BIPV：不仅仅是太阳能组件

在过去十年中，PV的快速增长达到了每年安装的约100 GWp的全球市场，这意味着每年生产和销售约350至4亿个太阳能模块。但是，将它们集成到建筑物中仍然是一个利基市场。根据欧盟Horizon 2020研究项目PVSITES的最新报告，2016年仅约2%的已安装PV容量被集成到建筑表皮中。当认为70%以上的能源消耗时，这一微不足道的数字尤其引人注目。世界范围内生产的二氧化碳都消耗在城市中，所有温室气体排放中约有40%到50%来自城市地区。

为了应对这一温室气体挑战并促进现场发电，欧洲议会和理事会于2010年引入了关于建筑物能源性能的指令 2010/31 / EU，其概念为“近乎零能耗的建筑物(NZEB)”。该指令适用于2021年以后建造的所有新建筑物。对于要容纳公共机构的新建筑物，该指令已于今年年初生效。

没有指定要达到NZEB状态的具体措施。建筑业主可以考虑能源效率的各个方面，例如保温，热回收和节电概念。但是，由于建筑物的整体能量平衡是监管的目标，因此，要达到NZEB标准，建筑物内或建筑物周围的有功电能生产必不可少。

潜力与挑战

毫无疑问，PV的实施将在未来建筑物的设计或现有建筑物基础设施的改造中发挥重要作用。NZEB标准将是实现这一目标的一个驱动力，但并不孤单。建筑物集成光伏(BIPV)可用于激活现有区域或表面以生产电力。因此，不需要额外的空间即可将更多的PV带入市区。集成光伏发电产生的清洁电力潜力巨大。正如Becquerel研究所在2016年发现的那样，德国的BIPV发电在总电力需求中的潜在份额超过30%，对于更多的南部国家(如意大利)甚至约为40%。

但是，为什么BIPV解决方案在太阳能业务中仍然只发挥边际作用?迄今为止，为什么很少在建设项目中考虑它们?

为了回答这些问题，德国Helmholtz-Zentrum柏林研究中心(HZB)去年组织了一次研讨会并与BIPV所有领域的利益相关者进行了交流，从而进行了需求分析。结果表明，并不是缺乏技术本身。

在HZB研讨会上，来自建筑业的许多人都在执行新建或翻新项目，他们承认在BIPV的潜力和支持技术方面存在知识差距。大多数建筑师，规划师和建筑所有者根本就没有足够的信息将光伏技术集成到他们的项目中。结果，对BIPV的保留很多，例如诱人的设计，高昂的成本以及令人望而却步的复杂性。为了克服这些明显的误解，必须将建筑师和建筑商所有者的需求摆在首位，并且将对这些利益相关者如何看待BIPV的理解作为重点。

功能与风格

BIPV的特征在于，太阳能模块是建筑表皮不可或缺的一部分，因此成为多功能建筑元素。除了发电以外，该模块现在还必须承担建筑外墙的其他功能。

该图(右)说明了不同类型集成的一些示例。显然，传统屋顶装置的最知名替代品是太阳能模块，该太阳能模块在功能上和美学上都直接集成在屋顶上。因此，这些模块不仅可以发电，而且还可以充当屋顶，以防风雨。如果可见，则在倾斜的屋顶情况下，太阳能组件也会影响建筑物的外观。常规屋顶元件的多样性还需要形状，颜色和外观具有高度可变性的PV有源元件。需要大面积，均质的玻璃-玻璃模块，以及小型系统，例如屋顶瓦片，其形状和颜色与常规屋顶瓦片完美匹配。

类似的标准对于用作外墙元素的太阳能组件也有效，但是在这里，美学品质尤为重要。有各种类型的PV活性立面。作为通风冷立面安装的太阳能模块可以很容易地替换通风幕墙的传统元件。但是也可以将解决方案用作温暖的立面元素，例如直接粘贴到立面上。除了具有防风雨功能外，隔热层或隔音层是PV主动立面元素可以提供的其他属性。

关于立面元素的美学功能，市场上已经有不同的概念。彩色模块的范围从无烟煤/黑色到灰色，蓝色，绿色，黄色甚至“金色”。例如，可以通过使用包含纳米层结构的特殊前玻璃来实现这些颜色。重要的是，这种类型的模块的功率输出不会被过分降低，与具有透明前玻璃的传统模块相比，其初始功率输出可达到80%以上。

