关于 BIPV/BAPV在低能耗建筑表皮的应用潜力综述

赵帅北京建筑节能研究发展中心2022-03-05 17:00

收录于话题#光伏能源1个

本文转自《城镇建设》2021年第26期

摘要

光伏能源是一种很有发展前景的清洁能源，有助于推动可持续城市的发展和减缓全球变暖。在传统建造中，一般光伏构件只考虑附着于建筑物上，作为"安装型"太阳能光伏系统，与原有建筑功能互不干扰，各自为政进行运作。然而，随着技术的发展，光伏构件类型日益丰富，可以取代传统围护结构材料，兼具美观与功能性，与建筑一体化相结合，可以安装于不同的建筑表皮，如幕墙、窗户和阳台等。目前，第一代和第二代光伏技术已经广泛应用于墙、屋顶和窗户，而第三代光伏技术正在进行严格地探索，以找到其潜在的适用性。为减轻集成光伏的温度升高问题，可以采用主动和被动降温，而被动降温技术对建筑物本身的降温有重要影响。此外积雪、灰尘和附近建筑物的遮挡可能是BIPV/BAPV应用的效率降低的原因所在。

关键词

BIPV；BAPV；温度；能耗；灰尘；雪；阴影；主动式；被动式

1.引言

1.1光伏建筑的必要性

由于城市化和人口的快速增长，预计2035年世界能源消费量将比1990年增长50%，这将对建筑能耗产生影响。目前，由于制热、制冷和人工照明等负荷，全球建筑耗能占化石燃料能耗的40%。此外，发电过程中排放的污染气体也对环境造成很大的影响。纽约、旧金山、东京、香港等特大城市建筑业的能源消耗和温室气体排放甚至远高于其交通部门。国际目标是将所有高耗能建筑转变为零能耗或净零能耗建筑，采用绿色能源替代化石燃料。在欧洲，为了实现这一目标，在2020年底新建建筑按照零耗能标准修建。在英国，政府制定到2050年国家排放量减少80%的目标。在亚洲，日本规定到2020年所有新建公共建筑和2030年所有新建住宅建筑应为零能耗。在美国，到2020年新建住宅应为零能耗，到2030年新建商业建筑应为零能耗。为实现这一目标，应通过使用节能建筑围护结构来减少建筑的一次能源使用。

光伏技术是通过利用丰富的、取之不尽、清洁的太阳能发电产生良性能源的技术。至2018年底，全球光伏容量超过500GW。全球光伏技术市场预计将以1.7%的年复合增长率增长，从2019年的421亿美元增长到2024年的467亿美元。在欧洲，到2020年通过安装1500 GWp的光伏发电厂生产1400 TWh的电能，可满足40%的电力需求，该发电厂需要22000 km2的底层建筑面积、40%的现有建筑屋顶和15%的建筑立面。在建筑物中使用光伏装置取代建筑物的实际恒载（即墙壁、混凝土屋顶等），消除化石燃料消耗，产生建筑能源，进而提供无污染环境。此外，通过替换不透明的建筑立面来引入采光，从而为办公楼节省50–80%的人工照明、11%的冷负荷和13%的电力消耗。在玻璃、钢和其他普通覆层材料上添加光伏，只会增加2-5%的额外成本。现在通过建筑集成（BI）或建筑附着（BA）光伏技术，可以将光伏纳入建筑中。

1.2光伏建筑概述

光伏建筑一体化（BIPV）是将光伏集成在建筑上，建筑集成光伏是作为建筑的一个组成部分，用光伏替代传统的建筑材料或外壳，如屋顶、窗户、中庭和遮阳构件等部位，同时生产电力Error: Reference source not found。玻璃型半透明型BIPV结构具有更广泛的应用潜力，因为它能够将自然采光引入建筑室内空间，控制太阳能增益，并提供从室内到室外的视野。同时半透明型BIPV也有希望应用于大型玻璃幕墙建筑。

