01
BIPV幕墙发展的必然性
光伏发电的定义
光伏发电（Photovoltaic Power Generation）是利用半导体界面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能的一种技术。能够发生光伏效应的组件即为光伏组件。
/ 光电转化示意图 /
BIPV定义
建筑与光伏一体化（Building-Integrated Photovoltaics, BIPV）是指将光伏组件整合到建筑的外围护结构中，如屋顶、幕墙、遮阳板等部分，使得建筑外围护结构在满足自身保温、遮阳等功能要求的同时，亦能够通过光伏组件产生电力。BIPV系统需与建筑同步设计、同步施工、同步验收。
BIPV的意义
光伏能源系统主要分为集中式光伏能源系统和分布式光伏能源系统。集中式光伏能源系统主要是在沙漠、戈壁、山地、水面等场地集中建设的光伏电站，所获电力直接并入国家电网，国家电网通过接入高压输电系统供给远距离负荷。应用形式包括大型地面电站、农光互补、林光互补、水光互补项目等。集中式光伏电压等级高，一般为35千伏或110千伏电压并网，具有占地面积大、输送距离远、投资大、建设周期长等特点。而分布式光伏能源系统是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，一般建于用户附近建筑上，可就近发电、并网、转换、使用，可解决电力在升压及长距离输送过程中的损耗问题。分布式光伏电压等级低，一般是380V电压并网，具有占地面积小、输送距离近、投资小、建设周期短等特点。分布式能源系统又可进一步细分为BAPV（建筑附加光伏系统）和BIPV（建筑一体化光伏系统）。BAPV常单独设置在建筑的屋顶，而BIPV形式多样，可设置成建筑光伏幕墙一体化、光伏采光顶一体化、光伏遮阳板一体化等。
在当前社会发展状态下，城市集中修建地面光伏电站显然是不现实的，而BIPV分布式光伏系统可以利用城市建筑立面等部位设置光伏，在不额外占用城市土地资源的前提下，以较低边际投入，有效降低建筑建造及使用过程中温室气体的排放量，同时降低能源账单，抵消建材花销，减少电力运输损失。
/ 集中式光伏 /
/ BAPV示意照片 /
/ BIPV示意照片 /
我国BIPV发展情况
国内BIPV发展迅速，得益于光伏相关政策。2008年至今，2次批复电价、2次特许权招标、8次发布标杆电价（指导电价）、11个电价文件、13次电价调整……通过电价的调整和规范的完善，进一步提高了BIPV系统的安全性，推动BIPV产业健康发展。
/ 国内光伏发展进程（政策角度）/
02
BIPV幕墙技术的现状、问题及改进
BIPV技术现状
BIPV系统常规由光伏阵列（光伏组件-发电设备、光伏支架等）、逆变器（电力转换设备）、并网汇流柜（接入电网设备）、本地负荷（耗电设备）组成，并根据业主需要设置并网系统，接入电网。
/ BIPV并网（本地即时用）系统 /
光伏系统中最重要的就是光伏电池，而光伏电池根据原材料可以大致分为硅基电池、非硅基电池和新概念电池，目前市面上较为常见的光伏电池为单晶硅电池、碲化镉和铜铟镓硒薄膜电池。
/ 电池分类 /
BIPV实践过程中的问题及解决策略
建筑效果不佳：粗制、不美、不和谐
解决策略——从建筑设计角度，在建筑设计初期需综合考虑光伏，结合光伏表现力，实现外观与发电的协调。从组件角度，对光伏面板进行优化设计。从施工角度，明确施工程序及施工标准，以高质量要求来把控项目效果。
安全性不足：连接结构、组件、电气安全性不足
解决策略——进一步完善建筑等相关专业与光伏的结合标准。针对结构安全性，面板采用双玻结构，必要时设置加强层以保护面板安全性（如冰雹高发区），沿海等风压较大的地区需设置抗风揭措施等。针对电气安全性，设置直流拉弧检测及组件级快速关断措施。
建筑物理指标不达标：透光率、遮阳效果不达标
