BIPV（光伏建筑一體化）

BIPV(Building Integrated Photovoltaic)光伏方陣與建筑集成(光伏建筑一體化)，指的是光伏發電系統與新建筑物同時設計、同時施工和同時安裝并與建筑相結合，在建筑屋面施工時直接在屋面安裝光伏發電系統支架配件、光伏發電組件單元板和其他電氣設備，做到光伏板與建筑屋面墻面有機結合，光伏板成為建筑圍護結構的一部分，相對BAPV的主要優勢是一次性完成投資建設的模式、應用場景拓寬、占地空間及結合度顯著優化、代替部分建材并降低系統成本。具體而言，光伏組件與屋頂瓦片、建筑幕墻、天窗、采光頂等相結合，光伏器件與建筑材料集成化，實現建材發電，具體安裝形式包括光伏屋頂、光伏幕墻、光伏遮陽板、采光頂、陽臺護欄、墻體式組件代替普通玻璃幕墻或高速路隔音墻。BIPV是一種將太陽能發電設備集成到建筑和建材上的技術，屬于分布式光伏電站的一種類型。BAPV(BuildingAttachedPhotovoltaic)概念的出現主要是為了區別于BIPV，實際上BAPV就是已經發展多年的屋頂分布式電站及其簡易變形。

建筑光伏一體化的最早應用應該推演到衛星和國際空間站上，衛星上的光伏發電結構是光伏與結構一體化的最早雛形。

1967年，日本MSK公司最早提出建筑光伏一體化產品。日本MSK是是全球最頂級的高科技材料公司。MSK將透明前后板加工成半柔性和輕量化光伏組件用于粘貼在屋頂和墻面上，是最早的BIPV技術商業應用概念的開拓者，也是輕量化光伏發電設備的鼻祖。

2004年，夏普就開始在美國和歐洲地區開設工廠生產光伏組件。于2004年前后在美國建成當時最大的太陽能電池配裝公司，并把自己生產的太陽能電池板安裝在英國曼徹斯特的摩天大樓幕墻上，還斥資建立了自己的太陽能研究院。此時夏普的技術路線是采用印刷型薄膜電池技術制造BIPV產品。2016年該業務進入困境，出售給臺灣的富士康母公司鴻海。

2009年臺灣高雄世運會主場館螺旋造型的BIPV屋頂落成，總裝機容量1MW。屋頂面積21000平方米，共輻射8844片BIPV模組，由臺灣納米龍科技設計研發和制造。

2010年，中國無錫尚德總部研發大樓玻璃幕墻BIPV示范項目落成。當時全球最大單體BIPV示范項目，幕墻面積6900平方米。

2013年底，保定英利投資的電谷錦江酒店BIPV示范項目落成。1.5MW各類BIPV產品安裝在酒店屋頂和外墻，窗戶等位置，該項目也是當時中國最大BIPV示范項目，應該也是至今可以看到公示報告的最大單體BIPV示范項目。

2014年10月，漢能北京總部BIPV一體化總部大樓落成。600KW裝機量，以BAPV為主，裝飾性薄膜玻璃電池組件。

2016年10月，美國的特斯拉/Solarcity發布BIPV的屋頂瓦片。僅瓦片售價大約：25元/W。能量密度80-90w/m2。

2018年4月，中國的漢能在北京大會堂隆重舉行發布漢瓦產品。售價大約：13元/W。容量密度80-85w/m2。

2018年6月，來自硅谷的合資公司HeliosPower赫里歐新能源科技有限公司發布第二代智能BIPV產品。售價大約700-800元/平方米，系統造價僅僅4.5-5.0元/瓦，而容量密度高達160-170w/m2。全投資投資收益率(IRR)在中國主要工業廠房屋頂上，在自發自用模式，高達IRR=12-16%以上。

根據《綠色建筑的當下與未來：BIPV、裝配式建筑及鋼結構》，BIPV是應用太陽能發電的一種新概念，簡單地講就是在建筑施工期間，將光伏發電陣列安裝在建筑圍護結構等外表面或直接作為材料本身構成建筑結構，經一次性設計、建設完成，從而實現與建筑的有機結合，并提供電力。

