BIPV 技术：给建筑装上 “绿色发电站”

一、光伏发电与建筑的 “奇妙联姻”

在如今这个追求绿色环保和可持续发展的时代，光伏发电与建筑相结合成了热门话题。这其中，分布式光伏发电又是最主流的应用形式，发展前景十分广阔。根据中国光伏行业协会的数据，到 2023 年，这种结合形式的分布式光伏发电项目，占全国分布式光伏发电项目总量的八成，未来大家对它的需求还会持续增加。

光伏发电和建筑结合主要有两种方式。一种是在现有的建筑上安装光伏发电系统，也就是 BAPV。这种方式就像是给建筑 “穿” 上一件发电的 “外套”，它不会影响建筑原来的功能，不过也没办法替代建筑本身的一些作用。另一种就是咱们今天要重点聊的光伏建筑一体化，也就是 BIPV。它是把光伏组件和建筑在设计、施工和安装的时候就整合到一起，让光伏组件成为建筑外部结构的一部分，既能够发电，又能当作建筑材料来用，就像是给建筑注入了发电的 “超能力”，这可是实现建筑超低能耗、近零能耗甚至产能的重要手段，被认为是未来分布式光伏发电的主要发展方向。

 

BIPV 技术有不少优点。首先就是节能环保，用光伏组件发电，能减少对化石能源的依赖，降低环境污染。其次，它还能节省土地资源，把发电功能和建筑功能合二为一，特别适合那些人口密集、土地资源紧张的地方。而且，BIPV 技术还能满足建筑美学的要求，可以根据周边环境选择合适外观颜色的光伏组件，让建筑和周边环境完美融合。

接下来，咱们就深入了解一下 BIPV 技术里关键的光伏组件，看看它都有哪些类型，在实际应用中又是什么样的。

二、三类光伏组件：各有 “神通”

按照光伏发电技术的发展，光伏组件大致可以分成三类，分别是晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件，还有以钙钛矿光伏组件和染料敏化光伏组件为代表的新型光伏组件。这几年，薄膜光伏组件和钙钛矿光伏组件的光电转换效率提升得特别快，在 BIPV 领域的应用也越来越多，成了大家研究的热点。

（一）晶体硅光伏组件：“老牌选手” 有优势也有挑战

晶体硅光伏组件算是光伏领域的 “老牌选手” 了。2023 年，单晶硅太阳电池在实验室里的最佳光电转换效率能达到 26.7%，商用的也能有 24.0%；多晶硅太阳电池实验室最佳效率是 24.7%，商用的能达到 22.4%。这么高的转换效率，让它在 BIPV 领域有一定的应用优势。就拿欧洲 BIPV 市场来说，光伏屋顶的建筑材料里，九成用的是晶体硅光伏组件；建筑立面结构中，也有 56% 用的是它。 不过，晶体硅光伏组件也有一些问题。它的透光率比较低，颜色也比较单调，而且很难做到轻量化。这些缺点限制了它在 BIPV 领域的进一步发展。要是想让它在 BIPV 建筑中大规模应用，就得想办法解决这些问题。

（二）薄膜光伏组件：潜力十足的 “后起之秀”

薄膜太阳电池可是 BIPV 领域里潜力十足的 “后起之秀”，它有不少突出的优点。比如光吸收系数高，在弱光环境下也能有不错的表现，还可以制作成柔性的光伏组件。目前，碲化镉（CdTe）薄膜太阳电池和铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池已经成功商业化了。

 

CdTe 薄膜太阳电池结构和制备工艺相对简单，制造成本也比较低。美国 First Solar 公司作为薄膜光伏产品的龙头企业，多次打破 CdTe 薄膜太阳电池光电转换效率的世界纪录，2023 年达到了 22.1%，产业化平均光电转换效率也有 19.9%，每瓦制造成本在 0.25 美元以下，产能也很高。在全球，像美国 First Solar 公司、中国的凯盛集团和龙焱能源科技（杭州）股份有限公司，都能大规模量产 CdTe 薄膜光伏组件。

CIGS 薄膜太阳电池可以通过调节 In 和 Ga 元素的比例，让禁带宽度达到最佳状态，从而提高光电转换效率。从最初研发到现在，它的光电转换效率取得了很大的进步。2023 年，美国密歇根州立大学研发的 CIGS 薄膜太阳电池实验室光电转换效率高达 24.8%，美国 First Solar 公司研发的商用光伏组件效率也达到了 23.4%。日本 Solar Frontier 公司、美国 First Solar 公司和中国凯盛集团等企业，已经实现了 CIGS 薄膜太阳电池及其光伏组件的规模化量产，市场前景一片大好。

 

但是，薄膜太阳电池制成光伏组件后，因为夹胶、封装等工艺，会出现多层界面反射、电阻损失、光照不均等问题，导致光电转换效率下降，这也是它在 BIPV 领域进一步推广需要解决的难题。

（三）新型光伏组件：充满希望的 “潜力股”

