李辰琦-BIPV技术创新与实践案例分享

铜铟镓硒光伏建筑一体化产品研发及应用研究政 府 间 国 际 科 技 创 新 合 作 重 点 专 项 申 报 BIPV技 术 创 新 与 实 践 案 例 分 享 李 辰 琦 国 家 一 级 注 册 建 筑 师 博 士— — 新 能 源 建 筑 的 未 来 已 来 C O N T E N T S12 BIPV相关概述3 BIPV核心技术4 BIPV示范案例BIPV研究成果 1.1 BIPV的 概 念光 伏 建 筑 一 体 化 （ BIPV ， Building Integrated Photovoltaic） 是 一 种 将 太 阳 能 发 电 （ 光 伏 ） 产 品 集 成 到 建 筑 上的 技 术 。 即 通 过 建 筑 物 ， 主 要 是 屋 顶 和 墙 面 与 光 伏 发 电 集 成 起 来 ， 使 建 筑 物 自 身 利 用 太 阳 能 生 产 电 力 ， 以 满 足 建筑 物 本 身 的 用 电 需 要 ， 是 最 具 潜 力 的 分 布 式 光 伏 体 系 。 1.1 BIPV 与 BAPV1 . BIPV (Building Integrated Photovoltaic)：与 建 筑 物 同 时 设 计 、 同 时 施 工 和 安 装 ， 并 与 建 筑 物 形 成 完 美 结 合 的 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 ， 也 称 为 “ 构 建 型 ”和 “ 建 材 型 ” 太 阳 能 光 伏 建 筑 。 它 作 为 建 筑 物 外 部 结 构 的 一 部 分 ， 既 具 有 发 电 功 能 ， 又 具 有 建 筑 构 件 和 建 筑 材料 的 功 能 ， 甚 至 还 可 以 提 升 建 筑 物 的 美 感 ， 与 建 筑 物 形 成 完 美 的 统 一 体 。2 . BAPV (Building Attached Photovoltaic)：附 着 在 建 筑 物 上 的 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 ， 也 称 为 “ 安 装 型 ” 太 阳 能 光 伏 建 筑 。 它 的 主 要 功 能 是 发 电 ， 与 建筑 物 功 能 不 发 生 冲 突 ， 不 替 代 、 破 坏 、 削 弱 原 有 建 筑 物 的 功 能 。 1.2 BIPV的 发 展 历 程第 二 代 BIPV技 术 ： 建 材 化 BIPV光 伏 组 件 与 建 筑 材 料 完 全 合 为 一 体 ， 既 降 低 建 筑 和 光 伏 系 统 成 本 ， 又 美 化 建 筑 物 外 观 。 将 光 伏 系 统 、 建 筑材 料 和 电 能 变 换 配 套 装 置 有 机 结 合 ， 系 统 高 度 集 成 ， 具 备 较 强 的 抗 阴 影 能 力 和 参 数 匹 配 能 力 ， 电 气 系 统 连 线 简单 ， 且 易 于 通 过 智 能 终 端 进 行 维 护 。 1.3 绿 色 建 筑 — — 经 济 、 实 用 、 美 观 + 绿 色中 国 广 义 建 筑 用 能 已 占 全 社 会 总 能 耗 的 30%~40%， 推 动 建 筑 节 能 已 势 在 必 行 。 推 动 建 筑 向 近 零 能 耗 迈 进 也已 成 全 球 发 展 趋 势 ， 欧 美 等 发 达 国 家 相 继 提 出 2020、 2030年 近 /净 零 能 耗 建 筑 发 展 目 标 ， 并 开 展 技 术 集 成 专 项 研究 与 示 范 。