 化石能源的大面积使用让人类从农耕时代过渡到了工业时代，而如今的信息时代也需要源源不断的能源做支撑。但是化石能源带来的高碳排放以及高污染让全球气候在短短不到200年的时间发生了重大变化。北方的朋友有没有意识到，近两年我国北方的降水明显偏多，城市特大洪涝灾害变多。今年四月，印度的最高气温竟达到了惊人的55℃。环境气候问题给社会、企业及个人带来的风险在日益增大，在《巴黎协定》的倡议下，全球二氧化碳的排放量需要立刻遏制并达到在2050年碳排放量比1990年下降80%-95%的目标。  我国清华大学研究报告分析：到2050年我国非化石能源占一次能源消费比重应超过70%，非化石能源电力将占总发电量的约90%。由此可知，在我国能源战略目标不变的前提下，未来30年里太阳能光伏发电会迎来万亿级的市场规模。过去10年，从2010 年到2021 年中国光伏装机量复合增长率为63.7%，2021年中国新增光伏装机54.9GW，中国也成为了全球新增可再生电能源装机量最多的国家。在进行后续阅读前，还请先了解下图框架。  图1 光伏发电行业的整体架构 图1 光伏发电行业的整体架构 一、集中式光伏与分布式光伏 集中式光伏电站是国内光伏发电的最初应用形式。集中式光伏电站指利用荒漠地区的广阔空间和相对稳定的太阳能资源，集中建设的大型光伏电站，具有选址灵活、空间限制小、扩容相对容易，运行成本低、便于集中管理等优点，同时能够充分利用太阳辐射与用电负荷的正调峰特性，起到削峰的作用。但是集中式光伏在实际应用过程中存在缺陷，我国的经济重心在东南沿海地区，其用电需求远高于人烟稀少的西北地区。由于电网输配电能力远小于集中式光伏的电能生产能力，导致了严重的“弃光”现象。虽然近年来我国的特高压技术缓解了西电东送的问题，但是整体情况仍然不容乐观。 于是，为了缓解集中式电站的建设压力，国家大力提倡分布式光伏电站的解决方案。分布式光伏电站一般指装机规模较小、布置在用户附近的发电系统。它一般接入10千伏或更低电压等级的电网，具有输出功率相对较小、易推广、污染小、能够缓解局部地区的用电紧张等特点。近年随着分布式光伏的大力推广，集中式光伏装机量占比不断下降。从总量上看，2021 年国内集中式光伏装机量仍有199.1GW，占国内光伏总装机量的65.0%。但从增量上来看，2021年全年国内分布式光伏新增装机量29GW，占全年新增光伏装机总量的55%，第一次在增量上超过了集中式光伏装机量。下图为“十三五”规划以来，集中式光伏和分布式光伏累计装机情况。明显看出，未来分布式光伏会成为光伏发电的主导。  图2 集中式和分布式光伏累计装机量及增长情况 二、BAPV与BIPV 随着分布式光伏电站在城市中逐步发展，为了节省光伏设施用地，建筑与分布式光伏是完美的结合，于是城市建筑成为太阳能光伏的主要载体。中国能源局发布的《关于整县屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》指出：党政机关建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于50%；公共建筑屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于40%；工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%；农村居民屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于20%。这一政策进一步加速了分布式光伏在建筑上的应用。目前，光伏建筑主要有两种形式：BAPV(Building Attached Photovoltaic)，也称为“安装型”太阳能光伏建筑和BIPV（Building Integrated Photovoltaics），也称为建筑光伏一体化。  