在多种可再生能源中, 基于建筑应用场景, 光伏与建筑融合具有独特的发展优势。近年来, 随着光电建筑产业的发展和技术的成熟, 好的产品和设计能够实现对建筑外立面的资源充分利用, 体现与建筑美学和建筑环境的融合, 为建筑提供分布式能源的同时, 还能够保温隔热, 进而降低室内冷热负荷, 实现节能+产能双效益。

从建筑光伏应用技术角度来看, 按照光伏组件是否具备建筑维护结构功能, 可以将光电建筑分为建筑附加型光伏（building attached photovoltaic, BAPV）和建筑一体化型光伏（building integrated photovoltaic, BIPV）等^[1]。随着建筑光伏应用的发展, 光电建筑的概念由拥有光伏发电功能的建筑材料建造的建筑, 到具有光伏发电功能满足建筑要求的建筑, 到现在光电建筑中的“ 建筑” 不再是指单体房屋, 更是房子+道路+构筑物+环境+艺术。因而光伏建筑一体化不是单个建筑体与光伏的结合, 而是建筑群, 乃至城市群、整体区域的综合利用。

华南地区自“ 十一五” 开展光电建筑示范项目建设, “ 十二五” “ 十三五” 在国家政策激励下快速发展, 在产品技术、标准、政策机制、模式方面都形成了一定基础。华南地区的光电建筑市场重点在广东省。本文以广东为例开展研究, 在对广东省政策、标准、典型案例与相关企业开展调研的基础上, 总结发展问题, 提出发展建议。

国外对于光电建筑的研究较早。20世纪90年代起, 美国、日本及欧洲各国制定可再生能源、节能建筑等法规, 发布屋顶计划与阳光规划等, 通过支持规模化生产、资助研发、金融融资、节能法引导等普及推广光电建筑, 积累了大量案例, 也涌现出专门从事光电建筑设计的公司及建造企业。光电转换效率方面, 晶硅电池方面目前实验室最高效率由日本Kaneka公司2017年创造并保持, 其异质结背接触（heterojunction back contact, HBC）太阳电池实现了26.7%的转换效率^[2]。薄膜电池方面, 日本Solar Frontier公司保持了铜铟镓硒（CIGS）电池最高转换效率23.4%。美国First Solar公司的碲化镉（CdTe）电池转换效率达到22.1%。韩国蔚山国家科学技术研究所单结钙钛矿太阳能电池转换效率达到25.7%。在构件化产品方面, 研究发现, 建筑一体化光伏/热（building integrated photovoltaic/thermal, BIPV/T）系统的性能与设计参数和当地天气条件有关, BIPV/水系统比BIPV/空气系统热效率高5%以上, 使用纳米相变材料的太阳能光伏光热（photovolataic thermal, PVT）系统的热效率和总效率分别为72%和85.7%^[3]。YU等^{[4, 5]}开发一款具备集热与除甲醛功能的墙系统, 利用太阳发电净化空气。WANG等^{[6, 7]}研究出一种半透明碲化镉电池的光伏通风窗系统, 同时具备发电、采光与夏季通风和冬季采暖等功能。GASONOO等^[8]采用溅射工艺制作层状氮化钛（TiN）和氮化铝（AlN）可使彩色玻璃具有更好的色彩设计自由度和更低廉的制作成本。在技术应用方面, SKANSKA公司^[9]使用喷墨打印技术制作半透明柔性钙钛矿电池, 2018年首次将其应用于位于波兰的办公建筑中。WEERASINGHE等^[10]对2009年至2018年间12个国家的45个非住宅建筑附属BIPV项目的经济性进行了分析, 结果表明项目经济可行。SHIRAZI等^[11]用Python软件开发城市地区BIPV技术经济性评价工具, 该工具为建筑设计师和规划当局提供了一种量化建筑和城市规模的太阳能规划决策的方法。