染料敏化光伏组件是新兴的光伏组件技术之一，它有半透明、制造成本低、制备工艺简单、弱光性好等优点，在商业应用中逐渐崭露头角。在瑞士洛桑的瑞士科技会议中心和奥地利格拉茨的科学塔等著名建筑中，染料敏化光伏组件的规模化应用效果得到了验证。它对入射光角度的敏感度比较低，在温度升高的时候，甚至能有更高的光电转换效率。不过，从实验室走向产业化的过程中，它也遇到了一些阻碍，比如长期稳定性不太好，太阳电池尺寸也很难扩大来满足光伏组件的输出功率要求。

 

钙钛矿光伏组件是近年来光伏领域最具发展前景的新兴技术。从 2012 年相关研究报道以来，它的光电转换效率不断突破，2023 年已经达到 25.7%，发展速度比其他新型太阳电池快很多。而且，它还能和已经商业化的太阳电池结合，开发叠层太阳电池，进一步提高光电转换效率，目前钙钛矿 / 晶硅叠层太阳电池的光电转换效率已经达到 33.7%。不过，要想让它在 BIPV 领域大规模商业化生产，还得解决一些问题，比如提高太阳电池的稳定性，找到替代有毒 Pb 元素的方法，制备大面积的太阳电池等。

 

三、BIPV 技术的多样应用：让建筑变身 “发电站”

为了让光伏发电技术和建筑完美结合，设计人员需要考虑很多方面，像建筑外观、光伏组件安装要求、电力需求、发电效率，还有建筑美学等。在应用 BIPV 技术的时候，要根据建筑物的地理位置，确定光伏组件的最佳安装倾角、尺寸和位置，这样才能让光伏组件输出最佳电力。而且，降低建筑电力负荷也很重要，可以通过优化建筑物外围结构、增加采光时间、利用自然通风等方法来实现。BIPV 技术的应用范围很广，主要围绕建筑的幕墙、屋顶、窗户、围栏和遮阳棚等地方展开。

 

（一）光伏幕墙：建筑外墙的 “华丽变身”

光伏幕墙就是用 BIPV 组件代替传统的外墙材料或装饰材料，它既有传统幕墙的功能，又能发电，能让建筑拥有独特的风格。典型的光伏幕墙是把光伏组件固定在两块高透光率玻璃之间，再安装在建筑物外立面上。屋外的空气从幕墙底部进入，从顶部离开，这样能带走光伏组件发电产生的热量，降低组件表面温度，提高发电效率，延长使用寿命。在一些特殊场合，还会在光伏组件和建筑墙体之间加上风扇和风道，形成光伏 / 光热建筑一体化（BIPV/T）系统，把热量送到室内，降低冬季供暖负荷。

 

很多研究都表明，优化通风条件能提高光伏幕墙的性能。比如，有人通过优化空气流量，提高了 BIPV 建筑的发电输出功率；还有人发现强制通风能提升多晶硅太阳电池的光电转换效率。而且，不同类型的光伏幕墙也在不断创新。像双层光伏幕墙搭配人工通风，能提高建筑的热舒适度和能量收集效率；CdTe 薄膜光伏组件不仅能降低眩光效应，还不易产生热斑效应，很适合用于 BIPV 建筑；还有光伏预制混凝土（PVPC）幕墙，能让不平整的混凝土外墙变得平整；有一种由真空绝热半透明薄膜发电玻璃和低辐射涂层玻璃组成的光伏幕墙，传热系数很低，绝热发电性能超强。

 

现在市场上的光伏幕墙产品越来越注重外观设计，可以增加图案、纹理、颜色等，还能根据客户需求定制创意型的 CdTe 薄膜发电玻璃。以 CdTe 和 CIGS 薄膜光伏组件为代表的发电玻璃产业，正推动着中国 BIPV 技术快速发展。比如凯盛机器人智能装备研发中心的 400kW 光伏幕墙项目，用的就是凯盛科技集团自主研发生产的新一代薄膜发电玻璃，整个研发中心的办公用电都能靠这些绿色电力满足，给绿色低碳产业园区建设做了很好的示范。

 

（二）光伏屋顶：屋顶也能 “发电致富”

把光伏组件和屋顶材料集成在一起，就成了光伏屋顶。根据建筑材料的不同，光伏屋顶还能分成光伏采光顶、光伏瓦屋顶、金属光伏屋顶等。光伏屋顶不仅能节省屋顶的建筑材料费用，降低前期建设成本，还能延长屋顶的使用寿命。

 

研究发现，增加光伏组件发电过程中的通风量，可以提高发电效率。比如有人通过增加通风量，优化通风率和气隙，让多晶硅太阳电池的性能得到了增强；还有人研究了坡屋顶上阶梯式布置的光伏组件，验证了通风率对组件性能的影响。

随着 BIPV 技术越来越成熟，很多示范项目都落地实施了。像 8.5 代 TFT-LCD 超薄浮法玻璃基板生产线厂房项目，这是国内单体规模最大的薄膜 BIPV 应用示范项目，采用 “自发自用，余电上网” 的模式，大大降低了工业能耗指标，为实现建筑的能耗转变，打造绿色智慧能源试点城市做出了榜样。