图3 BIPV（左）与BAPV（右）图示 BAPV主要形式是将光伏系统附着在建筑表层，主要应用于屋顶，通过支架将普通光伏组件固定在彩钢瓦或者水泥屋顶上。BIPV是将光伏发电装置融入建筑、合二为一，除屋顶外还可应用于幕墙/遮阳/温室等场景。下表为BAPV和BIPV在各方面的差异。  表1 BAPV与BIPV的区别 由表可知，BIPV从设计、材料、性能、施工、维护以及造价方面均要优于BAPV，按理说BAPV应该会被BIPV给完全替代。但实际数据显示，2019及2020年，全球BIPV新增装机量分别为1.15GW和2.3GW，仅占当年新增光伏装机量的0.95%和1.73%；其中中国2020年BIPV装机量709MW，仅占国内分布式光伏装机量的4.5%，占新增光伏装机总量的1.5%。BIPV在完胜BAPV后为何仅占了如此少的市场份额？其实这主要源于建筑光伏的应用场景。建筑光伏分为增量市场、存量市场，BAPV和BIPV侧重各不相同。 BAPV主要应用于存量改造：（1）容易审批，建筑改造需要经相关部门批准，不改变原有建筑结构可降低审批难度；（2）性价比高，既有屋面保养良好的情况下，经过简单处理即可加设光伏支架；（3）建设周期短，不需要拆除原有屋顶，减少施工时间；（4）减少对原有建筑的破坏，重建屋顶容易损坏部分老旧建筑结构，架设支架可以降低结构变化程度。 BIPV更适合新建建筑，主要有以下几点：（1）便于验收，新建建筑需满足建筑强制标准，一体化建筑结构便于验收；（2）投资较低，BIPV一次成型，无需后期改造；（3）施工精度高，新建大型建筑由设计院统一设计，对建筑结构要求明确，可降低后期事故隐患；（4）增大光伏装机容量，屋顶、立面均可设计采用BIPV，增加建筑节能效果；（5）设计一致性强，提升建筑美观程度。 因我国目前既有建筑面积约800亿平方米，2021年新建建筑面积仅为315万平方米，这增量和存量建筑巨大的差异造成了BAPV和BIPV市场规模的显著区别。但是在未来，BIPV的市场规模会随着新建建筑的大面积使用而不断扩大。 三、晶硅电池和薄膜电池 目前，BIPV光伏组件按表现形式可分为建材型组件和构件型组件，建材型组件包括光伏瓦，光伏透光顶、光伏玻璃幕墙等，构件型组件主要包含光伏遮阳板和光伏雨棚等。BIPV光伏组件按电池类别可分为两类：晶硅电池光伏组件和薄膜电池光伏组件，其中薄膜组件主要有非晶硅型、碲化镉（CdTe）型、铜铟镓硒（CIGS）型以及最新的钙钛矿型等，薄膜型组件的转换效率、单位面积功率等是目前科学界研究的热点。下表为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件的性能对比。  表2 晶硅光伏组件和薄膜光伏组件的性能对比 晶硅电池为主流，薄膜电池受制于电池量产效率与成本，当前体量目前尚小。但与传统晶硅太阳能相比，薄膜发电产品具有以下优点：（1）理论转换效率更高。薄膜电池（如CdTe）具有更高的理论光电转换效率，约30%；（2）温度系数低。薄膜电池比晶硅太阳能电池温度系数低一半左右，低温度系数即电池组件输出功率更不易受气温影响，因此薄膜电池更适合于高温、沙漠及潮湿地区等严苛应用环境。（3）弱光效应好。薄膜电池在清晨、傍晚、阴雨天等弱光环境下发电优于晶硅电池，比晶硅电池具有更长发电时间。 性能特点决定了晶硅和薄膜光伏组件的应用场景。晶硅组件目前拥有高转化效率、低成本、高单位面积功率等特点，因此屋面目前主要使用晶硅组件。而薄膜组件户外性能明显更优：（1）有建筑美学要求，晶硅组件颜色单一无法满足，薄膜组件色系可调整，可按客户要求更改适配设计；（2）对透光性有要求，相对晶硅组件，薄膜组件透光性可在0~70%范围内大幅度调整，避免因透光问题带来的额外照明消耗多余电力；（3）对组件工作温度有要求，晶硅组件温度系数高，在工作时会产生更多热量，热量传导到室内，会导致室内降温消耗额外的电力。