我国光电建筑自2008年开展示范建设, 标准、技术、研发的重点方向在应用于地面电站的光伏产品。在产品转换效率方面, 隆基绿能科技股份有限公司（简称“ 隆基股份” ）异质结（heterojunction technology, HJT）电池实验室效率达26.3%, 是目前国内实验室最高转换效率^[12]。组件方面, 晶科能源控股有限公司（简称“ 晶科能源” ）2021年11月发布隧穿氧化层钝化接触（tunnel oxide passivated contact, TOPCon）N型高效Tiger Neo组件系列, 转换效率最高可达22.3%, 量产功率最高可达620 W^[13]。在材料及工艺方面, 龙焱能源科技（杭州）有限公司（简称“ 龙焱” ）和中山瑞科新能源有限公司（简称“ 瑞科” ）在彩色BIPV产品制备方面引入新工艺, 目前通过前板玻璃颜色加工工艺有镀膜、高温彩釉和数码打印三种, 且不同色彩对BIPV产品的效率折损不同^[14]。赵维维等^[15]采用加热封装装置, 省去高压釜工序, 大幅节约BIPV组件生产时间, 降低了成本。在构件化产品方面, 李梦^[16]设计开发了三种基于装配式建筑的光伏一体化构件的方案, 包括光伏一体化预制构件、基于层压式光伏组件的光伏覆层系统及光伏通风幕墙一体化结构, 开发并试制了基于预制混凝土墙体的光伏一体化预制构件, 研究装配式建筑光伏一体化预制构件的电热性能及其对建筑耗能影响。汝军红等^[17]研究了单元装配式幕墙, 实现光伏幕墙工业化生产与装配化施工。汉能薄膜发电集团（简称“ 汉能” ）、中国建材集团（简称“ 中建材” ）、保定嘉盛光电科技股份有限公司（简称“ 嘉盛光电” ）等研制了形式多样的光伏瓦产品^[18]。在产品性能方面, 香港理工大学研究团队对不同通风方式下光伏立面墙的电热性能进行研究, 结果表明光伏墙能起到有效保温隔热作用, 在香港地区, 与普通墙体相比, 光伏墙每年每平方米可减少52.1 kW∙ h的热能消耗, 相当于节省了18.6 kW∙ h的建筑空调系统电能^[19]。赵笑昆等^[20]研究了BIPV产品安全性, 从标准和测试角度, 指出应满足的电气、机械、防火方面的安全性指标包括：绝缘性能、湿漏电流等7项电气指标, 机械荷载、抗剥落性等7项机械指标, 抗风压性能、耐撞击性能等安全性能, 以及温度性能、可燃性、热斑耐久性等6项燃烧性能。

2020年全球累计光伏装机容量756 GW^[21], 中国光伏累计装机253 GW^[22], 是全球光伏安装最多的国家。光电建筑是光伏应用的重要分支, 根据国际能源署光伏组织（IEA-PVPS）预测, 全球光电建筑市场约为1 GW/a。中国光伏安装中, 分布式光伏累计装机78.15 GW, 占比31%。截至2019年底, 全国累计光电建筑应用装机约30 GW^{[23, 24]}。光电建筑应用面积占既有建筑约1%。当前以工业屋顶应用为主。

截至2020年, 广东省分布式光伏累计安装规模3 850 MW。其中居民分布式光伏安装4.6万户, 装机规模约610 MW。建筑光伏安装容量约3 388 MW, 约占分布式装机的88%, 粗略估计安装面积约达到3 500万m²。建筑中安装光伏的比例还比较低。图1展示了广东各类建筑光伏安装规模结构。按光伏安装场所的建筑使用功能分, 工业建筑光伏安装容量占比约66%, 居民建筑占比约18%, 公共建筑占比约14.8%, 农业建筑占比约1.2%。所有项目装机中, 以BAPV为主, BIPV的装机规模不足千分之一。

图1

Fig. 1

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	图1 广东省各类建筑光伏安装规模结构Fig. 1 PV installation structure of different building types in Guangdong province

工业建筑因其单体面积大、用电稳定、电价高, 安装光伏的经济性好, 产品和模式成熟, 是当前建筑光伏应用的主要方向; 居住建筑中村镇居住建筑以其产权单一、遮挡少等特点, 是居住建筑光伏应用的主要场景。公共建筑中以酒店、办公楼、商场等商业建筑为主, 其次是农村集体建筑如村委大楼、学校、卫生站等, 受益于国家对光伏扶贫项目实施高电价的激励, 安装量也较高。

