建筑学报 2019 增刊 ARCHITECTURAL JOURNAL Supplementary Issue 2019 欧洲光伏建筑一体化发展研究 Overview of European Building Integrated Photovoltaics Development 汤洋 1 秦文军 1,2 王璐 3 TANG Yang , QIN Wenjun , WANG Lu 摘要/ 从政策法案、技术支持等方面对欧洲光伏建筑一体化发展历史进行梳理，聚焦于欧洲的薄膜太阳能电池研究，并对瑞士巴塞尔的格罗斯佩特大厦高层建筑项 目和德国弗莱堡的新市政厅“能量盈余建筑”进行了分析。 关键词/ 太阳能；薄膜太阳能电池；光伏建筑一体化；欧洲；能量盈余建筑 ABSTRACT/ In this paper, the development history of BIPV in Europe is reviewed from the aspects of policy bills and technical support, focusing on the research of thin-film solar cells in Europe, and the analysis is made on the high-rise building project of Grosspeter tower in Basel, Switzerland and the “energy surplus building” of the new city office in Freiburg, Germany. KEY WORDS/ solar energy; thin-film solar cells; BIPV; Europe; energy surplus building 2001 年欧洲议会和欧洲理事会颁布了“关于欧洲内部电力市 企业绿化和零排放氢气的发展，欧洲可能会重新成为以太阳能为中 场促进利用可再生能源发电”的指令，2004 年，德国修订推出了 心的能源系统时代的领头羊。根据分析机构 WoodMac 的预计，欧 《可再生能源法案》 ，西班牙、意大利等国家也继而推出了相关政 洲新增太阳能发电容量将在 3 年内翻一番，达到每年约 20GW，并 在 2024 年时突破地区总容量 250GW。 策，一系列政策法案伴随对光伏产业的补贴政策助推了欧洲乃至全 球光伏行业的快速发展。欧洲市场对光伏组件的需求激增也引燃了 在光伏建筑一体化领域，欧洲由于发展较早，技术积累较 中国光伏产业的发展，2005-2011 年，中国光伏产业与欧洲光伏 多，仍然保持着一定的优势。光伏建筑一体化 (Building Integrated 产业紧密合作，在各自具有优势的产业链部分环节都获得了快速发 Photovoltaics，BIPV) 技术是将太阳能组件集成到建筑上的技术，其 展。在此阶段，欧洲和美国是中国光伏组件产品的主要市场，中国 不但具有外围护结构的功能，同时又能产生电能供建筑使用或并 本国市场占比极小。由于中国光伏企业的高速发展，欧洲光伏企业 网。光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不 面临制造成本的巨大压力，在市场竞争中处于下风，纷纷破产倒闭。 可分割的一部分，如光电瓦屋顶、光电幕墙、光电采光顶等 。 2012 年，继美国祭起对中国光伏产品的“双反”大旗后，欧盟也 另一种光伏组件与建筑物的结合方式是 BAPV(Building Attached 开始对中国光伏产品进行“双反”调查。为应对此状况，中国启动 Photovoltaics)，即光伏系统附着于建筑物上。由于 BIPV 和 BAPV 了光伏产品的国内市场。截至 2018 年底，中国光伏累计装机量为 并没有通用的严格定义，导致二者的界限会有一些模糊之处，对于 [1] 174.63GW，是 2010 年的 672 倍 。但自 2018 年 9 月限价结束后， 欧洲 BIPV 市场的统计数据因此呈现不同的结果。光伏建筑一体化 欧洲市场组件价格快速下降 30% 以上。而已经平价且基本脱离补 在欧盟内部是一个不断扩大的市场，受到与建筑能源性能相关的日 贴的欧洲市场才是真正的成长性市场。没有补贴扰动叠加组件大幅 益严格的法规，以及企业和公民不断增强的可持续性思维等许多因 降价，欧洲市场或将在沉积多年后再次出现高增长，加之政府招标 素的支持。然而， 也有一些障碍和限制导致 BIPV 的预测增长被高估。 可以保证最低价格的安全性，欧洲已经计划重新确立自己的领导地 这些障碍体现在设计灵活性、美观性、耐用性、成本、性能、网格 位。进入 2020 年代，基于无补贴的太阳能、能源智能家庭和社区、 集成、符合标准，以及对操作和维护技术的严格要求。 住房和城乡建设部科技计划项目(2017-K1-027) 作者单位：1 国家能源集团绿色能源与建筑研究中心(北京，102211) 2 神华新能源有限责任公司(北京，100000) 3 沈阳建筑大学建筑与规划学院(沈阳，110168) 收稿日期：2019-12-15 10 [2] Special Issue on the Pioneer and Practice of New Photovoltaic Buildings Overview 新型光伏建筑发展前沿与实践专刊 综述 为了对欧洲未来建筑的发展产生重大影响，必须在整个欧洲建 立有利的条件，以支持 BIPV 应用的广泛部署。