因此薄膜组件更适合安装于建筑的立面。 四、市场规模 对于建筑光伏市场，需要分两个部分来进行分析：（1）存量市场，即既有建筑；（2）增量市场，即新建建筑。  图4 BAPV与BIPV的在建筑光伏市场的占有情况 在既有建筑中，考虑到建筑的立面通过改造安装光伏板会影响建筑的结构安全，所以既有建筑的市场一般只在建筑屋面处。不管是住宅还是工商业及公用既有建筑的屋面，如果选用BIPV组件进行改造，会增加拆除原始屋面结构的工序，不仅增加了建造成本，而且还会给建筑结构带来破坏，导致建筑物后续渗水等隐患。所以既有建筑基本上采用BAPV这种附加在建筑屋面的独立光伏组件，其光伏阵列可以按照光照入射的最佳角度安装，最大限度地获得发电量。 对于新建建筑，不管是住宅或是工商业及公用建筑的立面如果要安装光伏组件，BIPV因其自身的透光性、温度系数低、弱光性、密闭性以及轻质性等相比BAPV众多的优势绝对是最好的选择，不仅提高建筑运行时的节能性，还能保证建筑的美观性。关于新建建筑的屋面，我们需要将住宅与工商业及公用建筑分开来考虑。新建住宅建筑的屋面由于不需要透光，屋面的结构也不影响美观，开发商更愿意选用成本更低的BAPV作为屋面光伏组件的首选。而对于工商业及公用新建建筑的屋面，经济效益和安全性其选择光伏组件类型的主要因素。工商业客户相比住宅业主，更重视安装成本、发电效益、使用寿命以及维护条件，并且可再生电力一般不纳入能耗双控。投资方更关注投资回报与建筑产权，工业厂房屋顶资源丰富，建设面积较大、用电量多，且电价高、自发自用比例大，以上特性决定投资工商业建筑的屋面光伏组件更多的会去考虑使用回收期短、收益率有望更高的BIPV型组件。 根据既有和新增建筑用地面积、住宅和工商业建筑密度、改造比例、渗透率、STC（标准测试条件）功率预计未来5年国内BAPV和BIPV光伏装机量的情况，具体测算过程与结果见下图。  图5 2025年国内建筑光伏屋顶装机量  图6 2025年国内BIPV屋顶装机量  图7 2025年国内BIPV立面装机量 通过估算得出，2021年国内分布式光伏新增装机29GW，同比增长87%；其中户用光伏新增装机量21.5GW，同比增长112.9%，未来仍将维持较高增速。通过对国内现有存量建筑市场和未来增量建筑市场空间的测算，我们预计截止到2025年，国内建筑光伏屋顶装机量将达到237.42GW，其中BIPV屋顶累计装机28.66GW，BAPV屋顶累计装机209.76GW，分别占装机总量的12.07%和87.93%，2021~2025 年新增建筑光伏装机量的CAGR（年复合增长率）超过20%；建筑光伏立面以BIPV为主，预计累计装机量达10.63GW。 五、企业布局 BAPV市场和技术均已成熟化，随着存量市场不断缩小，BAPV的市占率会不断的下降，未来BIPV在新建建筑中的优势会迎来BIPV的爆发式增长。BIPV具备跨行业交叉特点，其本质属于建材，同时也是光伏对建筑的赋能，因此通常具有更复杂的技术规范，性能指标高于普通光伏系统，既要兼顾建筑材料的安全耐久、抗风抗震、防火防水和保温隔热等要求，也要考虑不同工程所采用的不同规格、设计和结构要求。 根据工程项目设计与施工的差异，BIPV是一种高定制化属性的产品。在BIPV制造环节中，光伏企业由于缺乏建筑设计与施工的知识和经验，不能深入挖掘建设单位的想法和意图，导致互相沟通不当、工程效率低下、技术不规范等问题。而在BIPV施工环节，建设单位缺乏光伏技术储备，可能会出现BIPV错误安装，影响发电效率以及建筑安全。因此，具备产品研发、设计能力的上游光伏厂商和具备产品安装、施工、运维经验的中游系统集成厂商，合作共赢，共同探索推动BIPV市场快速发展。下表为近期部分光伏企业与建筑建材企业的合作情况汇总。 表3 光伏企业与建筑建材企业的合作情况 从表中可以看出，建筑钢结构与金属围护结构、建筑防水材料以及光伏组件的龙头企业均在近期跨入了建筑光伏一体化产品与服务的行列，市场竞争异常激烈。