BIPV现场生产清洁能源，减少了输配电损耗，由于缺少活动部件，因此在运行过程中不会出现危险。BIPV可以维持白天的照明，控制热传导和发电。其性能主要取决于当地的气象条件、倾斜角度和材料类型。为了从BIPV系统获得电力，需要一个转换器将直流电（DC）转换为交流电（AC），用于建筑和电网。BIPV系统的主要组成部分是由光伏电池制成的光伏器件。BIPV系统其他必要组件为平衡系统（BOS），包括逆变器、存储设备（电池）、控制开关、电线和支撑结构。

由于光伏的发展，目前一些研究学者已进行了广泛的研究。Tripathy等人回顾并提出建筑围护结构产品的最新技术及其性能以及国际标准和试验条件，这表明屋顶集成BIPV对于不间断吸收太阳辐射是有利的。在考虑生命周期的情况下，与其他光伏技术相比，单晶光伏产生的温室气体要高得多。Biyik等人从发电量、额定功率、效率、类型和性能评估方法等方面对BIPV及其应用的热调节进行了调查。另一项BIPV和BIPVT调查表明，BIPVT系统是未来能源消耗较少的建筑应用。Seretta等人对城市地区建筑能源需求和BIPV改造率的进行了文献综述，并预测这两个学科可以融合在一起，多功能BIPV元件可以提高建筑的能源性能，并在城市环境中利用太阳辐射发电。

本文综述了BIPV的发展史、优点、面临的问题与挑战，以及解决这些问题的方法和潜在的未来应用等方面。

2.光伏技术的发展

光伏技术至今已发展了三代，其中第一代和第二代已经用于BIPV，BAPV应用，第三代正在探索其集成应用方面的潜能。

2.1第一代晶体硅光伏电池（单晶硅和多晶硅太阳能电池）

晶体硅（c-Si）光伏电池由硅片制成，可分为单晶硅/单晶硅（m-Si）和多晶/多晶硅（p-Si）。c-Si光伏技术成熟、无毒、丰富且具有长期性能。

2.2第二代薄膜技术（非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池）

碲化镉（CdTe）、硫化铜铟硒化镓（Cu（In，Ga）Se2，CIGS）和非晶硅（a-Si）是第二代光伏技术，与晶体硅太阳能电池相比，具有较低的制造成本和较低的温度系数。然而，与晶体硅光伏电池相比，太阳能-电转换效率较低，长期户外暴露后性能下降是使用该技术的重大障碍。辐照度、光谱、入射角、环境温度和风速对薄膜技术性能的影响也与c-Si技术类似；但是，与c-Si技术相比，温度依赖性较弱。这些技术比单晶或多晶吸收太阳光谱的效率更高，仅使用1–10μm的活性材料。

2.3第三代新概念电池

太阳能生产能量效率接近卡诺极限或达到95%。然而，由于肖克利奎伊瑟极限（S-Q极限）的制约，第一代和第二代太阳能电池理论转换率仅为31%。单p-n节电池的剩余能量会以热的形式流失。第三代太阳能电池不受这种S-Q极限。第三代太阳能电池是通过高效转换效率产生低成本电力。其主要类型有模仿光合作用原理的染料敏化太阳能电池、利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的钙钛矿太阳能电池、以有机半导体作为实现光电转换的活性材料的有机光伏电池等。

光伏电池对比分析如下（表1）：

3.光伏建筑的挑战

3.1高温下光伏性能退化

光伏电池将入射光的某一波长转化为电能，而其余的则作为热量散失。只有15-20%入射的太阳能转化为电能，其余均转化为热量，从而导致光伏板发热。c-Si、a-Si、CdTe、CIGS 光伏性能在温度升高时功率呈线性下降。c-Si的功耗最大，a-Si的功耗最小。随着温度的升高，c-Si、a-Si、CdTe和CIGS光伏的反向饱和电流增大，开路电压分减小，进而降低填充因子，因此光伏电池实际运行效率低于其标准试验条件（STC）值，且光伏电池上的长期热应力也会损坏光伏组件。

温度对第三代光伏电池的影响与第一代或第二代光伏电池不同。在实际运行条件下，钙钛矿太阳能电池的温度很容易达到45°C。钙钛矿太阳能电池在−5°C下的转换效率比在22°C下低5%。在80°C下开路电压和短路电流显著降低，降低36.0±5.5%[4]。表2列出了不同光伏器件的温度系数。

