什么是BIPV(光伏建筑一体化)？从概念到应用案例的全面解析

什么是BIPV(光伏建筑一体化)？从概念到应用案例的全面解析

BIPV（光伏建筑一体化）是将光伏组件集成到建筑结构中，既能提供电力，又能作为建筑的一部分。本文将从概念、分类、设计步骤、成本分析等方面全面介绍BIPV技术。

什么是BIPV？

光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaics，简称BIPV）是指在建筑外围护结构的表面安装光伏组件，提供电力的同时作为建筑结构的功能部分，取代部分传统建筑结构，如屋面、建筑立面、遮雨棚等。

一个完整的 BIPV 系统包括：

• 光伏组件：可以是薄膜或晶体、透明、半透明或不透明
• 充电控制器：用于调节进出电池存储组的功率（在独立系统中）
• 电力存储系统：通常由公用事业互动系统中的公用电网或独立系统中的多个电池组成
• 电力转换设备：包括逆变器，用于将光伏组件的直流输出转换为与公用电网兼容的交流电
• 备用电源：例如柴油发电机（可选 - 通常用于独立系统）
• 适当的支撑和安装硬件、接线和安全断开装置

BIPV技术主要采用两种技术：晶体太阳能电池 (c-SI) 和薄膜太阳能电池。c-SI 技术由单电池晶体硅晶圆组成，其运行效率通常比薄膜电池更高，但生产成本也更高。

BIPV产品可分为五种主要类型：

• 标准屋顶系统
• 半透明系统
• 覆层系统
• 太阳能瓦片
• 柔性层压板

这些产品可应用于多种场景，包括坡屋顶、平屋顶、弧形屋顶、半透明立面、天窗、遮阳系统、外墙、幕墙等。其中，平屋顶和坡屋顶最适合太阳能捕获。

BIPV与BAPV的区别

BIPV直接作为建筑物的组成部分，起着建筑材料的作用，而BAPV建筑中的组件只是通过简单的支撑结构附着在建筑上，建筑功能不受光伏系统影响。BAPV更多是对建筑的光伏化改造，而BIPV中的光伏组件本身能起到透光、遮风挡雨和隔热等功能，是真正的“一体化”。