精工钢构、东南网架等建筑企业利用自身在钢结构与金属围护结构的经验与技术与光伏龙头厂商合作，拓宽自身的业务范围和市场规模，这中强强联合的合作模式能够促进BIPV技术与市场的快速发展。另外值得注意的是，防水材料龙头东方雨虹、凯伦股份、科顺股份等加速进入光伏建筑领域。防水龙头不仅精于主业，同时常年与地产企业、工商业户主、建筑施工方以及设计院保持长期合作关系，下游客户资源同样丰富。 近年来由于晶硅电池的转换效率高于薄膜电池，以及晶硅电池市占率高的规模效应带来的成本优势不断地压缩着薄膜电池市场份额，薄膜电池的全球市占率由2010年的约14%下降到约4%。CdTe是薄膜电池主流技术。2020年全球薄膜太阳能电池产能约10GW，产量约6.48GW，其中CdTe电池产量约6.2GW，占比为95.7%，CIGS 电池产量占比仅为4.2%。 图8 薄膜电池市场份额趋势 但是随着绿色建筑政策指引、薄膜电池技术发展、市场供需选择以及经济效益考量，从2022年开始，薄膜电池的市场规模会逐步回升。薄膜电池市占率的增长主要源于建筑立面要与光伏融合必将首选薄膜型BIPV。主要有以下几点优势： （1）弱光性保证建筑更长的发电时间。建筑屋面能够容易调整光伏板的倾斜角度，使光伏转换效率达到最大化。而建筑立面基本为不可改变的垂直结构，固定的倾斜角度影响发电效率，但薄膜电池更优异的弱光性能够使电池在弱光环境下发电时间长于晶硅电池。 （2）色彩多样性保证建筑更美的外观特征。晶硅电池制绒环节中，硅片表面腐蚀量差异将导致电池片发生色差，此外，晶硅电池片颜色决定组件主要为蓝色系，色彩较单调；而薄膜电池具备颜色可调整优势，目前薄膜电池生产BIPV 组件几乎涵盖所有常见色系，符合BIPV 建筑立面对色彩的多样化需求。 （3）透光性保证建筑更好的采光效果。建筑的采光情况不仅影响着建筑的节能效果，还决定了使用者的居住体验感。尤其是写字楼或者商业广场需要安装透光的建筑幕墙，此时薄膜型BIPV的透光性相较不透光的晶硅型BIPV具有充分的优势。 （4）轻质性保证建筑更低的建造难度和成本。建筑自重越大，支撑结构要求越高，则建筑支撑结构的建造难度与成本也越高。薄膜电池因自身工艺原因重量轻于晶硅电池，使用薄膜BIPV组件时施工难度和成本都会下降。此外，在建筑幕墙领域，薄膜BIPV组件对钢支撑结构的要求和成本明显低于晶硅组件。 而对于薄膜电池的生产厂家，国内企业数量偏少。美国First Solar在CdTe太阳能薄膜电池产能规模上有明显优势，产能达到6300MW，国内实现量产的包括成都中建材、杭州龙焱和中山瑞科3家，成都中建材目前在产产能100MW。CIGS太阳能薄膜电池，日本的Solar Frontier拥有全球最大的产能，国内实现量产的包括汉能、中建材等，其中，中建材凯盛科技在产产能300MW，中建材Avancis在产产能200MW。 表4 2020 年全球主要薄膜电池厂商产能 六、总结 一个产业的兴起需要具备以下几点要素：（1）政策倾斜度、（2）原料丰富度、（3）技术成熟度、（4）市场广泛度、（5）成本控制度。目前，建筑光伏一体化则正处在“五度”融合的时间点上，再加上相关龙头企业纷纷入局，目前的蓝海市场势必会在未来一段时间杀成一片血色的红海。 在市场不断拓展的过程中，有着几点希冀：（1）技术层面：薄膜电池能有更大的技术突破，提高太阳能转换效率、降低温度系数和提高弱光性；（2）投融资层面：金融机构推出创新的建筑光伏金融产品，并完善现有金融产品，帮助企业和个人切实得到建筑光伏转型的好处，防止“光伏贷”等乱象再次发生；（3）企业行动层面：大型企业应该优先站出来响应国家政策，自身的工商业建筑应该加大建筑光伏一体化的比例，为企业自身的碳中和目标打下坚实的基础，也为社会、环境以及公司治理（ESG）做出应有的贡献。 |
|
|