（三）光伏窗及遮阳构件：采光通风与发电的 “完美结合”

采光和通风是窗户的重要功能。传统的光伏窗要是用不透明的晶体硅光伏组件，安装的地方就没法透光了；半透明的晶体硅光伏组件虽然能透光，但效果也有限。而薄膜光伏组件可以让光伏窗呈现透明状态，让室内采光更好。有人研究了半透明光伏窗中多晶硅光伏组件的最佳太阳电池覆盖率，以及不同窗墙比、透射率、太阳光入射角度等参数对光伏窗性能的影响。

 

光伏组件还能和建筑遮阳构件结合，形成各种光伏遮阳棚，比如外窗光伏遮阳棚、屋檐光伏遮阳棚和长廊光伏遮阳棚等。BIPV 技术和文洛式玻璃温室结合，还能形成光伏温室，既能发电，又能透光、集热，实现节能增效、增产增收。

 

四、两类光伏组件在 BIPV 场景中的 “较量”

现阶段，规模化量产的晶体硅光伏组件在光电转换效率上比薄膜光伏组件更有优势，在相同面积下，它能实现更大的装机容量，所以在集中式地面光伏电站里，晶体硅光伏组件的经济性更好。

但是在 BIPV 场景中，情况就不太一样了。BIPV 场景下的光伏组件首先要满足建筑物的造型和功能要求，没办法像传统光伏电站那样优先保证组件的朝向和安装倾角，这样一来，晶体硅光伏组件的发电效率优势就被削弱了。而且，晶体硅光伏组件外观颜色单一、透光率低，会影响建筑的美观和采光。另外，它在振动环境下容易出现隐裂，局部污渍遮挡还会产生热斑效应，影响 BIPV 建筑的可靠性和安全性。

相比之下，薄膜光伏组件在 BIPV 市场有自己的优势。它能响应更宽波长范围的太阳光线，有效工作时间更长，每瓦功率产生的电能更多，在非最佳安装倾角下，弱光发电的优势更明显。它的外观颜色可以定制，透光比例也能调节，应用起来更灵活。而且，薄膜光伏组件抗热斑性能好，局部遮挡造成的发电量损耗更少，不会因为热斑给建筑带来安全隐患。不过，目前薄膜光伏组件在经济性上还比不上晶体硅光伏组件，而且制备它需要的一些原材料是稀有金属，获取比较困难，稀土储量也限制了它的产量。

随着中国 “十四五” 规划对既有建筑节能改造提出要求，未来新建建筑和既有建筑改造的规模不断扩大，BIPV 市场的需求量也会持续增加，这对实现 “碳达峰” 目标意义重大。

五、BIPV 技术的未来展望：机遇与挑战并存

现在，光伏发电技术越来越成熟，国家政策也在大力推动 BIPV 技术的应用。2022 年 6 月，住房和城乡建设部和国家发展改革委联合发布方案，提出到 2025 年，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率要力争达到 50%。这说明 BIPV 技术大规模应用的条件已经具备，时机也成熟了。不过，作为新兴产业，它还有一些地方需要完善。

 

在标准化工作方面，虽然已经出台了一些规范，但是和 BIPV 技术相关的设计、施工、建筑等方面的国家标准、行业标准和规范，还有建筑标准图集等还不够完善，这会影响 BIPV 市场的进一步推广。 在市场接受度和认可度方面，也有待提高。一方面，在开发 BIPV 产品的时候，要充分考虑它的建筑属性，从设计阶段就把建材性能考虑进去，解决建筑行业和光伏行业之间的技术隔阂问题，提供整套的 BIPV 服务。另一方面，从应用端出发，分析不同场景的需求，提高 BIPV 产品的建材化水平，通过在优质示范项目中的应用，加大宣传力度。

未来，BIPV 技术要更注重光伏行业和建筑行业的融合。BIPV 产品不仅要提高光电转换效率，还要满足建筑材料的属性要求，比如气密、水密、抗风压、平面内变形性能等。要优化 BIPV 产品和逆变器、功率优化器等电力电子产品的适配性，提高 BIPV 建筑的安全性能。而且，BIPV 技术的应用不能只停留在光伏组件和建筑造型的统一上，还要借助储能技术和智能信息平台，实现光伏电力的供需平衡，最大程度降低建筑对化石能源的消耗，让建筑向低碳、零碳方向发展。

六、总结：BIPV 技术的发展之路

BIPV 技术把光伏组件和建筑结合在一起，有着巨大的发展潜力和优势。我们了解了三类可用于 BIPV 技术的光伏组件，它们各有优缺点，也都在不断发展进步。同时，BIPV 技术在建筑的幕墙、屋顶、窗户等地方都有广泛的应用形式，并且已经有了不少成功的示范项目。虽然目前 BIPV 技术还面临着标准化工作不完善、市场接受度不高等挑战，但随着技术的进步和政策的支持，它在未来一定会有更广阔的发展空间，为实现 “双碳” 目标，推动建筑行业和能源行业的可持续发展做出更大的贡献。