光伏建筑一体化

(Building Integrated Photovoltaics，简称BIPV)

指在建筑外围护结构的表面

安装光伏组件提供电力

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）

和适当的支撑和安装硬件

接线和安全断开装置

BIPV技术与分类

大多数 BIPV 产品使用两种技术之一

晶体太阳能电池(c-SI) 或薄膜太阳能电池

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

但生产成本更高

这两种技术的应用可按 BIPV 产品的

五种主要类型进行分类

标准屋顶系统	它们通常采用适用的光伏电池条的形式
半透明系统	通常用于温室或寒冷天气应用，在这些应用中必须同时捕获太阳能并允许进入建筑物。
覆层系统	在建筑立面上的垂直应用
太阳能瓦片	最常见的 BIPV 系统
柔性层压板	通常以薄片形式采购，可以粘附到各种形式，主要是屋顶形式

从这五类来看，BIPV产品可应用于多种场景

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

其中平屋顶和坡屋顶最适合太阳能捕获

屋顶和遮阳系统 BIPV 产品系列

最常用于住宅应用

而立面和覆层系统最常用于商业环境

BIPV与BAPV的区别

说到BIPV总会被提到BAPV

它俩的区别是

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

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

02.

BIPV系统设计步骤

BIPV系统的设计考虑因素

必须包括建筑物的用途和电力负载

其位置和方向、适当的建筑

和安全规范以及相关的公用事业问题和成本

西班牙马德里自治大学的光伏太阳能停车棚

设计 BIPV 系统的步骤包括：

1.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。系统的规模应满足所有者的目标——通常由预算或空间限制来定义；并且，选择逆变器时必须了解公用事业的要求。

对于那些仅由光伏供电的“独立”系统，系统（包括存储）的规模必须满足建筑物的峰值需求/最低发电预测。为了避免因异常或偶尔的峰值负载而导致光伏/电池系统规模过大，通常使用备用发电机。这种系统有时被称为“光伏发电机组混合动力”。

伦敦国王十字火车站采用透明太阳能板

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，则将电池并入某些并网系统以抵消最昂贵的电力需求时段可能是经济上合适的。该系统还可以充当不间断电源系统（UPS）。

西班牙巴塞罗那附近的光伏墙

3.提供充足的通风：

工作温度升高会降低光伏转换效率。与非晶硅薄膜相比，晶体硅光伏电池更是如此。为了提高转换效率，请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。这在寒冷气候下对于预热进入的通风补充空气很有吸引力。

垂直光伏系统，PV鳍片

5.考虑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。BIPV 元件还有助于减少与大面积建筑玻璃相关的不必要的冷却负荷和眩光。

6.将光伏组件纳入遮阳装置：

光伏阵列被视为建筑物视窗玻璃区域上的“眉毛”或遮阳篷，可以提供适当的被动遮阳。当将遮阳帘视为集成设计方法的一部分时，冷却器容量通常会更小，并且周边冷却分布会减少甚至消除。

曼彻斯特CIS大厦

7.针对当地气候和环境的设计：

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：

在设计阶段的早期，确保您的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。

尤其重要的是，在太阳能收集高峰期（包括太阳正午两侧的三个小时）期间，系统必须完全不受遮蔽。与阴影足迹相比，阴影对光伏阵列的影响对电力收获的影响要大得多。

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。

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.专业人士：

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。

TWIN CITY TOWER全黑非晶硅玻璃塔楼“半腰”局部使用

此外，BIPV系统可以设计为

与传统建筑材料和设计相融合

也可以用来创造高科技、面向未来的外观

间隔开的晶体单元的半透明阵列

可以提供漫射的室内自然光

参考：基于计算机的光伏设计和选型工具

PV F-Chart— 提供并网和独立光伏系统的分析和粗略选型。

PVFORM—提供并网和独立系统的模拟，包括经济分析。可从新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室购买。

TRNSYS—可再生能源应用仿真系统；最初用于太阳能热能，现在已扩展到光伏和风能。

光伏规划师—来自特拉华大学能源与环境政策中心的用于并网应用的电子表格分析工具。

HOMER—电力可再生能源混合优化模型 (HOMER) 是一种设计优化模型，可确定最大限度降低生命周期成本的配置、调度和负载管理策略。

PVnode—计算大型且不均匀照明的光伏阵列的电气行为

03.

BIPV系统应用

-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

本案是上海市首个通过

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

凤凰谷是一个综合项目

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

（包括利用水道进行热交换）

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

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

04.

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

接下来就解释

每个类别和子类别的细分成本

▼

除此之外还有运营和维护成本

其包括硬件和软件成本

这就是我们将此类别与其他成本分开的原因

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%

采用光伏玻璃，每年发电15000千瓦时

05.

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

06.

结语

BIPV的在宏观层面

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等好处

但也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

关于收益数据我们找到了

在欧洲安装 BIPV 系统的收益数据

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

-END-

/权威期刊及报告发布/

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