自 1980年 以 来 ， 我 国 的 建 筑 节 能 先 后 经 历 了 30%、 50%、 65%三 步 节 能 阶 段 ， 现 阶 段 建 筑 节 能 65%的 设 计 标准 已 经 全 面 普 及 ， 在 2018年 实 施 的 JGJ 26-2018《 严 寒 和 寒 冷 地 区 居 住 建 筑 节 能 设 计 标 准 》 中 ， 将 “ 三 步 节 能 ”计 划 进 一 步 提 升 ， 标 志 着 我 国 向 第 四 步 节 能 计 划 继 续 发 展 ， 即 我 国 新 建 建 筑 将 达 到 75%以 上 的 节 能 目 标 。 1.3 绿 色 建 筑根 据 2017年 出 台 的 《 建 筑 节 能 与 绿 色 建 筑 发 展 “ 十 三 五 ” 规 划 》 ， 到 2020年 ， 城 镇 新 建 建 筑 能 效 水 平 将 比 2015年 提 升 20%， 城 镇 新 建 建 筑 中 绿 色 建 筑 面 积 比 重 将 超 50%， 绿 色 建 材 应 用 比 重 将 超 40%， 城 镇 可 再 生 能 源 替 代民 用 建 筑 常 规 能 源 消 耗 比 重 将 超 6%， 装 配 式 建 筑 面 积 占 新 建 建 筑 面 积 比 例 达 到 15%,建 设 超 低 能 耗 、 近 零 能 耗 建筑 示 范 项 目 将 达 1000万 平 方 米 以 上 。 光伏建筑一体化结合，使产能端和用能端合二为一，如果说特高压是清洁能源的搬运工，那么分布式光伏让建筑直接发电，将节约大量成本，产生巨大的经济效益。2020年我国建筑总面积将达到700亿平方米！其中可利用的南墙和屋面面积为300亿平方米！假设20%安装光伏系统，发电量约为3600亿kWh！约相当于4.5个三峡电站的全年发电量！将助推万亿级的经济效益！1.4 BIPV潜 力 分 析 三 种 适 合 BIPV的 光 伏 材 料参 数 晶 硅 铜 铟 镓 硒 碲 化 镉主 流 产 品 的 转 换 效 率 2 2 % 1 3 % 1 3 %外 观 效 果 蓝 黑 色 多 种 色 彩 质 感 多 种 色 彩 质 感耐 候 性 2 5 年 2 5 年 2 5 年阳 光 入 射 角 要 求 要 求 高 较 高 较 高弱 光 发 电 能 力 弱 强 强主 要 用 途 光 伏 电 站 建 筑 建 筑单 位 造 价 1 .6 ￥ /W 2 ￥ /W 2 ￥ /W材 料 分 类 ： 1、 薄 膜 类 2、 晶 硅 类形 态 分 类 ： 1、 刚 性 2、 柔 性 1.5 BIPV经 济 分 析 投资性分析 铝 合 金 幕 墙上 墙 价 格 800元 /㎡ ~1000元 /㎡ 玻 璃 幕 墙上 墙 价 格 1000元 /㎡ ~1500元 /㎡ 石 材 幕 墙上 墙 价 格 750元 /㎡ ~3000元 /㎡ 光 伏 建 材上 墙 价 格 1500-2000元 /㎡ 价格是决定一项技术产业转化的关键因素 福 建 生 产 指 挥 中 心 光 伏 建 筑 一 体 化 项 目 收 益 ： 7.85年 能 收 回 成 本 ;首 年 发 电36.45万 度 ， 年 均 收 益 34万 元 。 光 伏 项 目 造 价 成 本 约 816.6万 元 ， 扣 除 原 有 幕 墙 增量 造 价 成 本 为 264万 元 。 