解决策略——在建筑设计时可考虑综合遮阳措施，如增加室内遮阳措施，以降低光伏面板的遮阳参数要求，扩大光伏面板选择范围；光伏面板也可与电致变色玻璃集成，通过集成构件来实现室内环境的动态控制；还可以协调绿建设计，调节项目其他部位参数来放松光伏部位的限制。在建筑立面采光部分，集成光伏时需分析对采光的不利影响，通过合理配置采光系数、光还原系数来满足建筑的采光需求。
发电量不及策划：系统设计、组件选型不合理
发电量计算公式如下：
Q = 光通量×Sarea（光伏面积）×Rβ（有效光照系数）×ηsystem（系统效率）×ηmodule（面板效率）×时间
根据计算公式可知，影响能效的主要因素有光照条件、安装倾斜角度、光伏组件性能、连接入网系统效率，故为保障BIPV系统发电量，应有以下措施：
解决策略——前期发电量估算时，应充分考虑使用过程中的各类情况，对光伏发电量进行折减；并在光伏系统设计时，尽量选择抗PID的组件，综合考虑使用场地的气候条件及场地特性来选择光伏组件，同时尽量简化系统，避免线缆过长，降低系统损耗。
BIPV实践过程中的关注点
安全设计——面板夹胶层、玻璃的选择。BIPV光伏面板在使用过程中通常环境较为复杂，在设计时不仅要考虑风压、雪压等荷载的影响，还要考虑因发电引起的环境温度变化对面板的影响。为了保障面板在使用过程中的安全性，需选择合适、安全的玻璃厚度及夹胶层。根据《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》夹层玻璃应采用PVB等抗穿透胶片。同时要通过计算，合理地选择玻璃类型及厚度。
/ PVB Vs. EVA /
防止过热——通风降温设计。BIPV光伏系统在运行时，光伏面板会发热，故而在BIPV系统设计时，应有适当通风等降温措施，避免因温度过高引起发电效率下降。
/ 温度过高引起的功率下降、光伏通风 /
长寿命——减少热斑效应。在前期方案的光伏方案讨论时，应进行阴影遮挡分析，尽量在阴影遮挡少或无遮挡位置布置光伏，减少热斑，避免影响光伏发电；在细化光伏方案时，应注意光伏面板选型，尽量选择热斑效应小的光伏芯片，如碲化镉等，即使面板存在遮挡，受遮挡部位附近的温度也相对低，更安全；在光伏系统投用后，应注意定期清理光伏面板，避免灰尘、落叶等遮挡光伏面板。
/ 日照阴影分析 /
/ 光伏面板清理 /
单晶硅（左图，最高温度113.7℃）和碲化镉（右图，最高温度72.6℃）的热斑效应对比
/ 光伏面板热斑效应比对图 /
维护方便性——电气设计和布线。在前期进行光伏电气设计时，应考虑系统投用后的电气系统维检方案，尽量将敷设光伏线缆的线槽、桥架等设置在便于维检的吊顶等部位。
/ BIPV走线实景 /
03
BIPV幕墙演化过程及启发
BIPV演化过程
第一代BIPV：1980s - 1990s
第一代BIPV产品主要是在建筑外部安装传统的玻璃幕墙式太阳能电池板，这些产品的优点是易于安装、维护，缺点是外观不够美观，不能满足建筑师对设计的要求。
第二代BIPV：2000s - 2010s
第二代BIPV产品开始将太阳能电池板集成到建筑的外观中，以达到更好的外观效果。这些产品的例子包括太阳能屋顶瓦片和太阳能玻璃。这些产品更加美观，但成本更高
第三代BIPV：2010s 至今
第三代BIPV产品的重点是实现更高的能源转换效率、更低的成本以及集成更多功能。这些产品主要集成在建筑的外墙、窗户、屋顶和阳台等部位。目前，第三代BIPV产品的成本正在逐渐降低，使其更具吸引力并且更广泛应用于建筑行业。
启 发
BIPV从单一光伏构件，逐渐与其他构件集成，形成构件复合导向。BIPV构件不再局限于发电，还可以与建筑遮阳、余热利用等技术结合，降低光伏对建筑效果的影响，拓展建筑节能的维度。从整合设计导向到构件复合导向，BIPV可进一步优化设计，控制建筑整体节能，降低建材成本。（如光伏和电致变色玻璃集成，即光伏电致变色集成，兼顾发电和调节采光的功能；光伏和相变材料集成，即光伏相变材料集成，兼顾发电和调节温度的功能。）
/ 光伏电致变色集成 /
/ 光伏相变材料集成 /
04
BIPV幕墙适应性集成案例
整合设计导向下的BIPV