从 2012 年起，欧 盟所有成员国都通过了《建筑节能指令》(Energy Performance of Buildings Directive，EPBD)，规定到 2020 年，所有新建筑都必须是 接近零能耗的建筑，因此它们的大部分能源都是就地或就近生产的。 [3] 太阳能光伏发电将是实现这一雄心勃勃的目标的关键技术 。 当前世界市场的主流光伏组件产品是晶硅光伏组件，占据近九 成市场份额，剩下的市场份额由薄膜太阳能电池等占据。目前实现 了产业化的薄膜太阳能电池有铜铟镓硒薄膜太阳能电池、碲化镉薄 膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池 3 种。其他的如钙钛矿薄膜 太阳能电池、铜锌锡硫薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等还 1 德国巴登符腾堡州太阳能与氢能研究中心 处于实验室或中试阶段。大部分晶硅太阳能电池采用的是切片拼接 工艺，外观将不可避免地形成类似补丁状的图案。薄膜太阳能电池 士 Flisom 公司和德国 Manz CIGS Technology(MCT) 公司。其中，欧 采用的是内级联结构工艺，外观颜色美观均一，并可定制颜色、质 盟提供 460 万欧元经费支持，瑞士政府提供 160 万欧元经费支持 。 感、图案。因此长期以来，欧洲光伏建筑一体化主流市场由薄膜太 2016 年，欧盟地平线 2020 计划启动了“PVSITES”研究计划，致 阳能电池占据重要地位。目前，全球约 50% 的 BIPV 产品为非玻璃 力于研究解决将 BIPV 技术向市场大规模推广应用中的问题，项目 屋面产品，预计在未来几年内，BIPV 将成为主导市场。在未来的几 由西班牙 Onyx 公司、瑞士 Flisom 公司等 15 家单位共同进行 。欧 年内，非玻璃幕墙产品将增加其份额，达到并超过玻璃产品。根据 洲幅员辽阔，国家众多且多为发达国家，在前沿科技研发方面有较 “PVSITES”调查评估的 BIPV 技术相关性研究结果表明，BIPV 作为 深厚的基础。由于工业基础和创业环境较好，一项新技术从实验室 [5] [6] 走向产业化的路径较为清晰，实验室成果易于转化为实际产品。 建筑立面元素和连续的大面积建筑立面被认为是最相关的技术。 欧洲的薄膜太阳能电池研究长期处于领跑者地位。在铜铟镓硒 由于在地面电站应用中，薄膜光伏组件相比晶硅组件面临着 薄膜太阳能电池研究领域，德国的巴登符腾堡州太阳能与氢能研究 更大的成本压力，因此从差异化竞争的角度考虑，欧洲的薄膜太 中心曾多次创造实验室铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率世界纪 阳能电池企业普遍对于 BIPV 产品和市场给予了极大的重视。但由 录，亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心 (HZB，原哈恩 - 迈特纳研究 于 BIPV 的市场规模较小，在过去的 10 年中，不少欧洲的薄膜太 所 ) 在新型无镉缓冲层及纳米结构铜铟镓硒薄膜太阳能电池等领域 阳能电池企业陷入经营困境。在此期间，中国企业收购了多家德国 取得过重要成果。图 1 是德国的巴登符腾堡州太阳能与氢能研究中 光伏企业。2012 年，汉能集团收购了铜铟镓硒企业 Solibro 公司， 心的办公楼照片，该建筑是一座光伏建筑，使用了铜铟镓硒薄膜光 Solibro 公司近年来几次更新了铜铟镓硒薄膜光伏组件的转换效率世 伏组件，曾荣获 2017 年的 Intersolar 奖项。欧洲对于薄膜太阳能电 界纪录。2014 年，中国建材集团收购了位于莱比锡的 Avancis 公 池及光伏建筑一体化的前沿技术研究保持了持续的高投入。2012 年， 司， Avancis 公司采用溅射后硒化路线生产铜铟镓硒薄膜太阳能电池。 欧盟第七框架计划批准实施总预算为 1022.88 万欧元的“基于纳米 2017 年，国家能源集团收购了位于施韦比施哈尔的 Manz CIGS 材料和工艺的低成本高效率硫族化合物太阳能电池开发和规模化制 Technology 公司，拥有成熟的线性蒸发源技术、激光划线技术、湿 备”项目，共有来自欧洲的 13 个研究机构参与，核心研发内容为采 法化学技术等 CIGS 生产工艺技术，继 2015 年创造过铜铟镓硒光 [4] 用纳米材料以提升铜铟镓硒等硫族化合物薄膜太阳能电池的效率 。 伏组件的转换效率世界纪录之后，在 2019 年再一次创下了铜铟镓 2015 年，一项命名为“Sharc25”的欧洲新研究项目启动，该项目 硒薄膜光伏组件全面积转换效率的世界纪录。 旨在将铜铟镓硒薄膜太阳能电池转换效率升高到 25%。此项目由 8 对于尚处于实验室与中试阶段的薄膜太阳能电池，钙钛矿薄膜 个国家的 11 支跨学科研究团队共同合作完成。德国巴登符腾堡州 太阳能电池是近年来异军突起的明星。2009 年，日本科学家最早在 太阳能与氢能研究中心负责牵头协调，其他合作单位是瑞士国家联 实验中使用钙钛矿型材料做为吸收层敏化剂，获得了 3.8% 的电池 邦实验室 (EMPA)、卢森堡大学、法国鲁昂大学、意大利帕尔马大 转换效率 。此后 3 年间，脱胎于染料敏化太阳能电池的