BIPV专题研究:光伏幕墙和光伏屋顶比较研究

发布时间:

2022-10-25 00:00

在光伏组件技术上,光伏屋顶目前大多使用晶硅组件,而光伏幕墙则更倾向于使用薄膜组件。晶硅组件的发展较薄膜更为成熟,而未来薄膜的发展可能性和潜力要大于晶硅,因此随着薄膜技术的不断突破,光伏幕墙的市场空间扩增速度或超过光伏屋顶。

1、什么是光伏幕墙与光伏屋顶?

BIPV 的应用形式包括光伏屋顶、光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏车棚、光伏站台等,其中, 光伏屋顶和光伏幕墙为两大主要细分场景。光伏幕墙使用薄膜组件居多,对立面朝向有要求。光伏幕墙是将幕墙和光伏发电功能相结 合的幕墙,集发电、美观、通风采光、外部围护等功能于一体,根据透光、不透光需求, 分别采用非晶硅(薄膜)类组件/未满铺的晶硅组件、晶硅组件。据 BIPVboost 数据,2018 年针对幕墙应用的 BIPV 中,晶硅电池占比为44%,薄膜类电池为 56%。光伏幕墙可用面积大,在处于南立面、无遮挡,且电价较高时,经济性可观。

光伏屋顶应用范围最广泛,绝大多数采用晶硅组件。光伏屋顶是具有承重隔热防水功能、 并叠加电池板形成的屋顶,并能有效提供工业厂房用电需求的绿色建筑类型。一般光伏屋 顶不要求透光,多数采用晶硅组件。根据BIPVboost数据显示,2018 年针对屋顶应用的BIPV中,晶硅电池占比达到 90%,薄膜类电池占比为10%。光伏屋顶仅考虑发电、安全、防水保温要求,节省设计环节,实现成本较低;相较于幕墙,可获得最长的光照时间和较大的光照面积,经济效益最好。

2、光伏幕墙与光伏屋顶工程资质要求有何差异?

光伏屋顶工程仅需工程施工资质,光伏幕墙工程额外有专业资质要求。幕墙施工资质除宽泛的建筑工程施工要求外,有专业资质要求,主要是建筑幕墙工程专业承包资质和建筑幕墙工程设计专项资质。光伏幕墙工程资质要求与传统幕墙工程要求一致。据建设通数据,截至2022/09/03,全国范围内,拥有建筑幕墙工程专业承包一级资质的企业共有 6,711 家,拥有建筑幕墙工程设计专项甲级及以上资质的企业共有 1,069 家,同时拥有两种资质的企业有798家。

光伏屋顶工程则无专业资质要求,仅需建筑工程施工总承包资质。据建设通数据,截至 2022/09/03,全国范围内,拥有建筑工程施工总承包一级及以上资质的企业共有 10,245 家。建筑工程是指各类结构形式的民用建筑工程、工业建筑工程、构筑物工程以及相配套的道 路、通信、管网管线等设施工程。工程内容包括地基与基础、主体结构、建筑屋面、装修 装饰、建筑幕墙、附建人防工程以及给水排水及供暖、通风与空调、电气、消防、防雷等配套工程。

此外,光伏工程属于发电工程,需要电力工程施工总承包资质,专门承揽各类发电工程、 各种电压等级送电线路和变电站工程的施工,其中电力工程是指与电能的生产、输送及分配有关的工程。资质有四个级别的划分,从高到低依次是特级、一级、二级和三级。由于光伏幕墙和光伏屋顶发电电压并不高,因此对此项资质无需高要求,此资质并不构成门槛。

3、光伏幕墙与光伏屋顶工程经济性各如何?

同等条件下,光伏屋顶的经济性优于光伏幕墙。据国际能源网采访数据,BIPV光伏幕墙的投资回收期在6-8 年。截至2021年底,从全投资内部收益率水平来看,较好的屋顶项目可能达到9%,但较好的幕墙立面项目可能略高于7%。

我们以《不同 BIPV 系统的收益及环 境效益分析》(赵泰祥)中,地处昆明市云南师范大学呈贡校区(东经 102°51′,北纬 24°51′)的能源与环境科学学院大楼南立面幕墙与图书馆屋顶项目为例(组件均面向南 方,偏东 18°),利用两个系统的参数进行发电收益测算,其中核心假设包括:幕墙、屋顶的电池组件效率分别为 15%、22%(装机量/发电量等根据组件效率放大倍数进行同比例 估算)、幕墙/屋顶的单位投资分别为 4.5/4 元/W、日常运维费用为51元/(千瓦·年)、云 南省上网电价为 0.33 元/kWh等,测算得到光伏幕墙、光伏屋顶系统25年寿命周期的发电 量分别为 21.0kWh/Wp、28.7kWh/Wp,产生的收益(扣除运维与初始投资成本)分别为 1.1元/Wp、4.1元/Wp。