光伏系统由单一的立面替代元素，拓展在室内通风采光控制、建筑完成效果等多方面深度介入，形成各内容整合的设计内容。
【实践案例】
临港顶科实验大楼：全国首个“科学家社区”城市单元——世界顶尖科学家社区（WLA）人工智能实验室。该项目为超低能耗建筑，采用光伏遮阳集成策略。采光顶部位设置了碲化镉BIPV系统，兼顾发电、采光和遮阳功能，遮阳系数可降至0.2，年总发电量约31万度。
/ 临港顶科实验大楼实景 /
/ 光伏面板构造 /
/ 不同除膜率的光伏面板效果 /
临港D07-02项目：超低能耗建筑，采用光伏集成策略，设置了深灰色单晶硅立面层间部位光伏幕墙BIPV、屋顶光伏BAPV等。光伏总面积约4000平方米，年总发电量约54万度。
/ 临港D07-02项目 /
/ 深灰色单晶硅面板 /
江南新兴产业集中区电子信息产业园：综合产业园区项目，采用光伏集成策略，设置了碲化镉光伏幕墙（BIPV）、屋面光伏（BAPV）等。立面光伏应用面积约18000平方米。
/ 江南新兴产业集中区电子信息产业园 /
/ 碲化镉光伏幕墙（BIPV）对应模型 /
新桥机场二期：目标为绿建三星，采用光伏集成策略，多部位设置光伏，兼顾发电、采光和遮阳功能：登机桥顶部设置了2384毫米*1304毫米单晶硅面板，立面设置了1200毫米*1200毫米的夹胶中空碲化镉光伏幕墙；航站楼顶部设置了900毫米*3600毫米的夹胶中空碲化镉光伏采光顶，集发电、采光、遮阳、保温于一体；航站楼立面设置了3600毫米*1200毫米夹胶碲化镉光伏百叶，在保证室内遮阳的同时，进行光伏发电。
/ 新桥机场二期效果图 /
/ 登机桥BIPV幕墙 /
/ 航站楼BIPV遮阳百叶、BIPV采光顶 /
/ BIPV幕墙图解 /
构件复合导向下的BIPV
光伏产品应当从能源构件的束缚中解放出来，同时可以结合建筑细部，并针对使用需求进行优化。该导向下的光伏构件通常有多重功能。
【实践案例】
新展馆Pavillon Novartis：瑞士诺华展馆零能耗媒体立面，“媒体皮肤变成一个零能量的立面”。采用光伏灯光集成策略，共有10000块菱形有机光伏板和30000颗嵌入式LED，有机光伏板所生产的电能负责LED灯光秀，兼顾发电、泛光和传递信息功能。LED不仅向外发光，而且还向下方金属外壳的方向发光——使它们的光通过半透明的太阳能模块反射和闪烁，进一步提高光伏发电量。
/ 光伏灯光集成 /
/ 测试样板 /
/ 竣工实景 /
05
总 结
随着光伏与建筑深度集成技术的发展，以及节能低碳标准的不断升级，在建筑表皮领域，BIPV建筑光伏一体化和BIPV/T建筑光伏热一体化等技术将得到更为广泛的应用。为了推动BIPV建筑光伏一体化的发展，需提高光伏幕墙的集成度，以下几项技术是值得关注的：
进一步提高光伏集成建筑美学协调性——优化光伏面板的表现性能，使其能满足不同建筑要求；优化光伏接线盒、线缆等构件，使其能在保证安全的前提下，尽量隐藏。
光伏面板抗过热——光伏面板在光电转化过程中容易出现过热情况，从而降低光电转化效率减少发电量。为保障建筑外观效果和光伏产能，需关注光伏面板抗过热性能的研发。
光伏被遮挡条件下的高效、安全使用——光伏面板在受到局部遮挡的情况下，容易局部过热而产生安全隐患。为安全使用光伏系统，需在进行光伏集成设计时考虑热斑效应小的组件；同时光伏电气系统应有相应的关断措施，避免局部电气故障影响整体。
提高光伏组件及系统效率措施——采用通过自动跟踪提高组件的年辐照度、自动化清洗降低发电损耗等措施，保障光伏系统发电量。
其他——除上述四个关注点外，BIPV系统的物理性能、经济价值也是BIPV适应性发展瓶颈，有待进一步研究。
综上，BIPV表皮设计，不是被动符合规范的过程，而是主动创造新型生产能量表皮的过程。合理采用BIPV表皮设计，可以有效降低建筑生命周期内的碳排放，实现真正的“正能量建筑” 。
/ 建筑类型发展 /
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