替代使用这种特殊的前玻璃是陶瓷印刷。该技术实现了均匀的颜色以及架构师喜欢的另一个功能：可以在模块顶部打印几乎任何结构或图片的潜力。实际上，此功能可使观察者几乎看不到组成模块的太阳能电池。但是，这种打印确实会更强烈地影响最终功率输出。但是由于太阳能电池几乎完全不可见，该技术也可以应用于高功率晶体模块，因此可以用作具有高美学价值和高功率的建筑元素。

创建彩色BIPV元件的第三种技术是使用彩色箔。这项技术的成本更低，更重要的是，它几乎允许任何颜色。由于此功能，瑞士电子和微技术中心(CSEM)的研究人员能够开发白色太阳能电池组件。原则上，这种发展可以“激活”世界上大量存在的常规白色立面。

将太阳能电池或模块集成到遮光元件中是一种将防晒和能源生产结合起来的有吸引力的方法。例如，这可以通过使用具有非常薄，均匀覆盖的活性光伏材料的玻璃来实现。诸如有机半导体(OPV)，CIGS(铜铟镓硒化物/亚硫酸盐)或薄膜硅之类的薄膜技术非常适合此类应用。

替代地，如果将结晶硅电池布置成玻璃-玻璃模块中的图案或在电池之间具有较大间隙，则也可以通过使用结晶硅电池来实现半透明。此概念与立式玻璃幕墙一起用于头顶安装的系统中。它也可以安装在可移动的遮阳装置中，以减少一天中的某些时间的日照。

所有这些方法都证明了BIPV太阳能模块可以提供附加功能并解决美学问题的方式，从而使它们对建筑师更具吸引力。但是，与常规的产量优化模块相比，它们还伴随着一定程度的功率输出降低。尽管存在功率损耗，但美学和功能优势仍使它们对建筑行业具有吸引力，而建筑行业对发电优化的重视程度则大大降低。鉴于此，BIPV元素应相对于常规的非电活动建筑元素进行基准测试。

改变心态

BIPV在许多方面与传统的屋顶太阳能系统不同，传统的屋顶太阳能系统既不需要多功能，也没有考虑美学方面。如果开发用于集成到建筑元素中的产品，制造商需要重新考虑。建筑师，建筑商以及建筑物的使用者最初期望在建筑物表皮中实现常规功能。从他们的角度来看，发电是一种附加财产。除此之外，多功能BIPV元素的开发人员还必须考虑以下方面：

为尺寸，形状，颜色和透明度可变的太阳能活性建筑元件开发具有成本效益的定制解决方案;

制定标准并具有价格吸引力(理想情况下可用于已建立的规划工具，例如建筑信息模型(BIM);

通过建筑材料和能量产生元素的组合将光伏元素整合到新颖的立面元素中;

抵御临时(局部)阴影的高弹性;

长期稳定性和功率输出的长期稳定性和退化，以及外观(例如颜色稳定性)的长期稳定性和退化;

制定监测和维护概念，以适应现场的具体情况(考虑安装高度，更换有缺陷的模块或立面元素);

并符合安全(包括防火)，建筑法，能源法等法律要求。

法规遵从问题对所有利益相关者都是一个挑战。建筑法规和能源行业的法规通常都很大程度上取决于当地法规。它们不仅在各个国家之间是不同的，而且在不同的州，城市甚至地方社区中常常经常彼此显着偏离。但是，不仅需要适应太阳能产业。

建筑业必须意识到其对整个社会的责任。新建筑和装修项目都必须明确考虑能耗和现场发电。建筑设计师和参与施工的人员必须愿意使用提供额外发电功能的新材料和新元素。他们还需要接受其常规计划过程中的更改，因为必须在概念阶段就考虑电气方面。

缩小差距

将光伏发电整合到建筑物中对所有利益相关者都是一个挑战。不仅存在关于技术和可能性的知识，而且文化之间也存在差距。为了弥合这些差距，必须在建筑世界和能源世界之间架起一座桥梁。挑战必须由所有人管理：建筑师和规划师;材料和组件制造商;以及研发部门。这些挑战通常对所有参与者都是新挑战，并受到现有偏见的影响。这些是多方面的挑战，从本质上讲，它们只能在接受思想转变后才能共同应对。

责任编辑：大禹