光伏屋顶的经济性优于光伏幕墙,核心源于组件投资成本与光照利用效率差异。从我们测 算的结果来看,光伏幕墙单位收益低于光伏屋顶约 3 元/Wp,国际能源网显示的光伏幕墙 IRR 亦相对较低,我们认为核心源于两个方面:1)成本角度,光伏幕墙使用薄膜组件的成本较高:BIPV光伏幕墙有透光性要求,采用薄 膜组件较多,薄膜组件本身生产技术不及晶硅组件成熟,且施工难度更大,成本相对晶硅组件更高。普通玻璃幕墙价格在每平米500-1200元不等,而BIPV光伏幕墙使用的薄膜组件生产技术不及晶硅成熟,且施工难度更大,成本相对较高,进一步拉高了光伏幕墙的建造成本。

2)发电角度,光伏幕墙光照利用小时数不如光伏屋顶:同样的光照条件下,光伏幕墙入射角度灵活性弱于屋顶,一般BIPV应用在南向幕墙经济性最好,光照较强的地区也可应用在东西向幕墙,但应用在北向幕墙经济性较差;而屋顶相对能够更充分地利用光照资源。

4.光伏幕墙与光伏屋顶市场空间怎么看?

政策持续加码,光伏产业装机规模迎快速增长。2022年3月,住建部《“十四五”建筑节 能与绿色建筑发展规划》明确,到2025年,我国预计完成既有建筑节能改造面积 3.5 亿方米以上(其中居住建筑1亿平方米,公共建筑2.5亿平方米),建设超低能耗、近零能耗 建筑 0.5 亿平方米以上,全国新增建筑太阳能光伏装机容量 0.5 亿千瓦以上,城镇建筑可 再生能源替代率达到 8%。为达此目标,“十四五”期间, 我国光伏年均新增光伏装机或将超过 75GW。据 CPIA 数据显示,2021 年,国内光伏新增 装机 54.88GW,yoy+13.9%, 2015-2021 年 cagr 为 24%。

政策推进+经济性显现,分布式光伏增长有动能,其中 BIPV 渗透率或快速提升。据 CPIA 数据显示,2021 年,国内光伏新增装机 54.88GW 中,分布式光伏装机 29.28GW,占全部 新增光伏发电装机的 53.4%,历史上首次突破 50%。整县推进政策调动央国企开发积极性, 停电限产与工商电价上浮刺激工商业装机需求,同时后续硅料价格下降或降低光伏初始投 资成本,我们认为分布式装机量增长有较大动能。而 BIPV 作为分布式光伏装机的新形式, 有环保、减少电力损耗、节约用地等多项优点,在分布式光伏中的渗透率稳步提升,据中 商情报网,BIPV在分布式光伏中渗透率预计由 2021 年 4.9%提升至 2025 年 74.5%。

4.1.光伏幕墙或为行业变革方向,我们测算22-25年市场空间分别为52/76/109/138亿元

我国幕墙工业起步早,建筑幕墙工程产值仍稳步增长。我国建筑幕墙工业自 1978 年起步, 经过 21 世纪 90 年代高速发展,到 21 世纪初已成为世界第一幕墙生产大国和使用大国, 目前我国幕墙年产能远超 1 亿平方米。2021 年,我国建筑幕墙工程总产值达到约 5,317 亿 元,yoy+8.5%。未来,随着幕墙工程设计个性化比例的提高,越来越多的工程涉及新技术、 新材料和新工艺的变革和发展,前瞻产业研究院预计建筑幕墙工程产值有望继续增长。中国建筑装饰协会对于幕墙行业的预测和规划以及前瞻产业研究院预计,到 2026 年我国建筑幕墙行业工程总产值将达到 6,900 亿元,为 BIPV的装设提供了较大空间。

光伏幕墙或为幕墙行业变革方向,提高组件效率与建筑集合程度等为主要发展方向。光伏幕墙作为绿色节能的幕墙形式,实现了被动节能和主动产能完美结合,有望成为幕墙行业发展的主流方向。而光伏幕墙本身将从目前的多晶硅材料向单晶硅材料、硅材料到镀膜材料方向有序发展,从而提高光电转换率。据前瞻产业研究院预计,光伏幕墙未来或在提高 组件效率、提高建筑结合程度、应用直流化、集成化、提高工业化率方向继续发展。