客 户 效 益 图 (自 发 自 用 , 余 电 上 网 ) 项 目 造 价 (单 位 : 万 元 ) 816.60 装 机 容 量 (单 位 : KW) 574 首 年 发 电 量 预 估 (单 位 : 万 度 ) 36.45 国 家 补 贴 (单 位 : 元 /度 ) 0.05 年 国 家 补 贴 (单 位 : 万 元 ) 1.72 20年 国 家 补 贴 (单 位 : 万 元 ) 34.40 省 级 补 贴 (单 位 : 元 /度 ) 0.00 年 省 级 补 贴 (单 位 : 万 元 ) 0.00 20年 省 级 补 贴 (单 位 : 万 元 ) 0.00 企 业 用 电 (单 位 : 元 /度 ) 0.9459 年 企 业 用 电 (单 位 : 万 元 ) 32.21 25年 企 业 用 电 (单 位 : 万 元 ) 805.29 脱 硫 标 杆 上 网 电 价 (单 位 : 元 /度 ) 0.3932 年 企 业 卖 电 (单 位 : 万 元 ) 0.00 25年 企 业 卖 电 (单 位 : 万 元 ) 0.00 自 用 比 例 100.00% 年 电 站 总 收 益 (单 位 : 万 元 ) 34 25年 电 站 总 收 益 (万 元 ) 839.69 扣 除 幕 墙 后 的 增 量项 目 造 价 (单 位 : 万元 ) 264 静 态 投 资 回 收 期 :(单位 :年 ) 7.85 投资性分析 C O N T E N T S12 BIPV相关概述3 BIPV核心技术4 BIPV示范案例BIPV研究成果 2 0 1 7 年 ， 国 家 能 源 集 团 与 沈 阳 建 筑 大 学 联 合 承 担 了 住 建 部 课 题 《 CIGS 太 阳 能 薄 膜 发 电 技 术 在 光 伏 建 筑 一 体化 中 的 应 用 研 究 》 （ 结 题 ） ；2 0 1 8 年 ， 沈 阳 建 筑 大 学 承 担 了 国 家 自 然 科 学 基 金 委 课 题 《 CIGS光 伏 墙 体 技 术 在 严 寒 地 区 近 零 能 耗 建 筑 中 的高 效 协 同 体 系 研 究 》 （ 在 研 ） ；2 0 1 8 年 ， 沈 阳 建 筑 大 学 承 担 了 国 家 能 源 集 团 科 技 创 新 课 题 《 铜 铟 镓 硒 光 伏 建 筑 一 体 化 建 筑 集 成 系 统 研 发 》（ 在 研 ） 。旨 在 解 决 铜 铟 镓 硒 光 伏 建 筑 一 体 化 在 国 产 化 和 市 场 推 广 中 面 临 的 产 品 物 理 性 能 、 建 筑 设 计 、 能 源 集 成 、 工程 示 范 应 用 、 造 价 与 经 济 性 分 析 、 标 准 规 范 制 定 等 一 系 列 问 题 。研 究 课 题 开 题 答 辩 研 究 课 题 框 架2.1 科 研 课 题 国 家 住 房 和 城 乡 建 设 部 课 题 “ CIGS太 阳 能 薄 膜 发 电 技 术 在 光 伏 建 筑 一 体 化 中 的 应 用 研 究 ” ， 已 于 2019年 11月 顺 利 通 过 结 题 验 收 ， 由 崔 愷 院 士 和 褚 君 浩 院 士 为 组 长 的 专 家 组 给 予 了 高 度 评 价 ， 结 论 为 达 到 国 际 领 先 水 平 。2.1 科 研 课 题 2.2 BIPV实 验 平 台CIGS-BIPV展示单元实验平台 光伏光热综合性能试验装置光伏农业试验装置 装配式光伏幕墙展示单元 光伏微建筑实验平台 净零能耗展示实验单元 光伏建筑一体化热效能展示实验平台 203项 专 利 申 请 ， 形 成 具 有 自 主 知 识 产 权 的 绿 色 能 源 建 筑 技 术 集 群 , 部 分 核 心 专 利 列 表 ：1. 一 种 井 道 式 建 筑 采 光 互 补 装 置 与 方 法2. 一 种 屋 顶 光 伏 建 筑 一 体 化 建 筑 采 光 系 统3. 一 种 基 于 铜 铟 镓 硒 光 伏 的 直 流 供 电 系 统4. 一 种 光 伏 建 筑 一 体 化 空 腔 取 热 多 能 互 补 系 统5. 一 种 光 伏 幕 墙 空 腔 取 热 系 统6. 一 种 背 面 可 见 装 配 式 光 伏 幕 墙7. 