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BIPV如何开启光伏应用之路?

BIPV如何开启光伏应用之路?

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  • 发布时间:2020-08-14
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[概述]

BIPV如何开启光伏应用之路?

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一、光伏应用回顾

自1958年起,太阳能光伏效应以太阳能电池的形式在空间卫星的供能领域首次得到应用。时至今日,小至计算器、庭院灯、灭蚊器、自动停车计费器的供能、屋顶太阳能系统,大至面积广阔的地面百万千瓦级大型的太阳能电站,其在发电领域的应用已经遍及全球。有别于风能、水能等其他可再生能源需要资源的匹配,光伏发电不受地域限制,有光的地方就能发电。因此,光伏发电可以应用于世界各地。

近年来,全球一体化的趋势明显,习近平总书记提倡人类命运共同体的理念深入人心,进一步促进了全球经济的共同发展和共同进步。随着人们生活水平的提高,对于能源的需求急剧上升,尤其是可再生能源的需求。人类只有一个地球,保护我们共同的家园成为未来人类的首要任务。解决环境污染与能源需求的增加已经成为主要的矛盾。可再生能源尤其是光伏发电是化解矛盾的有效手段之一。

随着我国光伏产业的发展,新技术不断应用和产业的规模化提升,对于全球的贡献有目共睹。短短的10年间,光伏的应用成本已经下降了80%以上,而光伏发电最重要的部分太阳电池的成本已经下降了90%以上。世界上很多国家的平准化度电成本已经接近或低于火力发电的成本,无需特别补贴就可以推广应用。

二、光伏发电的瓶颈

然而光伏发电也有其天然的问题,一是能量密度低,二是需要与动植物分享阳光。由于能量密度低,就需要占用大量的土地资源。而人类生存最基本的粮食生产也需要阳光和土地。这就为光伏发电的选址带来了问题。全球人口的数量也在不断地增加。随着人们生活品质的提高,人均占有的空间也在上升,而地球的面积却不会变化。土地越来越成为稀缺的资源,这也成为制约光伏发电的一个重要的因素。

现代的人类生活,逐渐向城市聚集,向大城市特大城市移动。便利的交通,工作机会的增加,优越的医疗条件,完善的教育,各种各样的娱乐设施,使人们更加向往大城市。更多的人涌向了大城市,又提供了更多的工作机会,马太效应进一步显现。这使能源的需求和供给进一步前移。呼唤更多的可再生能源来解决目前的困境。

有没有一种不受地域限制,不占用空间和土地资源,解决应用端前移的可再生能源?

有!这就是光伏建筑一体化BIPV(Building integrated photovoltaic )。

三、BIPV将开启一个持续长久的应用时代

BIPV具有独特的优势

1、 BIPV不占用土地

利用建筑物屋顶、墙面等围护系统,既充分利用光照资源,还不增加土地的占有。相比地面电站1GW占有的土地资源高达30000亩。BIPV光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上,无需额外占用土地,这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要。

2、无可替代的巨大的BIPV资源

城市的发展需要更多的土地、更大的空间来建设更多的建筑,为不断涌入的新城市人提供住宿、工作、生活、娱乐的条件,这是不可阻挡的刚性需求,因此建筑是不可替代的。而BIPV正是依托建筑存在的,这将是BIPV持续发展不可替代的资源。

(1)、建筑存量

全球建筑数量众多,在光伏发电应用之前,屋面和屋顶基本都采用传统的水泥、金属建材,除个别建筑绿化以外,绝大多数的建筑屋面和墙面就是结构性的功能,遮风挡雨保温,没有其他用途。建筑存量数量巨大。以我国为例,截止到2015年我国房屋建筑面积约510亿平方米。其中工业厂房面积85亿平米。(2017年2月13日中国智能建筑协会:“房屋建筑中第二大细分行业——工业建筑市场有多大?”)

仅以工业建筑为例来测算,工业厂房的屋顶可利用率达到50%以上。也就是说,存量市场有40亿平米以上。用来建设BIPV光伏发电系统,装机容量可达到500GW。

(2)、建筑增量

2015年-2019年我国新增建筑面积约160亿平米,其中工业厂房约20亿平米(2020年3月25日中国建筑协会:2019年建筑业发展统计报告)。每年的建筑面积新增约40亿平米,其中住宅占67%,每年新增26.8亿平米,工业厂房占12.2%,每年新增约4.89亿平米。商业地产占7.11%,每年新增2.8亿平米。

建筑的屋顶、立面围护系统均可以利用来建设BIPV系统,仅新增工业建筑的屋顶部分,如果50%用来采用BIPV产品安装光伏发电系统,每年新增部分的屋面装机量将达到30GWp以上。

大量的商业建筑、住宅顶面及外立面,如果采用可以发电的BIPV产品,其市场的规模还要成倍增长。建筑市场每年的新增容量持续不断,BIPV也将会持续不断地应用。

3、 BIPV可以多种形式存在

光伏幕墙、光伏阳光房、光伏车棚、光伏采光顶、光伏装饰墙等,都是BIPV的应用场景。

建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃,目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材,即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户,这样既可用做建材也可用以发电,可谓物尽其用。对于框架结构的建筑物可把其整个围护结构做成光伏阵列,选择适当光伏组件,既可吸收太阳直射光,也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块,可以实现以上目的,使建筑外观更具魅力,也可满足建筑师独特的设计意图。

4、BIPV可以实现按照建材的形式加工、生产、安装,极大地提高施工效率。建材的加工,基本上可以在工厂完成。而随着装配式建筑的兴起,更多的BIPV将会是装配式建筑的一部分。