BIPV 光伏幕墙以新建为主,我们测算 22-25 年市场空间分别为 52/76/109/138 亿元。由 于既有幕墙的改造难度较大,经济效益不高,我们在计算光伏幕墙的市场空间时只考虑新 增建筑的幕墙市场。我们假设 22-25 年建筑业房屋竣工面积增速为 4%/3%/2%/1%,光伏幕 墙及立面可安装面积为竣工面积的 1/4,根据 2021 年竣工面积构成占比计算不同类型建筑 面积的年新增建筑光伏幕墙及立面可安装面积;分别假设各类建筑幕墙光伏渗透率逐步提 升,假设 2022 年光伏幕墙单位面积造价为 4.5 元,23-25 年以每年 5%的幅度递减,测算 得到 2022-2025 年光伏幕墙市场空间将分别达到 52/76/109/138 亿元(幕墙安装光伏基本 为 BIPV 形式,光伏幕墙市场空间可视为 BIPV 幕墙市场空间)。

4.2.整县光伏有力推进,我们测算BIPV屋顶22-25年市场空间分别为117/440/911/1,038亿元

整县推进等政策有力推进,分布式光伏屋顶发展或提速。2021 年 6 月,国家能源局下发 的《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》提出,关于屋顶总面 积可安装光伏发电比例,党政机关建筑不低于 50%;学校、医院、村委会等公共建筑不低 于 40%;工商业厂房不低于 30%;农村居民不低于 20%。2021 年 10 月,国务院印发的 2030 年前碳达峰行动方案的通知也提出,到 2025 年,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏 覆盖率力争达到 50%。

光伏屋顶的市场分为新增建筑屋顶市场和既有建筑改造市场。新增建筑市场角度,假设光伏屋顶可安装面积为建筑业房屋竣工面积的 1/6,其余假设与 幕墙测算时所作假设类似,同理计算年新增建筑光伏屋顶可安装面积;分别假设住宅/厂房 及仓库/办公及商服/公共建筑的新建光伏渗透率到 25 年为 7%/18%/12%/20%;2022 年光伏 屋顶单位面积造价为 4.0 元,23-25 年以每年 5%的幅度递减;22-25 年新建建筑屋顶 BIPV 渗透率分别为 11%/24%/45%/76%,测算得到 2022-2025 年 BIPV 屋顶新增市场空间将分别达 到 23/70/161/302 亿元。

既有建筑屋顶光伏改造角度,据中国建筑科学研究院数据,2021 年我国既有建筑面积达到 600 亿平方米,可安装光伏面积约为 100 亿平方米。假设到 25 年既有建筑屋顶光伏改造 比例为 6%,2022 年光伏屋顶单位面积造价为 4.0 元,23-25 年以每年 5%的幅度递减,22-25 年既有建筑 BIPV 渗透率分别为 5%/15%/25%/30%,测算得到 2022-2025 年 BIPV 屋顶可改造 市场空间将分别达到 94/371/750/1,038 亿元。

光伏幕墙与屋顶市场空间广阔,光伏幕墙市场扩容仍有较大空间。由于幕墙的光伏改造难 度偏大,经济效益较小,新增的市场可视为光伏幕墙市场,且由于幕墙安装光伏基本为 BIPV 形式,因此光伏幕墙市场可视为 BIPV 幕墙市场;而屋顶光伏改造难度相对更低,收益更 大,因此需要考虑既有建筑屋顶的光伏改造市场。我们以分类建筑的光伏可安装面积为基 数,分别假设各类建筑的光伏渗透率、BIPV 渗透率、单位面积造价、单位面积发电功率等, 测算 BIPV 光伏幕墙和屋顶市场空间。测算得到,2022-2025 年 BIPV 光伏幕墙新增市场空 间总计约为 375 亿元;BIPV 屋顶新增市场约为 555 亿元,存量改造市场 2,253 亿元,合计 2,808 亿元。

值得一提的是,在光伏组件技术上,光伏屋顶目前大多使用晶硅组件,而光伏幕墙则更倾向于使用薄膜组件。晶硅组件的发展较薄膜更为成熟,而未来薄膜的发展可能性和潜力要大于晶硅,因此随着薄膜技术的不断突破,光伏幕墙的市场空间扩增速度或超过光伏屋顶。

5.光伏幕墙与光伏屋顶产业链成熟度如何?

光伏幕墙与光伏屋顶产业链核心差异为组件。BIPV 光伏幕墙与屋顶的产业链上游为设计及 原料,包括 BIPV 解决方案、光伏电池、组件以及其他配件等。光伏幕墙与光伏屋顶的主 要差异在于使用电池片不同,屋顶主要使用晶硅电池片(占比约 90%),而幕墙主要使用薄 膜电池片(占比约 56%)。下游的应用场景角度,光伏屋顶相对更广泛,除了大厦、办公楼 之外,还更适用于厂房、商品房等屋顶面积较大的场景。