BIPV的發電系統分為獨立發電和并網發電兩種：(1)離網發電系統：指光伏系統產生的電能供建筑直接使用，系統運作類似蓄電池；(2)并網發電系統：光伏系統與公共電網相連，隨日照強弱與電網之間進行電能雙向交互，從而保證持續供電。目前，對于并網發電系統的應用更為廣泛，原因在于并網發電系統擁有更加穩定的電力可續性，解決了光伏發電因日照變化而具有的不穩定性。

BIPV的技術路線主要分為兩種：(1)光伏陣列與建筑的結合。這是目前最常用的BIPV方式，主要是將光伏陣列與建筑屋面結合，例如：光電屋頂、光電幕墻和光電車棚等。(2)光伏方陣與建筑的集成。這是BIPV的一種進階形式，對于光伏組件的要求較高，其不僅要滿足光伏發電的功能要求，同時還要兼顧建筑的基本功能要求。簡單來說，就是用光伏器件代替部分建材結構，如屋頂和圍護結構等。

BIPV具體技術路線可分為光伏平屋頂、光伏斜屋頂、光伏遮陽板、光伏幕墻、光伏遮陽板等。光伏屋頂領域的代表建筑企業包括森特股份、精工鋼構、東南網架等，光伏幕墻領域的代表建筑企業包括江河幕墻、瑞和股份、嘉寓股份等。

光伏平屋頂：將光伏組件應用到屋面，滿足安全、抗風壓、防水防雷、采光要求。采用透光性優良的光伏元件(如薄膜太陽能電池)，一般組件透光率為10%～15%。與建筑物完美結合，兼作采光頂屋面，不影響建筑設計藝術性；標準光伏組件，性能好，成本低。

光伏斜屋頂：與平屋頂安裝方式及要求基本相同，其中南向斜屋頂BIPV具有較好的經濟性。最佳角度下可以獲得最大或者較大發電量；標準光伏組件，性能好，成本低。

光伏遮陽板：光電板安裝角度始終與太陽輻射角度垂直，有利于光電板最大限度地接收太陽輻射，提高光電轉化效率。阻擋陽光進入室內，有利于控制和調節室內溫度，降低建筑物空調耗電，起到節能減排作用；光電板作為一種新型的建筑遮陽構件，節約遮陽材料，豐富建筑外觀。

光伏幕墻：光伏幕墻與傳統玻璃幕墻的構造方式基本相同，兼具傳統玻璃幕墻的采光、遮陽、保溫、抗風壓等性能，比傳統玻璃幕墻更加節能。不透明幕墻多采用單晶硅和多晶硅組件，具有較高的發電效率；半透明幕墻多采用非晶硅薄膜電池，優點包括透光率高、價格低、生產方便，缺點是光能利用率低

光伏車棚：晴天時太陽能發電優先給電動車充電；陰雨天切換到市電給電動車充電，且充電不需要蓄電池儲能，太陽能發出的電逆變后直接使用。遮風擋雨，同時可將太陽能完全吸收為電動車充電

(1)建筑外觀：BAPV屋面在彩色壓型金屬板上面后期安裝支架和光伏電池板，屋面較凌亂，整體性較差。BIPV屋面把光伏陣列利用納入建筑的總體設計，將建筑、技術和美學融為一體，既可防陽光直射和雨水侵蝕，又不會影響建筑物的外觀效果。

(2)設計壽命：BAPV屋面的光伏發電組件因為全部處于露天環境，長期風吹雨打，壽命一般在20年，最多不超過25年。BIPV屋面的光伏發電組件只有屋面暴露在外，有良好的密封環境，BIPV光伏組件封裝用的膠為PVB，而PVB膜具有透明、耐熱、耐寒、耐濕，機械強度高等特性，并已經成熟應用于建筑用夾層玻璃的制作，能達到50年甚至更長的使用壽命。

(3)屋面受力：BAPV屋面的壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)與后置的光伏電池板的受力復雜，金屬板和光伏電池板既有風載正壓也有負壓，光伏電池板受力通過支架傳遞到壓型金屬板，長期的風載作用和變形會產生疲勞效應，影響結構安全。BIPV屋面只是單純的屋面，結構受力清晰，結構安全性高。另外，該系統采用雙面玻璃組件，鋼化玻璃的厚度符合國家建筑設計規范，是通過嚴格的力學計算得出，能夠滿足屋面安全性要求。