一 种 玻 璃 采 光 顶 与 光 伏 玻 璃 的 集 成 装 置8. 一 种 光 伏 玻 璃 铝 合 金 边 框9. 一 种 降 低 光 伏 幕 墙 内 侧 温 度 的 装 置 与 方 法10.一 种 可 调 角 度 的 立 面 光 伏 幕 墙11.一 种 轻 型 装 配 式 光 伏 幕 墙12.一 种 装 配 式 光 伏 幕 墙 试 验 塔13.一 种 清 洗 机 器 人 用 可 挥 臂 式 竹 节 性 多 滚 刷 系 统14.一 种 建 筑 幕 墙 层 间 防 火 自 动 化 装 置 15.一 种 建 筑 幕 墙 层 间 防 火 自 动 化 方 法16.一 种 光 伏 幕 墙 自 动 化 开 启 装 置 的 控 制 方 法17.一 种 光 伏 天 窗 自 动 化 开 启 装 置 的 控 制 方 法18.一 种 光 伏 组 件 维 护 空 间 的 光 环 境 与 发 电 性 能 试 验 装 置19.一 种 使 用 光 伏 组 件 的 玻 璃 温 室 系 统20.CIGS有 框 建 筑 幕 墙 节 点 21. 一 种 使 用 光 伏 组 件 的 大 中 拱 棚 系 统22. 一 种 集 成 光 伏 组 件 的 集 装 箱 式 植 物 工 厂 系 统23. 一 种 集 成 光 伏 组 件 的 日 光 温 室 系 统24. 一 种 集 成 光 伏 组 件 的 植 物 工 厂 系 统25. 一 种 可 调 控 光 照 环 境 的 光 伏 设 施 农 业 系 统26. 一 种 结 合 光 伏 幕 墙 取 热 空 腔 系 统 的 玻 璃 温 室27. 一 种 结 合 光 伏 幕 墙 取 热 空 腔 系 统 的 植 物 工 厂28. 一 种 带 有 翅 片 内 层 幕 墙 的 光 伏 空 腔 取 热 系 统29. 一 种 带 有 喷 淋 增 强 传 热 装 置 的 光 伏 空 腔 取 热 系 统30. 一 种 新 型 铜 铟 镓 硒 光 伏 帐 篷31. 一 种 铜 铟 镓 硒 光 伏 实 验 装 置32. 一 种 用 于 光 伏 建 筑 一 体 化 的 密 闭 风 道 集 热 结 构 装 置33. 一 种 应 用 于 光 电 幕 墙 、 玻 璃 幕 墙 的 取 热 装 置34. 一 种 用 于 光 伏 建 筑 一 体 化 的 水 盘 管 式 集 热 装 置35. 一 种 保 持 建 筑 用 光 伏 组 件 发 电 效 率 稳 定 的 结 构 装 置36. 一 种 用 于 光 伏 建 筑 一 体 化 的 热 泵 集 热 装 置37. 一 种 光 伏 幕 墙 卡 扣 式 装 配 系 统38. CIGS无 框 建 筑 节 点39. CIGS光 伏 建 筑 高 密 封 实 验 舱 体40. 一 种 铜 铟 镓 硒 可 开 启 式 光 伏 幕 墙 参 数 化 表 皮 2.3 专 利 申 请 2019年 ， 在 国 内 顶 级 专 业 期 刊 《 建 筑 学 报 》 出 版 专 刊 ， 现 已 正 式 发 行 。 专 刊 研 讨 新 型 光 伏 建 筑 一 体 化 技 术及 其 应 用 的 动 态 和 发 展 趋 势 ， 包 含 相 关 的 多 科 学 技 术 交 叉 问 题 ， 具 有 重 要 的 科 学 和 技 术 价 值 。主 编 了 《 建 筑 铜 铟 镓 硒 薄 膜 光 伏 系 统 电 气 设 计 与 安 装 (一 )》 1 9 CD2 0 2 -5 、 《 建 筑 铜 铟 镓 硒 薄 膜 光 伏 系 统 设 计与 安 装 （ 一 ） 》 1 9 CJ9 2 -1 、 《 建 筑 铜 铟 镓 硒 薄 膜 光 伏 系 统 应 用 技 术 规 程 》 T/CECS 6 3 0 -2 0 1 9 共 3 部 标 准 图 集2.4 工 作 成 果 — — 论 文 与 标 准 竞 赛 作 品 评 审 现 场 竞 赛 受 到 了 国 内 外 业 界 的 广 泛 关 注 ， 共 收 到 咨 询 和 交 流 邮 件 200余 份 。 