5、BIPV是一次设计,最大限度的保证建筑整体效果;一次性施工,可以节省施工成本,避免建筑完工后二次施工导致的建筑无法投入使用引起的空置成本。

6、就近发电就近消纳,无需大规模的建设输变线路,减少了线路损耗,提高了发电效率。建筑物本身需要消耗能源,夏天是用电高峰的季节,也正好是日照量最大、光伏系统发电量较高的时段,对电网可以起到调峰作用。

7、BIPV还可以起到建筑节能作用。光伏阵列吸收太阳能转化为电能,大大降低了室外综合温度,减少了墙体的热和室内空调冷负荷,所以也可以起到建筑节能作用。因此,发展太阳能光伏建筑一体化,可以“节能减排”。

由于在建筑物上集成了光伏发电,作为建筑的一部分,它实现了不占用土地、绿色、解决了用户侧前移的问题,无需建设输变线路,充分利用了光照资源,这将会是光伏应用的蓝海。近年来国内的桑尼、有科、中信博、上迈等公司也从不同的技术方案上对BIPV做出了研究和应用。全球最大的单晶巨头隆基、电动车巨头特斯拉也加入到BIPV的开发和应用,这将为BIPV注入新的活力。

四、BIPV需要解决的问题

BIPV光伏建筑一体化伴随着光伏的发展,从一开始就有研究和应用。早期主要以研究为目的,后期也有示范项目,但大规模的应用并不多。主要的原因有以下几点:一是光伏系统的造价很高;二是建筑师对于光伏的应用比较陌生,没有光伏设计的经验,建筑与光伏中间存在真空;三是光伏建筑一体化的产品很少,很难匹配建筑的设计;四是没有统一的标准。这些问题长期困扰着BIPV的推广应用。随着光伏发电成本的大幅下降,第一个问题已经不存在了。其他几个问题也将会逐步解决。

1、相比十年前的晶硅光伏组件20元/Wp左右的高昂成本,目前高效单晶组件已经降到了1.5元/Wp、多晶组件1.3元/Wp左右。系统成本由10年前的35元/Wp左右,已经降到了3.5元/Wp左右,平价上网已经从梦想变为了现实。极大的加快了BIPV的应用步伐。

2、我国在光伏应用上起步虽晚,但进步很快。目前我国的建筑行业领军企业中国建筑设计研究院有限公司、中国建筑科学研究院有限公司联合工信部、国网公司、南网公司、光伏行业协会等团体,积极推进建筑与光伏的结合,打通了真空地带。国内著名的建筑设计院很早就介入光伏电站的设计。很多设计师也跨行设计光伏建筑一体化系统。市场决定方向,相信在不久的将来,会有更多的建筑设计师,在建筑规划设计阶段,就会将BIPV作为自己的专业来做。

3、国内在光伏发展方面投入巨大,无论从多晶硅料,还是硅片、电池片、普通光伏组件方面,都在国际上处于领先地位。在BIPV的产品研发应用方面,除传统的企业桑尼、有科、上迈、中信博外,隆基等大集团厚积薄发,在今年的SNEC展会上,“隆顶”等多款BIPV产品已经上市,将提供更多更好的产品,供建筑设计师选择使用。

4、没有产品标准,也就没有检测的依据。因此建筑师在建筑设计时也无法放心的选择和设计。

目前国际上针对BIPV的产品标准还较少。通行的标准主要是针对普通光伏组件产品。如IEC61215、61730等,有完整的设计鉴定要求和安全性评价规范。我国的光伏建筑一体化产品标准也还停留在建筑附加光伏也就是一般人理解的BAPV上面。亟需既满足光伏发电性能又符合建筑设计规范的BIPV产品标准。

以工业厂房的光伏彩钢瓦BIPV为例,作为建材,它必须符合建材的“四性”要求、防火标准;作为光伏组件,它需要满足IEC61215的各种电气参数及IEC61730安全性能要求。这种既能发电又是建材的新产品如何检测它的各种性能指标呢?可喜的是由中国材料试验联盟CSTM制订的《屋面晶体硅光伏与压型钢板构件防火等级试验方法》,解决了BIPV防火检测的难题。通过检测认证,那些符合标准的产品,建筑师就可以放心的选择和设计。消除了建筑与光伏结合的障碍。

由中国建筑设计研究院有限公司牵头制订的《建筑光伏系统应用技术标准》GB/T 51368-2019、由中国建筑科学研究院有限公司、中国建筑装饰协会幕墙工程分会联合主编并会同有关单位共同编制的《光电建筑技术应用规程》T/CBEA XX-2019等一系列的标准出台,预示着建筑行业也在不遗余力的打通光伏与建筑的结合之路。

五、BIPV如何真正成为光伏应用的主力军?

BIPV虽然已经“千呼万唤始出来”,但还是“犹抱琵琶半遮面”。相比较光伏企业的热情,建筑行业保持着一贯的定力。笔者与建筑行业的大佬交流,很少有建筑师尝试在建筑设计阶段,就以光电建筑来设计。第一个吃螃蟹,还是需要勇气的。

笔者在“从建筑到光电建筑”系列文章中,介绍了BIPV将开启光伏的应用之路。在此,笔者呼吁,建筑行业要有敢为天下先的气概,勇于创新,大胆实践。需要有一批光电建筑(光伏建筑)设计院,一改目前的建筑设计思路,从源头设计开始,就应用BIPV产品,做出光电建筑的样板工程。依靠国家在绿色建筑、绿色建材上的政策支持,由示范工程再到大面积的推广应用,才可以真正开启BIPV的应用之路。否则,BIPV的应用仍然是光伏界的剃头匠挑子,“一头热”另一头凉。

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发布时间:2020-04-09 00:00:00
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