双碳目标下建筑光伏一体化技术应用 湖南省建筑设计院集团股份有限公司 双碳工程研究中心 谢敏 1、背景介绍 2、光伏组件常见型式 3、建筑光伏结构结合型式 4、建筑光伏发电系统设计要点 5、光储直柔技术介绍 6、建筑光伏案例及软件应用 1、背景介绍 政策大力支持 1、背景介绍 规范要求 2022年4月1日-《建筑节能与可再生能源利用通用规范》 《规范》要求，新建、扩建和改建建筑以及既有建筑节 能改造工程的建筑节能与可再生能源建筑应用系统的设 计、施工、验收及运行管理必须执行该规范。 《规范》提出，新建建筑群及建筑的总体规划应为可再 生能源利用创造条件，建设项目可行性研究报告、建设 方案和初步设计文件应包含建筑能耗、可再生能源利用 及建筑碳排放分析报告。施工图设计文件应明确建筑节 能措施及可再生能源利用系统运营管理的技术要求 1、背景介绍 电力能源规划 清华大学建筑节能研究中心、中国建筑设计研究院有限公司与自然资源 部卫星信息研究所合作，利用高分卫星图片和现场抽样调查统计分析研 究认为,我国城乡可用的屋顶折合水平表面面积为412亿m2 ，在充分考虑 各种实际的安装困难，留有充分余地后，可得到结论：城镇空闲屋顶可 安装光伏发电容量 8.3亿kW ，年发电量1.23万亿kW· h ；农村空闲屋顶 可安装光伏发电容量19.7亿kW ，年发电量2.95万亿kW · h 。城乡可安 装光伏发电容量28亿kW ，超过我国规划的未来光伏装机总量的70％ ， 潜在年发电量4.2万亿kW · h ，超过我国规划未来光伏发电总量的70％ 。 零碳情景下 2020—2060 年电源装机结构 城乡建筑屋顶及其他可获得太阳辐射表面的光伏发电应是我国未来大规 模发展光伏发电的主要方向。 零碳情景下 2020—2060 年发电量结构 1、背景介绍 建筑节能要求 Ø 随着建筑节能的深入推进，超低能耗建筑、近零能耗 建筑、零能耗建筑等建筑节能新概念成为关注焦点。 Ø 这些新型建筑除了节能水平进一步提高外，为了实现 电力自产，太阳能等可再生能源技术的应用比例更高。 Ø 通过建筑光伏一体化技术，深入挖掘建筑中的光伏产 电能力，使可再生能源产能大于或等于建筑全部用能。 2、光伏组件常见型式 常规光伏组件组成： Ø 钢化玻璃——保护电池（透光性、高硬度） Ø EVA薄膜——粘接（透光性、封装要求高） Ø 导电铜带——聚电导电 Ø 太阳能电池片——光电转化 Ø 光伏背板——保护电池（密封、绝缘、防水） Ø 铝合金边框——支撑、保护（强度、耐腐蚀性） Ø 接线盒——连接、保护 2、光伏组件常见型式 多晶硅太阳能电池 一、按电池片材料分类 p 层压前呈深蓝色，封装 多晶硅太阳能电池 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 单晶硅太阳能电池 后呈天蓝色 p 光电转换效率稍低 p 制造成本较低 p 使用寿命长（20~25年） 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 2、光伏组件常见型式 单晶硅太阳能电池 一、按电池片材料分类 p 层压前呈深蓝色，封装 多晶硅太阳能电池 p 光电转换效率高 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 后呈黑色 单晶硅太阳能电池 p 制造成本约束 p 使用寿命长（20~25年） 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 2、光伏组件常见型式 硅基薄膜太阳电池 一、按电池片材料分类 p 弱光相应好 多晶硅太阳能电池 p 制造成本较低 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 p 光电转换效率较低 单晶硅太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 p 使用寿命长（10年以上） 2、光伏组件常见型式 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池 一、按电池片材料分类 多晶硅太阳能电池 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 单晶硅太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 p 光电转换效率较高 p 制造成本低，可实现产业化 p 一般设计使用时间20年 2、光伏组件常见型式 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池 一、按电池片材料分类 多晶硅太阳能电池 p 制造成本较低、制备条件苛刻 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 p 光电转换效率较高 单晶硅太阳能电池 p 电池性能稳定 p 尚未实现规模化生产 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 2、光伏组件常见型式 砷化镓（GaAs）薄膜太阳电池 一、按电池片材料分类 多晶硅太阳能电池 晶硅太阳能电池 太 阳 能 电 池 薄膜太阳能电池 单晶硅太阳能电池 硅基薄膜太阳电池 碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池 砷化镓（GaAs）薄膜太阳能电池 p 光电转换效率超高 p 制造成本昂贵 p 常用于太空发电 2、光伏组件常见型式 二、按边框材料分类 金属外框 塑料外框 无框结构 三、按安装结构选用 明框式光伏组件 隐框式光伏组件 无框式光伏组件 2、光伏组件常见型式 数据引自《智能建筑电气技术》（2022第3期) 《“光储直柔”建筑电气设计探究》（莫理莉等） 2、光伏组件常见型式 部分厂家样本资料数据汇总 3、建筑光伏结构结合型式 BAPV：安装型太阳能光伏建筑 BIPV：光伏建筑一体化 p p p p 仅考虑发电 利用闲置空间 简单附着 适用存量改造 p p p p 兼顾发电和外观 充当建筑构件部分 与建筑一体成型 同步设计、施工、安装 光伏屋顶\光伏幕墙\光伏遮阳板\光伏天棚…… 3、建筑光伏结构结合型式 p 光伏屋顶 光伏采光顶（天窗） 功能：建筑效果/采光/遮风挡雨/结构强度 组件要求：透明（薄膜太阳能电池） 类型：集成 BIPV 优势：兼具美观、发电性能 光伏屋顶 平屋顶：混凝土、彩钢板、钢结构 功能：发电 组件要求：普通光伏组件 类型：结合 优势：经济性、最佳角度 BAPV 安装倾角 间隔放置 GB 50033 建筑采光设计标准 JGJ 255 采光顶与金属屋面技术规程 GBT 51368-2019规定: 1、光伏方阵应设置方便人工清洗、 维护的设施与通道； 2、在平屋面防水层上安装光伏组件时， 其支架基座下部应增设附加防水层； 3、光伏组件周围屋面、 检修通道、 屋面出入口和光伏方阵之间的人行通 道上部宜铺设保护层。 3、建筑光伏结构结合型式 p 光伏屋顶 光伏屋顶 斜(坡)屋顶：单面坡屋顶、“人”字坡屋顶 功能：发电、美观 组件要求：普通光伏组件/光伏瓦 类型：结合/集成 优势：近最佳角度、自动清洗 BAPV BIPV 光伏组件宜采用平行于屋面、 顺坡 镶嵌或顺坡架空的安装方式； 通风散热要求、维护要求； 组件与屋面的连接要求。 3、建筑光伏结构结合型式 p 光伏幕墙 双层幕墙 外挂幕墙 • • • • • 独立于建筑实墙 • 构造变动小 • 有效保障通风及温度 光伏置于外侧幕墙 排风口降低温度 组件提效 室内遮阳 单元幕墙 框架式幕墙 • 构件替代 • 防尘透光 • 保温隔热 • 加工阶段预制 • 一体化整合 • 无线路走向和密封问题