表2 不同光伏技术的温度系数

3.2光伏建筑的主被动热调节

光伏系统的散热可以通过主动或被动的散热的方法来提高光伏性能。被动式系统依赖于对流、传导和辐射，而主动式系统利用泵或风机维持空气或水在光伏板前部或后部流动，以达到冷却目的，如图一所示。因此，纳入热调节的光伏系统可同时产生电能和热能，与类似的非热调节光伏系统相比，年均提高15-30%的能量输出。由于硅光伏效率的不利影响，与有机或薄膜技术相比，晶体硅光伏电池的温度调节是最经济的。

光伏和建筑立面元件之间的间隙应在10至15 cm之间，通过自然通风，从而降低光伏设备的温度并提高电力输出的产能。光伏和建筑表皮之间的间隙不会产生热桥，热传导会使多余的太阳热能进入建筑空间，并降低光伏效率。无需维护、初始成本低、无噪音、无耗电、集成更简单是被动式热调节（自然通风）的优势。然而，由于低导热系数、低密度、低体积热容和低空气质量流量，自然通风对光伏性能的影响有限。由于风速对该系统有影响，较高的风速可以显著降低光伏温度，而较低的风速会限制热量的损失。

（a）PV/水、PV/水+玻璃、PV/空气和PV/空气+玻璃实验模型的截面图

（b）BIPV–PCM系统能量流示意图

使用主动强制气流循环调节光伏温度需要一个辅助泵，产生的热空气可用于建筑采暖需求、农业/草药干燥、增加通风以及发电。在光伏板后面使用风管/集热器可以散热，增加均匀气流速率、集热器直径和集热器长度可提高光伏系统的热效率和电效率。

在光伏装置顶部或后部使用水流可以保持光伏装置的STC温度，并且水比空气具有更高的热容。这些水可用于建筑热水供应。与强制循环系统相比，自然循环水PVT系统更经济。采用水和空气降温均可以满足建筑的季节性能源需求，空气模式将在冬季提供热空气，以减少空调热负荷，水可以全年使用。

此外，还有采用纳米级流体与相变材料来调节光伏温度。纳米颗粒的质量分数对复合光伏热系统的热性能影响显著，对电性能影响较小。相变材料与空气和水循环相比，传热率更高，但成本较高、有毒、消防安全问题、强腐蚀性、生命周期结束后的处置问题。

BIPV/BAPV系统的主要热调节工作是基于第一代晶体硅太阳能电池，第二代、第三代使用较少。利用第三代光伏技术大规模开发BIPV/BAPV是限制热调节工作探索的最大挑战。此外，第三代光伏的热性能知识还没有很好得建立。

3.3 阴影遮挡对光伏建筑的影响

根据当地气候的不同，BIPV和BAPV都会受到灰尘、雪和周边或树木遮蔽的影响Error: Reference source not found。沉积的粉尘粒径在1到50μm之间变化，这会对光伏产生屏蔽效应，从而降低通过光伏表面玻璃的太阳透射，进而降低功率输出。太阳能转换效率也随灰尘沉积密度、风速和湿度、颗粒直径和光伏倾角而变化。中东和北非是世界上灰尘积聚最严重的地区，即使在英国世界上最清洁的地区，连续暴露一个月后，灰尘也会使太阳能转换效率降低5–6%。在一定的曝光时间内，光伏板倾斜角度的增加会降低粉尘沉积密度。对于恒定倾角，粉尘沉积密度随暴露天数的增加而增加。在另一项研究表明，每积累1g/m³的灰尘，光伏组件的效率就会下降33%。强降雨会降低土壤污染，2014年旱季和雨季开始时，印度尼西亚Politeknik Elektronika Negeri大楼（经度112.533°，纬度7.2361°）三楼的外露光伏显示，光伏组件输出功率减少了2.05%，而被短暂降水清洁后的光伏组件，其输出功率增加到87.29%[5]。以此可见光伏上累积的灰尘会增加电力成本。