从图2广东省分布式光伏装机与增长情况来看, 建筑光伏安装规模呈现逐年上升趋势（除2018年国家政策调整安装量激增外）。从累计数据来看, 广东省分布式光伏累计装机量全国排第7位, 不到山东、浙江、河北安装量的一半。2021年广东新增分布式光伏安装容量全国排第7位。

图2

Fig. 2

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	图2 广东省分布式光伏装机规模与增长Fig. 2 Scale and growth of distributed PV installation in Guangdong province

从规模情况看, 目前广东省光电建筑发展还处于起步阶段, 居住建筑、公共建筑以及采用一体化产品的安装比例较低, 需要进一步引导。

我国现有光电建筑相关的政策体系主要由建筑节能、绿色建筑政策, 支持光伏发电、用电政策, 碳减排政策和乡村振兴、城市更新相关政策组成。

国际上共有6项光电建筑标准^{[37, 38, 39]}, 主要集中在BIPV组件、玻璃、系统、建设、防火领域。

国内现行与建筑光伏相关的标准约104项。其中分布式通用标准30项, 建筑光伏专用标准43项, 居民家庭光伏标准30项^[38], 主要集中在BAPV领域, BIPV标准尚未形成体系。产品标准包含组件（含柔性组件、U型单晶组件）、幕墙、预制外挂墙、采光顶、并网装置、蓄电池以及绿色建材标准等, 标准制定和发布机构分散。适用于BAPV的系统标准, 包括了评估、设计、施工、安装、验收及安全等方面的标准, 较为齐全; 针对BIPV的系统标准, 包括了设计、运行维护、验收等方面的标准, 各标准内容交叉重复。由于与BIPV相关的标准跨越建筑、材料、电气等领域, 使整理统合变得非常复杂。

广东省光电建筑相关标准9项, 其中包括2项地方标准, 7项团体标准（广东省太阳能协会团体标准）; 工程标准8项, 服务标准1项。另有1项太阳能光伏一体化图集。广东省光电建筑相关标准主要集中在工程应用领域。目前的绿建标准未对光伏应用的过程给出参数建议, 建筑设计师可参考的标准和图集不完善, 缺乏相应培训沟通及综合性人才。

表1展示了目前国内外光电建筑发展情况。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 国内外光电建筑标准发展情况 Table 1 Development of international and domestic standards related to photoelectric building 标准分类 数量 主要内容 国际 标准机构 4 IEC/TC 82、IEC/TC 117、ISO/TC 180、ISO/TC 160/SC 1/WG 9 按对象 工程标准 3 BIPV系统、建设要求、防火 产品标准 3 BIPV组件、玻璃 国内 标准机构 部委 5 国家标准委、住建部、工信部、能源局和农业农村部 团标平台 21 CEMIA、CES、CECS、CPIA等 按体系 国家标准 14 建筑光伏玻璃（强标）、光伏遮阳板、采光顶检测方法、色差检测方法、防雷规范、验收规范、建筑光伏系统应用技术标准、图集 行业标准 14 PVB、封边保护剂、光伏构件通用技术要求、电气设计与施工、安装、民用建筑应用技术规范、运行与维护规范 地方标准 19 光伏幕墙技术要求, 设计规范, 安装及验收规程, BIPV技术规程 团体标准 57 工业建筑BIPV、建筑光伏组件、控制及变配电设备技术要求、住宅储能逆变器、铜铟镓硒系统应用技术规程、户用验收规范等 按对象 工程标准 72 电气设计与施工、安装、防雷规范、验收规范、运行与维护规范通用技术标准、图集 产品标准 32 建筑光伏玻璃（强标）、PVB、封边保护剂、逆变器、控制及变配电设备、光伏遮阳板、光伏幕墙、组件、采光顶及色差检测方法等 广东省 标准机构 3 DB 44、GSEA、广东省住房和城乡建设厅 按对象 工程标准 8 屋面并网发电系统设计、施工、调试、验收规范, 分布式运营安全规程 服务标准 1 居民分布式光伏发电项目服务规范

表1 国内外光电建筑标准发展情况 Table 1 Development of international and domestic standards related to photoelectric building