位于马德里的一座市政建筑的 BAPV 太阳能立面

BIPV系统设计步骤

设计 BIPV 系统需要考虑建筑物的用途和电力负载、位置和方向、适当的建筑和安全规范以及相关的公用事业问题和成本。具体设计步骤包括：

1. 选择系统类型：在公用事业互动光伏系统和独立光伏系统之间进行选择。绝大多数 BIPV 系统将与公用电网相连，使用电网作为存储和备份。

2. 转移峰值：如果峰值建筑负载与光伏阵列的峰值功率输出不匹配，可以考虑在某些并网系统中并入电池，以抵消最昂贵的电力需求时段。

3. 提供充足通风：工作温度升高会降低光伏转换效率，特别是晶体硅光伏电池。因此，需要在模块后面留出适当的通风以散热。

4. 评估使用混合光伏太阳能热系统：作为优化系统效率的一种选择，设计人员可以选择捕获和利用通过模块加热开发的太阳能热资源。

5. 集成采光和光伏收集：使用半透明薄膜模块或在两层玻璃之间具有定制间隔电池的晶体模块，设计人员可以使用光伏在立面、屋顶或天窗光伏系统中创建独特的采光功能。

6. 将光伏组件纳入遮阳装置：光伏阵列可以作为建筑物视窗玻璃区域上的“眉毛”或遮阳篷，提供适当的被动遮阳。

7. 针对当地气候和环境设计：设计人员应了解气候和环境对阵列输出的影响。寒冷、晴天将增加发电量，而炎热、阴天将减少阵列输出。

8. 解决场地规划和方向问题：确保太阳能电池阵列能够最大程度地暴露在阳光下，并且不会被附近建筑物或树木等场地障碍物遮挡。

9. 考虑阵列方向：不同的阵列方向会对系统的年能源输出产生重大影响，倾斜阵列比垂直立面多产生 50%–70% 的电力。

10. 减少建筑围护结构和其他现场负载：最大限度地减少 BIPV 系统所承受的负载。尽可能采用日光照明、节能电机和其他高峰削减策略。

11. 确保专业人员资质：BIPV的使用相对较新。确保参与项目的设计、安装和维护专业人员经过适当的培训、许可、认证并具有光伏系统工作经验。

苹果公司总部位于加利福尼亚州，屋顶上覆盖着太阳能电池板。

BIPV系统应用案例

世界顶尖科学家论坛会址

华建集团上海建筑设计研究院有限公司设计的该项目是上海市首个通过超低能耗方案评审的公建项目，大量采用了BIPV。屋面羽毛状、鳞次栉比的光伏板为酒店带来的可再生能源。设计结合阳光受光角度和建筑造型的需要，兼顾了屋面设备的空气流通，造型独特。建筑南面裙房大斜面的酒店大堂玻璃屋面采用光伏一体设计，室内通透性和遮阳的需求达到最佳的平衡点，营造了舒适的室内空间。

武进凤凰谷

Studio505在65,000㎡的建筑范围内运用了多种技术，包括绿色屋顶技术、光伏建筑一体化、太阳能帆板、自然通风、LED照明以及复杂的水管理系统。该项目达到了中国《绿色建筑评价标准》的最高级别“三星级”，相当于LEED金奖。

韩国流行音乐新总部大楼

UNStudio设计的YG新总部大楼处在两个截然不同区域的交界处，一边是低密度居住区，另一边面向密集的高速公路和桥梁。项目周边环境的巨大差异决定了总部大楼的朝向和内部空间的组织结构。大楼朝向公园一侧设计成全玻璃立面，朝南的外墙和屋顶上设计并安置了BIPV太阳能电池板。

BIPV成本分析

一般来说，大多数 BIPV 产品的成本范围为1600元/平方米 – 5000元/平方米。BIPV系统的总体成本可分为两类：硬件成本和软件成本。

除此之外还有运营和维护成本，其包括硬件和软件成本。BIPV 的运营和维护成本包括监控系统、维修组件以及因破坏、火灾、极端天气事件等不可预见情况而产生的其他成本。运维成本估计为初始投资的 0.5%，但这考虑了定期维护和可操作性的理想情况。

当考虑主流光伏电站、BIPV 或屋顶（BAPV 或太阳能屋顶瓦）时，运维成本有所不同。另一个需要考虑的成本是逆变器的定期更换，每 15 年进行一次，成本占初始投资的 10%。

设计注意事项

• 让光伏建筑师、顾问或制造商参与布局设计过程，以获得光伏模块的最佳输出与成本比。
• 不要吝惜维护成本，这将确保系统以最佳状态运行并持续更长时间。
• 考虑节能、热效率、气密性和其他减少能源使用的方面来设计和优化建筑。
• 在设计过程中通过优化方位角和倾斜角来增加光伏组件的日照量。
• 评估代表模块阴影的对象和结构。
• 采取一切安全预防措施，避免故意破坏、火灾和系统故障。
• 使用建议的放电深度 (DoD) 降低更换电池的成本。

德国某市政厅，全世界第一个达到“能源盈余”标准的建筑

结语

BIPV除了更清洁更环保可持续发展、带动光伏行业发展、给传统建筑行业的带来创新等好处外，虽然需要大量的前期投资，特别是比起传统材料选项高得多，但重要的是还要考虑后续收入。在欧洲安装 BIPV 系统的收益数据表明，平均成本为200 欧元/平方米至 625 欧元/平方米，投资回报期为 10 至 15 年。根据电力成本、最终安装成本、光伏电站位置以及其他一些因素，BIPV 的投资回收期可达 6 年。BIPV系统不仅代表了降低建筑物电力成本的动力来源，而且还代表了收入来源。考虑到非活动立面和普通屋顶的成本为 0 欧元，最明智的投资显然是使用 BIPV 技术。