光伏组件顶部积雪会降低发电量，因为入射太阳辐射在光伏上的传输率较低Error：Reference source not found。当积雪较轻且易于融化时，发电损失较小；而当积雪较大且不会迅速融化或脱落时，对光伏发电影响较大。这是因为雪在可见光范围内是高度散射的光学介质，即使是薄薄的一层雪也是明亮的白色，在可见光波长下反射整个太阳光谱，并且几乎不透射。2厘米厚的小雪可以减少90%的可见光传输，而10厘米厚的雪层可以减少95%的可见光传输和99%的红外传输。积雪覆盖的光伏板的年产量损失与累积的雪量成正比，并与面板倾斜角度的平方余弦成正比。入射太阳辐射与晶体硅电池效率之间存在对数相关性，而非晶硅和砷化镓电池的效率受这种弱辐照度的影响较小。然而，冰雪覆盖的地面会增强太阳辐射的反射，这反过来又增加了入射到光伏上的总太阳辐射，从而在倾角最佳时反而会提高光伏板的产电量。在瑞士多雪地区，降雪可使电产量增加10%。

树木、高楼大厦、和掠过的云层是BIPV和BAPV系统上最常见的阴影遮挡。平行排列的倾斜的光伏板由于自身遮光性也限制了太阳辐射。Das等人将阴影分为静态和动态以及软硬两种。缓慢变化的太阳角度是静态阴影，而快速变化的云是动态阴影。飞鸟或附近树木造成的阴影是软阴影，而光伏组件被完全遮挡则是硬阴影。

通过自然降水、风力或重力、机械、机电、静电和自清洁方法清除BIPV/BAPV模块表面的灰尘。但降雨具有季节不稳定性。刷洗、吹扫、振动和超声波驱动是光伏除尘的机械方法。刷洗对于粒径小、粘附性强的粉尘，这种方法不是很有效。吹扫需要使用来自鼓风机的风，这需要额外能量来操作。机电方法包括震动或振动光伏组件阵列，并使用亚音速或超声波打破尘埃粒子。美国宇航局（NASA）提出了静电方法来减轻灰尘对月球太阳能电池板的负面影响。当单相或多相交流电源在表面产生电磁场时，附着的平行或螺旋形透明抗紫外线辐射塑料板会排斥灰尘颗粒。

自清洁方法可分为疏水性和光催化亲水性。超疏水和疏水适用于冬季雪堆积的情况，超亲水和亲水适用于清洁灰尘覆盖的BIPV/BAPV。超疏水涂层可以提高c-Si光伏组件10%的最大功率。添加TiO2和KH550超亲水涂层PV最大可提高4.3%的效率。通过使用憎冰表面涂层可进一步改善积雪问题。表3总结了不同清洁方法的优缺点。

表3 不同清洁方法的优缺点

3.4 规模化与标准化

三代光伏技术发展均有其自身的问题。第一代晶体硅光伏组件占有市场份额达90%以上。第一代商用光伏电池板消耗银量为每单元100毫克。减少硅光伏电池后触点的银使用，部分使用铝替代，这已经是标准做法，但还不适用于正面部分。因此，减少用于接触的银需求是确保光伏发电持续发展的重要举措。

CdTe光伏技术的大规模应用需要两个关键元素，分别是锌和铜的副产品镉和碲。在23种半导体材料未来提取成本统计中，CdTe是第五贵的半导体材料。可用碲储量可支持2020年1438 GWp、2050年19149 GWp和2075年20211 GWp的CdTe太阳能发电。

第三代光伏电池由于其调节透明性的能力而在BIPV应用中特别受到关注。然而，目前它们面临着大规模制造的问题，主要是材料在环境暴露下的降解和效率的下降的问题。

目前没有光伏建筑的标准、规范或指南。将BIPV系统集成到建筑物中需要大量电缆连接，这些电缆连接可能穿过屋顶。因此，布线和连接、固定件故障、孤岛现象等安装问题可能会在光伏集成到建筑的过程中产生问题。因此，在制定规范的同时，应综合考虑火灾、电力短路、电线故障等安全问题。此外，还应考虑噪声防护的问题。由于雪、冰、风对BIPV造成的额外荷载，可能会导致BIPV系统弯曲，产生维修或更换设备等问题。因此，规范化与标准化至关重要，它可以解决建筑结构和BIPV集成中的一系列问题。