大 赛 特 邀 请 中 国 工 程 院 院 士 崔 愷 担 任评 委 会 主 席 。 竞 赛 作 品 来 自 全 国 27 所 高 校 ， 24 个 单 位 和 团 队 ， 其 中 还 包 括 英 国 、 日 本 、 伊 朗 的 国 际 团 队 。2.5 2019国 际 光 伏 建 筑 设 计 竞 赛 2020年绿建大会分论坛8月26日——8月27日，“第十六届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会” 在苏州盛大启幕，我中心承办的分论坛“光伏+绿色能源建筑发展高端论坛” 同期举行。 依托工程研究中心平台，发起了“国际新能源建筑联盟”，获得了中国建筑学会、中国绿建委的大力支持，在本次绿建大会举行了启动仪式。主要光伏企业涵盖了国内各大主流企业，包括国家能源集团、阳光能源、日托光伏、英利太阳能、中来股份、赛拉弗光伏、瑞科新能源、古瑞瓦特、尚越光电、华为智控、昱能科技；海外机构包括瑞士皇家科学院、瑞士南部理工大学、日本光伏建筑学会、日本大学、美国伯克利国家实验室、德国MANZ光伏公司、日本SOLAR FRONTIER公司、瑞典MIDSUMMER公司等。国际新能源建筑联盟 2020年绿建大会分论坛 欧盟驻华代表团能源与气候行动参赞 英国国际贸易部基建与环境产业中国区主管 本次论坛邀请了原全国政协社会和法制委员会副秘书长王巨禄、江亿院士、褚君浩院士、王有为主任、欧盟驻华代表团能源与气候行动参赞Octavian Stamate、英国国际贸易部基建与环境产业中国区主管Christopher Dunn等国内外众多业内著名专家，以及光伏相关企业、高校、科研院所、政府机构代表的百余人莅临本次论坛。 C O N T E N T S12 BIPV相关概述3 BIPV核心技术4 BIPV示范案例BIPV研究成果 光 伏 材 料 进 一 步 整 合 为 呼 吸 式 光 伏 墙 体 ，具 有 动 态 的 热 工 性 能 ， 为 建 筑 穿 上 了 冬 季 保温 、 夏 季 隔 热 的 “ 发 电 外 衣 ” ， 实 现 了 新 能源 建 筑 的 技 术 革 新 。 光 伏 材 料光 伏 建 材光 伏 围 护 体 系光 伏 建 筑 体 系 3.1系 统 化 的 BIPV建 筑 技 术 体 系 1. 轻型装配式一体化绿色能源墙体2. 空腔取热、光电光热综合利用与多能互补3. 建筑发电就地消纳4. 建筑直流供电5. 建筑能源智能化6. 可更换颜色质感的装配式光伏幕墙与城市换装7. 可调控光照环境的光伏设施农业系 统 化 的 BIPV建 筑 技 术 体 系 色 彩 、 质 感 丰 富 ， 符 合 建 筑 美 观 要 求 ；耐 候 性 、 耐 久 性 、 安 全 性 符 合 建 筑 材 料 标 准 ；反 光 性 弱 ， 不 会 造 成 光 污 染 。 瑞 士 巴 塞 尔 78m高 层 办 公 楼 德 国 斯 图 加 特 大 学 研 究 中 心 发 电 效 率 只 降 低 10%的 彩 色 光 伏 技 术 技 术 1： 轻 型 装 配 式 一 体 化 绿 色 能 源 墙 体适 合 墙 体 的 BIPV光 伏 技 术 — — 冬 季 保 温 ， 夏 季 隔 热 ， 仿 生 呼 吸 式 光 伏 表 皮 系 统 技 术 1： 轻 型 装 配 式 一 体 化 绿 色 能 源 墙 体 l 传 统 墙 体 为 墙 体 材 料 加 保 温 材 料 构 造 ，厚 度 与 重 量 均 较 大 ， 施 工 周 期 长 ；l 结 合 铜 铟 镓 硒 光 伏 材 料 ， 成 功 研 发 了 一系 列 轻 型 装 配 式 一 体 化 绿 色 能 源 墙 体 产品 ， 具 有 以 下 特 点 与 优 势 ：1. 