(4)防水可靠性：BAPV屋面在壓型金屬板(彩鋼板或鋁鎂錳板)屋頂安裝完畢后，后期屋面二次上人安裝光伏組件等設備，會因為吊裝、施工踩踏、長期光伏自重荷載和局部設備超載，從而造成彩鋼板或鋁鎂錳板永久沉降形變，造成后期隱患性漏水并且難于檢修和發現漏點。BIPV屋面系統主要采用憎水性玻璃面板與主水槽、防水密封等形成屋面防排水系統，屋面構造、泛水包邊、采光帶等采用模塊化組合構成，主水槽等受力構件采用卡扣式零穿孔連接，組件與組件(或踏板)間使用可靠的密封扣條進行固定和密封，泛水包邊采用對焊連接，系統設計帶有防震動體系，避免了漏水的隱患。

(5)施工難度和速度：傳統鋼結構后置式光伏發電屋面分二期施工，施工周期長。直立鎖邊鋁鎂錳屋面板施工難度大。光伏建筑一體化屋面施工難度小，安裝速度快，工程進度有保障。在完成支架和水槽施工后，每人每天至少安裝40平(25塊組件)。

光伏建筑一體化將太陽能應用技術推向了一個新的階段，將建筑物的屋頂和幕墻集成光伏組件，將綠色的太陽能轉換成可供利用的電力供給建筑物使用或者并網，其將太陽能應用從空曠的場地推向了城市，大大提高了太陽能的普及應用，從建筑、技術和經濟性來講，BIPV技術有著諸多優點：

(1)建筑物自身產生清潔無污染的綠色能源，大大減少甚至使建筑物零能耗；

(2)建筑物與光伏組件有機結合，節省了單獨放置光伏電池板的額外空間，光伏組件與建筑材料結合可以節省建筑物材料，節省了建筑耗材并且使得建筑物更美觀；

(3)由于光伏組件安裝在建筑物遮陽面，吸收了大部分的太陽光照從而可以降低建筑物室溫，減輕室內空調調溫系統的負荷；

(4)緩解了傳統化石能源的短缺問題和燃燒化石能源給環境帶來的污染，減少溫室氣體的排放，有著非常重要的環保意義；

(5)光伏建筑除了滿足自身的耗能，而且可以把多余的能量輸送給電網。

根據《BIPV行業深度報告(一)：建筑光伏風口已至BIPV市場空間廣闊》，BIPV按材料可分為晶硅型和薄膜型。晶硅型BIPV使用的仍是傳統的單晶硅或多晶硅光伏板，光伏組件是使用EVA或者PVB膠膜，在多層鋼化玻璃中間封裝的晶體硅電池片。隨著光伏行業的發展，晶體硅類的轉換效率不斷提高，目前單晶硅的轉換效率最高可達26%，普遍單晶組件的轉化效率也可以達到18%；多晶硅的轉換效率略低，平均在16%左右。主要應用于沒有透光需求的光伏屋頂項目；而對于透光有要求的屋頂或建筑立面項目，需要使用薄膜型的碲化鎘(CdTe)或銅銦鎵硒(CIGS)電池。薄膜電池普遍具備更佳的弱光性和溫度系數等優勢，可在弱光等環境中廣泛應用。

BIPV產品按表現形式來看可分為建材型和構件型兩種形式。“建材型”BIPV一體化更加完善，將光伏電池完全融合進建材中，從外觀上可能與傳統建筑材料差別不大；而“構件型”BIPV偏向標準化產品，從外觀上較易與傳統建材區分。理論上，“建材型”BIPV是成熟的BIPV產品實現完全--體化之后的最理想形式。如特斯拉的光伏屋頂瓦片SolarRoof，直接將電池片作為瓦片安裝在屋頂上，外觀與傳統屋頂幾乎沒有區別。但這樣完全失去了鋼結構的輔助，對光伏瓦或光伏磚本身的材料強度和性能提出了更高的要求，同時也要求光伏組件有更高的定制化特征以適配不同的建筑需求，難以形成標準化生產，成本較高，短時間內還難以向市場推廣。