从上游来看,BIPV 屋顶和幕墙的核心差异是使用组件的差异,光伏屋顶上游组件制造产 业链较光伏幕墙更成熟。

光伏屋顶大多使用标准晶硅组件,其生产技术/生产企业规模等均已非常成熟。以多晶硅 为例,据 CPIA 数据显示,2021 年,全国多晶硅产量达 50.5 万吨。其中,排名前五企业产 量占总量的 86.7%,其中五家企业产量超过 5 万吨。2022 年多晶硅产量预计将超过 70 万 吨。此外,2021 年多晶硅生产线人均产出量为 39.9 吨/年/人,随着 2022-2023 年多晶硅新投产线单线规模增大,自动化程度提升,人均产出量将会有较大幅度的增长,提高到 53.8 吨/年/人,到 2030 年提高到 66.5 吨/年/人。产品效率方面,晶硅电池转换效率已相对较高, 技术提升空间有限。2021 年,规模化生产的 p 型单晶电池均采用 PERC 技术,平均转换效 率达到 23.1%,较 2020 年提高 0.3 个百分点,先进企业转换效率达到 23.3%;采用 PERC 技术的黑硅多晶电池片转换效率达到 21.0%,较 2020 年提高 0.2 个百分点;常规黑硅多晶 电池效率提升动力不强,2021 年转换效率约 19.5%,仅提升 0.1 个百分点。

相较之下,由于部分幕墙有透光需求,因此只能使用薄膜电池组件,其制造端成熟度不及 晶硅。目前能够商品化的薄膜太阳能电池主要包括铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)、砷 化镓(GaAs)等,制造材料较为稀有,产量较晶硅更低,且由于技术限制,其转换效率普 遍低于晶硅。当前,全球碲化镉薄膜电池实验室效率纪录达到 22.1%,组件实验室效率达 19.5%左右,产线平均效率为15-19%,是现有薄膜电池类型中唯一能实现大规模量产的电池,代表企业有first solar、龙焱能源;铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池实验室效率纪录达到 23.35%,组件实验室效率达 19.64%左右,组件产线平均效率为 15-17%;Ⅲ-Ⅴ族薄膜太阳能电池,具有超高的转换效率,稳定性好,抗辐射能力强,在特殊的应用市场具备发展潜力,但由于目前成本高,生产规模不大;钙钛矿太阳能电池,实验室转换效率较高,但稳定性差,目前仍处于实验室及中试阶段。

此外,光伏屋顶和幕墙所使用的组件在尺寸上也有差异,幕墙异型组件暂没有成熟供应商。光伏屋顶可直接使用标准尺寸组件,而幕墙则需要结合建筑设计和美学要求,其组件可能有定制或异型需求。

光伏屋顶下游应用场景较光伏幕墙更广泛。从下游来看,BIPV屋顶和幕墙的应用场景略有不同:光伏幕墙需要考虑立面方向、透光度、外部维护和美学要求等,施工难度较高,主 要应用于朝向好、面积大的办公楼、酒店、公寓、大厦等建筑上。光伏屋顶相较之下施工 难度更低,与建筑物功能不发生冲突,且无需考虑立面方向,接受光照的条件更好,应用 范围更加广泛,除上述建筑类型外,还包括一些住宅和厂房等。

7.主要结论

光伏幕墙与光伏屋顶为 BIPV 两大应用方向。光伏幕墙是将传统幕墙和光伏发电功能相结 合的幕墙,光伏屋顶是具有承重隔热防水功能、并叠加电池板形成的屋顶。企业资质角度,从事光伏屋顶工程仅需工程施工资质,光伏幕墙工程额外有专业资质要求 (建筑幕墙工程专业承包资质和设计专项资质),因额外的资质要求,可从事光伏幕墙工 程的企业数量明显少于可从事光伏屋顶工程的企业。

经济性角度,目前光伏屋顶经济性更优,核心源于组价投资成本较低与光照利用小时数较 高。我们以地处昆明市云南师范大学呈贡校区(东经 102°51′,北纬 24°51′)的能源 与环境科学学院大楼南立面幕墙与图书馆屋顶项目为例(组件均面向南方,偏东 18°), 测算得到光伏幕墙、光伏屋顶系统 25 年寿命周期的发电量分别为 21.0kWh/Wp、 28.7kWh/Wp,产生的收益(扣除运维与初始投资成本)分别为 1.1 元/Wp、4.1 元/Wp。市场空间角度,短期光伏幕墙市场空间仍小于光伏屋顶,或有较多扩容空间。我们测算 2022-2025 年BIPV光伏幕墙新增市场空间总计约为375亿元,其中办公及商服为主要新增幕墙场景;BIPV屋顶新增市场约为555 亿元,存量改造市场2,253 亿元,合计 2,808 亿元。光伏屋顶新增市场中,住宅由于可安装面积基数较大,仍占主导,公建、厂房仓库渗 透率或持续维持高位提升。