建筑用光伏产品按发电材料不同可以分为晶体硅光伏产品（晶硅组件）和薄膜光伏产品（薄膜组件）。晶硅组件由于工艺稳定、转换效率高等特性, 是光伏发电的主要产品, 在建筑中常用于屋顶。薄膜组件相比晶硅电池而言具有弱光性能好、温度系数低和遮挡损失小的优势, 但光电转换效率更低（单位面积发电更少）, 单位面积造价相比晶硅组件略低, 多用于建筑立面或常有遮挡的区域^{[40, 41, 42]}。

晶硅组件又可分为单晶硅组件和多晶硅组件。薄膜组件又可分为硅基薄膜、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、有机聚合物、钙钛矿组件^[22]。目前硅基薄膜在建筑领域应用的产品已基本被淘汰, 有部分作为半透光玻璃在研发阶段^[43], 有机聚合物电池因稳定性问题仅在国外有个别建筑应用案例^[44], 钙钛矿电池目前还在试产阶段^[45]。主流产品为单晶硅组件、CdTe薄膜组件。晶硅组件根据所封装的电池片尺寸不同, 可分为210 mm和182 mm组件; 根据电池结构不同可分为钝化发射极背表面全扩散（passivated emitter and rear contact, PERC）电池、HJT电池、TOPCon电池、金属穿孔卷绕（metal-wrap through, MWT）电池、指交叉背接触（interdigitated back contact, IBC）电池等^[22]; 根据组件封装技术不同分为半片电池组件、多主栅组件、叠瓦组件, 在实际建筑使用中其外观、产品尺寸、转换效率和价格上的区别较小。晶硅光伏产品根据封装材料与工艺不同又可分为单玻（普通）组件、双玻组件、中空夹胶组件和柔性组件, 其中双波组件又有双波单面发电和双波双面发电组件。薄膜组件也可分为双玻（普通）组件、中空夹胶组件和柔性组件。不同产品的外观特点、转换效率、重量、成本、产品特点、使用建议见表2和表3。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 晶体硅光伏产品与特性 Table 2 Characteristics of crystalline silicon PV products 产品类别 产品图例 外观特点 转换效率 / % 重量 / (kg/m2) 成本高低 产品特点 使用建议 普通组件 带边框, 前面为玻璃, 背面为塑料（背板） 18 ~ 22 11 低 温度系数高, 寿命受制于背板材料, 有热斑效应 BAPV形式应用, 安装在建筑屋顶, 不能出现遮挡 双玻组件 无边框, 前后为玻璃, 中间为发电材料 18 ~ 22 12.5 ~ 13 略低 温度系数高, 寿命长, 透光度可选择, 有热斑效应 无隔热要求的开放空间, 停车棚、遮阳棚等 中空夹胶组件 三层以上玻璃, 较厚 18 ~ 22 48 ~ 65 高 温度系数高, 具备幕墙安全性要求、隔热性能, 透光度可选择, 有热斑效应 可替代幕墙或采光顶, 非高温地区使用 柔性组件 轻薄、可弯曲 18 ~ 21 2.28 ~ 4 高 温度系数高, 寿命取决于封装材料, 可彩色, 可弯曲, 有热斑效应 可与各种建材集成彩钢瓦、保温板、铝塑板等

表2 晶体硅光伏产品与特性 Table 2 Characteristics of crystalline silicon PV products

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 薄膜光伏产品与特性 Table 3 Characteristics of thin film PV products 产品类别 产品图例 外观特点 转换效率 / % 重量 / (kg/m2) 成本高低 产品特点 使用建议 CIGS组件 黑色、蓝黑色、墨绿色为主, 彩色可调（转换效率下降）, 颜色均匀 12 ~ 19 17 ~ 18 略高 温度系数较高, 弱光性能好, 电性能无衰减, 透光可选, 无热斑效应 屋顶、立面均适合, 无隔热要求的建筑 CdTe组件 黑色为主, 彩色可调（转换效率下降）, 颜色均匀 13 ~ 19 17 ~ 18 略低 温度系数较低, 具备弱光特性, 衰减低, 透光可选, 无热斑效应 屋顶、立面均适合, 无隔热要求的建筑 中空夹胶组件 三层以上玻璃, 较厚 6 ~ 19 38 ~ 42 高 比晶硅中空组件对环境温度的要求低, 透光可选, 无热斑效应 可替代幕墙或采光顶 柔性组件 黑色、蓝黑色、墨绿色, 轻薄、可弯曲 14 ~ 16 2 ~ 3 高 轻、薄、可弯曲, 有热斑效应 可与各种建材集成彩钢瓦、保温板、铝塑板等