(1)安全性需求：同時滿足IEC61730、IEC61646與IEC61215標準中對組件的安全性要求，具備良好的溫濕度性能、機械性能、力學性能與電絕緣性能

(2)可靠性需求：光伏組件同時承擔建材功能，需達到建筑的隔音、導熱、透光等基本參數要求，保證建筑的抗風性能、氣密性、水密性等

(3)安裝要求：安裝時需考慮組件自身的散熱問題，并采取措施避免光伏設備受到陰影遮擋壽命要求保證運行時間，應確保組件在使用過程中的耐熱、耐濕、耐沖擊及耐寒能力

(4)設計需求：空間小，必須隱蔽布線；需要考慮走線方式和設計走線槽以及測試點，避免因建筑結構影響接線處，不會因為建筑本身立柱或橫梁的遮擋影響施工

(5)外觀需求：應考慮組件的整體外觀，使其無論從形式上，還是從顏色上，都能和建筑物整體相協調

(1)BIPV屋頂：BIPV組件安裝在屋頂上，形成光伏屋面、光伏采光頂、光伏瓦屋面、光伏金屬屋面等。光伏組件屋面：BIPV組件作為屋面保護層，是一種新型的坡屋面形式，適用于新建坡屋面和平改坡屋面。光伏瓦屋面：光伏瓦或光伏組件以瓦的形式鋪裝，是一種新型瓦材的瓦屋面形式，適用于新建瓦屋面和傳統瓦的改造。光伏采光頂：BIPV組件作為采光頂的玻璃面板，是一種新型的玻璃采光頂形式，適用于建筑采光頂。光伏隔熱層屋面：在BIPV組件下設置空氣間層，可以實現屋面在夏季隔熱作用，適用于平屋頂增加隔熱層

(2)BIPV幕墻：BIPV組件還可以在建筑外墻上替代傳統幕墻，形成光伏幕墻、光伏窗間等.BIPV組件直接作為幕墻面板，與支承結構共同構成光伏幕墻，適用于透光和不透光建筑幕墻。

(3)BIPV遮陽：BIPV組件與建筑遮陽結合，形成光伏外窗遮陽、光伏屋檐遮陽、光伏雨篷遮陽、光伏長廊遮陽，以及停車棚、公交站亭、過街天橋、體育場看臺等光伏遮陽。具體包含以下：光伏外窗遮陽：BIPV組件直接作為外窗遮陽板，適用于建筑外窗遮陽。光伏雨篷：BIPV組件直接作為雨篷面板，適用于建筑雨篷。光伏外廊：BIPV組件直接作為外廊頂棚，適用于建筑外廊。光伏看臺遮陽：BIPV組件直接作為看臺遮陽板，適用于體育場看臺。光伏陽臺(一體)：BIPV組件直接作為陽臺欄板，適用于建筑陽臺。

(4)BIPV溫室：BIPV組件與農業溫室結合，形成光伏溫室室外光伏：BIPV組件安裝于建筑室外，作為建筑的附屬物或設施。具體包含以下：光伏車棚：BIPV組件直接作為車棚頂棚。光伏車站：BIPV組件直接作為車站頂棚。

(5)光伏場館：在屋頂、幕墻等均融合了BIPV光伏材料的體育場館、展會展館、科技館等建筑。

參考資料：

建材行業專題報告：建筑、光伏深度融合BIPV加速發展-210823(37頁).pdf

【研報】建筑裝飾行業：BIPV行業深度昨夜江邊春水生蒙沖巨艦一毛輕-210312(56頁).pdf

BIPV行業深度報告(一)：建筑光伏風口已至BIPV市場空間廣闊

【精選】2021年光伏行業BIPV市場發展展望分析報告（20頁）.pdf

【精選】2021年中國BIPV行業發展前景與減碳潛力分析報告（56頁）.pdf

【研報】建筑裝飾行業：綠色建筑的當下與未來BIPV、裝配式建筑及鋼結構-210322（36頁）.pdf