4.光伏建筑的未来应用-BIM嵌入式BIPV/BAPV

为了获得能量利用有效且耗能少的建筑，我们需要优化现有的建筑设计，包括建造和运营。对于新建筑物，可以在建造这栋建筑之前（在设计阶段）就考虑这些问题；而对于那些需要改造的建筑物，则需要考虑建筑物的历史数据来达到此目的。因此，建筑能源建模正变得越来越重要，通过建模我们不仅可以比较不同的建筑组件，而且可以根据能源标准要求，在特定位置设置有效且合适的组件。因而，将建筑能源建模结合光伏（尤其是BIPV / BAPV）是分析自给自足型建筑（包括低能需/低能耗/零能耗/环境自适应建筑）的普遍做法。

研究人员需要具备建筑设计和工程知识才能更好的将光伏集成到建筑物中，通常建筑师和工程师需要通过软件工具来对建筑设计和分析。建筑信息模型平台（BIM）通过解决多阶段复杂的建筑场景，使得建筑师、工程师以及施工人员都可以从中受益。BIM包含参数可计算数据，例如建筑几何描述，建筑类型和热属性，这些数据对于建筑项目是必需的，并且BIM特别适用于那些需要快速设计，规划和决策，成本估算的建筑项目。为建筑生命周期建立数据库。通常需要使用AutoCAD，MyArchiCAD，Auto Desk Revit和Sketchup这些建筑工具用于光伏系统的设计。但是，对于建筑能源模型（BEM），操作人员则需要使用完整的软件包，因为该绘图软件只能提供3d建筑几何形状，而PV设计系统将为建筑物围护结构的特定位置和属性提供PV参数，例如建筑的窗户、屋顶、墙壁和门。当前的建筑节能软件包括DOE-2，eQuest，DesignBuilder，Ecotect，Energy-10，Green Building Studio，IESVE，HEED和EnergyPlusError: Reference source not found。EnergyPlus的图形用户界面（GUI）包含以下这些组件：AECOsim, CYPE-Building Services, DesignBuilder, Demand Response Quick Assessment Tool, Easy EnergyPlus, EFEN, Hevacomp, OpenStudio, Simergy, and SMART ENERGY。OpenStudio使用SketchUp插件来创建建筑物几何编辑器；OpenStudio应用程序作为主要的能源建模界面 RunManager和ResultsViewer作为模拟界面。基于BIM的建筑能源模型（BEM）是用于减少能源消耗的建筑模拟的潜在工具。BIM中存储的信息数据需要从BIM到BEM的无缝转换。但是并非总是需要将BIM信息转换为BEM，或者所有必需的参数不必全来自于BIM。例如，建筑模型中的房间并不总是指示能源模拟模型中的区域，并且边界条件或热区信息均未存储在BIM中。

BAIM的BIM-BEM输入参数不同于BIPV。对于BAPV，所需的输入参数包括建筑位置，PV规格（效率，额定功率），倾斜角和逆变器详细信息。对于BIPV，除了前面提到的参数，还需要提供PV的透射率，日光透射率，太阳热增益因子或太阳能的透射率，热传递率或总传热系数。EnergyPlus（建筑能耗模拟工具）需要输入以下参数：光伏组件面积，效率，开路电压，短路电流，最大功率点的电压，最大功率点的电流，功率温度系数，导热系数，红外发射率，U值，太阳热增益系数和可见光透射率，BIPV导致的室内日照度。用于优化BIPV倾斜角度的BIM和Autodesk Revit中的BIM API程序以前曾被用来模拟光伏发电。

5.讨论与展望

5.1 BIPV/BAPV的环境、经济和社会效益

BIPV/BAPV的环境效益分析是光伏原材料、光伏系统制造、运行和维护等过程中必不可少的研究，要从光伏系统的生命周期分析（LCA）去分析其环境效益。分析表明，每生产1kWh的电量，光伏发电仅排放二氧化碳35g，而煤炭排放1138.8g。这些数据清楚地表明了光伏对环境的积极影响。此外，光伏系统的能量回收期（EPBT）表明光伏在其使用生命周期内可达电力平衡或净零增益。在香港屋顶BAPV系统的回收期为7.3年，但其方位角和倾斜角变化较大。当光伏朝向南方并保持最佳角度时，温室投资回收期仅为5.2年。而台湾回收期则需要10年时间，这意味着在低能耗建筑集成光伏在10年内实现能量回收是可能的。

