发电市场的发展更多取决于非化石能源。在电力体制改革持续深化的背景下,光伏发电应用也将涌现出市场化交易、资产增值、绿证交易、碳交易等诸多新兴模式。目前我国大力推动光伏建筑一体化产业,加强光伏生产企业的创新研发能力,相信在相继推出的光伏建筑一体化的政策法规、技术标准及扶持政策下,光伏建筑一体化产业将迎来快速地发展的黄金时代。

  [1]曹磊,袁天驰.“双碳”目标下光伏建筑一体化发展现状及前景分析[J].智能建筑电气技术,2022,16(04):42-45+54.