表3 薄膜光伏产品与特性 Table 3 Characteristics of thin film PV products

我国是全球光伏产品的主要生产制造国, 在产业技术和产品创新方面全球领先。随着传统地面光伏电站竞争的日益激烈, 近年来, 各企业加大了对光电建筑领域的产品开发。针对BIPV产品, 在外观色彩、防火、防眩光、构件化方面获得了很大发展。色彩方面通过夹胶、彩釉、镀膜等新工艺, 可以实现色彩、图案定制。通过裁切可以实现形状定制。BIPV构件化方面目前产品有光伏瓦、光伏砖、光伏防眩光板、光伏隔音墙、光伏阳台、光伏路等产品。BIPV光伏构件产品特点与主要生产企业见表4。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 BIPV光伏产品与生产企业 Table 4 BIPV products and suppliers 产品类别 产品图例 产品特点 生产企业 彩钢瓦 具备建筑防水、防火以及建构稳定等建材属性; 可与热镀锌铝镁复合底板一体化设计, 亦可独立于彩钢瓦, 使用寿命25年以上; 主要用于工商业屋顶 隆基股份、晶科能源、天合光能、正泰电器、一道新能源科技（衢州）有限公司、江苏日托光伏科技、上迈新能源 平面瓦 双玻组件与铝合金框架式集成结构, 安装在建筑屋顶, 可调整透光率作为采光顶, 也可取代原有彩钢瓦屋顶 嘉盛光电、扬州晶华新能源科技、江苏友科太阳能科技、武汉日新科技、龙焱、瑞科 平板瓦 可嵌入传统屋顶, 仿瓦材质, 适用于老旧屋顶翻新并加装太阳能电板 特斯拉、嘉盛光电、龙焱、瑞科 曲面瓦 色彩丰富, 适用于仿古建筑 汉能、嘉盛光电、腾晖光伏技术有限公司、浙江合大太阳能科技有限公司 光伏幕墙 颜色、图案可定制, 可以实现透光、仿金属、彩釉、仿石材等, 可以不中空、单层中空、夹胶中空, 结合低辐射玻璃使用, 遮阳系数、热传导系数更低, 夹胶结构增加隔音效果。广泛应用于各类立面、幕墙、外遮阳、外挂墙、层间墙、护栏等 英利嘉盛、隆基、晶科、中节能太阳能科技（镇江）有限公司、武汉日新科技、常州亚玛顿股份有限公司、赫里欧新能源、龙焱、瑞科、中建材（凯盛集团） 光伏阳台 与光伏幕墙类似, 可彩色或透光 嘉盛光电、一道新能源科技(衢州)有限公司 发光幕墙 替代传统玻璃幕墙, 或替代LED广告牌, 光伏发电与LED显示集成, 减少电能转换损失, 有效降低耗电, 提高效率 嘉盛光电、瑞科 光伏隔音墙 采用明框安装, 替代普通的隔音材料, 实现隔声、消声、吸声, 减少声污染; 抗风能力强; 垂直安装, 双面吸光、比普通单面发电组件发电量高30% 嘉盛光电 光伏砖 采用塑料或超白防滑玻璃封装, 可用于庭院、公园、商业街等无重型车碾压的场地 嘉盛光电、Platio Solar、龙焱

表4 BIPV光伏产品与生产企业 Table 4 BIPV products and suppliers

总体而言, 目前主流光伏组件产品多针对地面电站要求设计生产, 对建筑安全、防火等性能考虑不足。光伏发电特性与建筑用能协同技术不完善。当前在建筑各受光部位均有相应光伏产品, 但兼具建筑性能、满足建筑多样化需求、满足性价比要求的BIPV产品仍较少。