使用光伏建筑系统以降低建筑成本也是目前广受关注的话题之一。据报道，BIPV建筑围护结构的造价明显高于传统建筑围护结构的造价。与传统瓷砖相比，BIPV瓷砖可增加2%的成本（Hammond等人，2012），BIPV窗户每平方米可增加350-500美元，而在商业建筑中，BIPV可增加总建筑成本的2-5%。BIPV/BAPV系统的其他费用主要来自BOS、运输和安装。大多数情况下，BOS仅占整个项目成本的10–16%，其中逆变器和存储系统是安装和运行期间的主要成本。然而，对于光伏建筑其成本应包含两方面，一是建筑围护结构成本，二是发电产生的额外效益。BIPV/BAPV通过产生绿色电能，降低供热、制冷、照明负荷，降低用电量，满足建筑能源需求，并将多余的电能输出到电网。因此，BIPV/BAPV比传统的建筑成本具有更高的成本效益。

光伏建筑一体化具有很深的社会影响以及广泛的社会效益。众所周知，国家的经济增长依赖城市化进程，而城市化的快速发展将增大电力负荷，很多国家及地区主要依赖进口化石燃料能源发电。因此，要保持经济快速增长与城市化进程，成为一个能源安全的国家，推行BIPV至关重要。传统燃煤发电厂会排放颗粒物（PM），以及SO2和NOx、CO2和CO等有害气体，带来温室效应，影响人的呼吸系统。因此，用BIPV替代燃煤电厂，既有利于国家发展，又能在不污染环境的前提下促进能源经济的增长。此外，输电和配电损耗的减少为能源供应商提供了降低电价的机会。

5.2 BIPV/BAPV的局限性及进展

BIPV技术的最终用户仍然对BIPV/BAPV系统在整个建筑生命周期内的投资、安装成本、维修和维护成本一无所知。或者仅知道系统成本，但不了解长期效益。因此，应该有一个明确的成本效益分析，以便对用户有所帮助。虽然自1980年以来，光伏组件的价格下降了10倍，但能源回收时间的具体数据并不多见。此外，投资回收期长、前期资金成本高、BIPV效率低可能会导致高电价。光伏电池效率低也是广泛使用BIPV/BAPV的另一个障碍。低效率降低了功率转换，从而增加了资本成本并延迟了光伏系统的能量回收期。因此，为了推广BIPV技术，应该实施对光伏的激励政策。目前，许多国家均已出台了激励计划，1995年德国启动了”千人太阳能屋顶计划“，2010年美国启动了“万千太阳能屋顶计划“，中国启动了“促进建筑太阳能应用的实施建议”，以推广BIPV/BAPV技术。此外，英、美、亚洲和欧盟在内的许多国家实行的零碳计划，使BIPV在建筑领域的普及率不断上升，预计2023年BIPV市场平均年增长率将达到1120亿美元。

6.结论

光伏系统依据其集成度和用途可划分为BIPV和BAPV，本文回顾了建筑物中光伏系统的可用性和未来潜力。由于半透明光伏材料具有多种功能属性，例如可替换性、绝缘性、可日光直射以及发电等，在建筑墙体、屋顶、窗户等部位结合光伏板的研究广受重视。然而BIPV /BAPV都易受到温度，积尘和积雪的影响。通过使用主动或被动热调节，可以将光伏板使用过程产生的高温影响降至最低，而灰尘等造成的遮蔽作用则需要一定的清洁机制来处理。光伏技术集成于建筑物，形成自给自足型零能耗建筑是未来发展的趋势，通过BIM信息平台整合资源，对建筑形态、结构、成本以及整个生命周期能耗进行分析模拟，形成更为经济、美观、合理的建筑方案。同时鉴于光伏建筑良好的社会、经济、环境效益与人们认知的局限性，要推动相关标准的规范化，形成良性循环激励机制，从而促进光伏建筑的广泛推广与使用。