与 传 统 的 砌 块 加 保 温 与 外 墙 饰 面 墙 体比 较 ， 每 平 方 米 降 低 了 152千 克 墙 体 重 量 ， 减 轻 了 建 筑 静 荷 载 ；2. 降 低 了 22%的 墙 体 厚 度 ， 更 为 轻 薄 ；3. 实 现 了 内 外 装 修 一 体 化 ；4. 实 现 了 快 速 装 配 施 工 。传统墙体示意图 轻型装配式一体化绿色能源墙体产品 技 术 2： 建 筑 光 伏 光 热 综 合 利 用 与 多 能 互 补 绿 建 中 心 的 创 新 技 术 采 用 空 腔 取 热 集 成 热 泵 供 热 系 统 ，经 多 地 实 验 发 现 ， 取 热 量 可 达 20%-60%， 降 低 了 空 腔 内 温 度 ，提 高 了 光 伏 组 件 的 发 电 效 率 ； 降 低 了 室 内 冷 热 负 荷 ； 同 时通 过 回 收 热 量 可 提 高 空 气 源 热 泵 的 能 效 比 5%-10%。 热 效 能 实 验技 术 团 队 搭 建 了 “ CIGS光 伏 建 筑 实 验 平 台 ” ， 实 现 光 电 与 光 热 的 结 合 利 用 ， 来 探 索 光 伏 建 筑 的 运 行 能 耗 模 型 。 5 个 移 动 实 验 装 置 2 个 固 定 实 验 装 置 技 术 2： 建 筑 光 伏 光 热 综 合 利 用 与 多 能 互 补 被 动 式 热 利 用 1— — 密 闭 空 腔光 伏 墙 体 空 腔 内 空 气 温 度 可 达 60~70℃ ， 热 利 用 潜 力 巨 大 。 第 一 种 被 动 技 术 是 保 持 空 腔 密 闭 ， 光 伏 墙 体 形 成 一道 暖 墙 ， 增 强 了 围 护 结 构 的 保 温 隔 热 性 能 。 实 验 结 论 ： 实 验 期 间 ， 室 外 平 均 温 度 为 -11.5℃ ， 平 均 辐 照 度 为 118.34(W/m2)， A盒 子 室 内 的 平 均 温 度 为 -6.93℃ ，B盒 子 的 室 内 平 均 温 度 为 -8.93℃ 。 A盒 子 的 整 体 室 温 比 B盒 子 高 2℃ 。 技 术 2： 建 筑 光 伏 光 热 综 合 利 用 与 多 能 互 补 -18.00-16.00-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00A盒 室 内 温 度 （ ℃ ） B盒 室 内 温 度 （ ℃ ） 2021222324 9:31 10:22 11:13 12:04 12:55 13:46 14:37 15:28 16:19 17:10 18:01 18:52 19:43 20:34 21:25 22:16 23:07 23:58 0:49 1:40 2:31 3:22 4:13 5:04 5:55 6:46 7:37 8:28A盒室内温度（℃ ） B盒室内温度（℃ ）耗 电 量 A盒 B盒暖 风 机 0.867kWh 0.981 kWh制 热 元 件 0.447 kWh 0.561 kWh 实验结论：安装CIGS光伏幕墙的光伏建筑的采暖能耗比普通建筑节约0.114 kWh，节约了20.32%的采暖能耗室 内空 腔光 伏 组 件 内 保 温 层2 0 0 技 术 2： 建 筑 光 伏 光 热 综 合 利 用 与 多 能 互 补被 动 式 热 利 用 1— — 密 闭 空 腔 采暖能耗对比实验