（1）应用技术创新。发展光电建筑从单体建筑视角转移至城、县、村、区, 探讨如何将光伏在内的可再生能源在更广的空间范围内高比例开发。推动城市和农村大规模应用可再生能源, 实现用能电气化、能源低碳化是实现双碳目标的前提。建筑脱碳又与工业、交通脱碳高度耦合。因而华南地区光电建筑的发展应与城市规划、片区规划紧密结合起来, 从更广大的空间去探索太阳能应用的可能性, 开发更为丰富的应用场景。建筑光伏系统是建筑综合能源系统的一部分, 应从需求侧出发深入挖掘节能潜力, 并大幅提高能效, 避免能源系统过（低）量配置, 降低能源系统投资成本。建筑光伏要参与到新型电力系统的发展建设中来。主要是通过储能技术、多能互补、智能运维来实现建筑负荷与新能源发电、电网的源-网-荷-储协同运行。

（2）关注重点领域。结合当前技术经济性现状, 首先重点应在工业领域、农村建筑中推进光伏的开发利用。在农村和工业区, 采用市场化手段, 引入投资企业开展集中统一屋顶光伏开发。在储能技术经济性拐点到来时, 在农村结合光储, 推广近零能耗建筑。在城市, 结合建筑一体化技术, 充分利用建筑顶面和立面建设光伏, 加强需求侧管理, 发展光储直柔建筑, 通过规划、标准、节能宣传、双控考核等方式引导相关建筑业主单位主动采用光伏技术, 以实现减排目标。

（3）开展零碳示范。开展零碳建筑示范, 树立未来城市样板。高标准开展大湾区城市群建设, 参考净零碳排放示范区建设经验以及国内外零碳城市建设经验, 建设零碳城市群, 率先实现8%的建筑可再生能源替代率和50%的新建建筑屋顶光伏覆盖率目标, 引领经济社会实现全面绿色转型。结合乡村振兴、城市更新, 充分利用能量管理及储能技术, 开展零碳社区、低碳小镇、光伏特色街区与小镇示范建设。积极参与国家碳达峰试点建设。

（4）加强标准建设。加快制定适应华南地域特点的近零能耗建筑标准。在土地出让、规划许可等环节加强标准建设与技术指引。建立与华南气候光照特点及岭南建筑特色相结合的光电建筑标准：如满足华南地区光照特性的产品热工特性标准, 产品尺寸模数标准, 符合多台风高湿热条件的产品耐用性标准, 符合华南建筑特色的光电建筑设计、施工标准, 系统安全标准, 智能运维、运行评价标准等。政府在相关绿色建材采购标准中加入光伏建材的参数要求, 在旧城改造、绿色社区建设标准中明确光伏使用比例与标准, 促进光伏等可再生能源的普及应用。

（5）市场机制创新。完善市场机制, 继续开展分布式发电市场化交易试点建设, 研究交易机制与价格, 打破单体建筑产用电不平衡的状态, 提高建设光伏的投资收益; 探讨建筑体作为发-储-用电力一体化的“ 虚拟电厂” 参与电力市场的机制; 进一步降低光电建筑参与碳交易市场的规模、费用门槛, 探索适应于建筑光伏发电参与碳交易的机制; 加强绿色金融对光伏整县推进项目的支持, 降低光伏投资的融资成本; 进一步明确分布式光伏和光电建筑规划建设管理要求, 清除机制障碍, 优化相关流程, 提高效率。引导和建立行业的运维体系, 建立安装运维企业名录, 逐步培育运维市场。加强安全监管, 由政府部门组织开展光电建筑安全抽查, 细化和落实部门监管职责。制定针对光电建筑的补贴支持, 对光伏建筑一体化应用项目、居民建筑等经济性欠缺的项目开展补贴; 支持建筑一体化光伏产品的开发应用, 开展新产品、新模式的示范, 对新技术、新产品和示范项目开展资金奖励, 同时加强政策宣传。

发展光电建筑是推动“ 双碳” 在建筑领域实现碳减排工作的重要抓手, 目前建筑安装光伏的比例较低, 而资源空间较大。针对现有政策机制、商业运营模式、技术标准等问题, 应从宏观视角加强规划统筹, 加快产品技术与运营模式的创新应用, 以农村和工商业园区为重点建设屋顶光伏, 开展零碳建筑示范, 以标准建设和政策机制创新为抓手, 积极推动光电建筑高质量发展, 以推动低碳建筑的快速发展。