BIPV，即光伏建筑一體化。英文全稱是Building Integrated Photovoltaic，它是一種將太陽能發(fā)電（光伏）產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。它融合了光伏和建筑兩個行業(yè)的技術(shù)，既實現(xiàn)了可再生能源的應(yīng)用，又降低了建筑能耗，還滿足了建筑的美觀實用要求。
1967年，日本MSK公司最早提出建筑光伏一體化產(chǎn)品。在五十多年的時間里，BIPV產(chǎn)品高速發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個階段：
第一代BIPV
1980s-1990s
第一代BIPV產(chǎn)品主要是在建筑外部安裝傳統(tǒng)的玻璃幕墻式太陽能電池板。這些產(chǎn)品的優(yōu)點是易于安裝、維護，缺點是外觀不夠美觀，不能滿足建筑師對設(shè)計的要求。
第二代BIPV
2000s-2010s
第二代BIPV產(chǎn)品開始將太陽能電池板集成到建筑的外觀中，以達到更好的外觀效果。這些產(chǎn)品的例子包括太陽能屋頂瓦片和太陽能玻璃。這些產(chǎn)品更加美觀，但成本更高。
第三代BIPV
2010s至今
第三代BIPV產(chǎn)品的重點是實現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)換效率和更低的成本。這些產(chǎn)品主要集成在建筑的外墻、窗戶、屋頂和陽臺等部位。目前，第三代BIPV產(chǎn)品的成本正在逐漸降低，使其更具吸引力并且更廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。
1996年落成的位于西班牙的龐貝·法布拉圖書館（The?Pompeu?Fabra?Library）被很多人認為是BIPV的一次相對完美的實踐。
▲ 室外側(cè)的整體效果
▲ 室內(nèi)效果
龐貝·法布拉圖書館位于西班牙巴塞羅那東北20公里的馬塔洛（Mataro）中心，在南立面采用了雙層呼吸式幕墻，其中外表皮由中空鋼化玻璃夾膠藍色多晶硅電池片組成，尺寸為1.1m*2.15m，可以透過光線。雙層呼吸式光伏幕墻的面積約255㎡，最大輸出功率是20KWP，由內(nèi)外兩層表皮構(gòu)成，中間有150mm的空腔。雙層呼吸式玻璃幕墻采用混合式通風(fēng)，夏季采用自然式排風(fēng)，由上升的空氣流帶走空腔的熱量。冬季采用機械式通風(fēng)，光伏組件產(chǎn)生的工作熱量，由機械風(fēng)扇將熱空氣輸送進建筑的能量循環(huán)系統(tǒng)，供室內(nèi)空調(diào)使用。
這個項目被認為是光伏材料最早和幕墻完美整合的公共建筑，因此被認為是第一個真正意義上的光伏建筑一體化項目。
傳統(tǒng)的BIPV產(chǎn)品透過率低，如何和建筑表皮結(jié)合，在相當(dāng)長的時間里，困擾著甲方以及建筑師。這段時間BIPV只能大量的被用于屋面、采光頂。
由John McAsian+Partners在2011年設(shè)計的倫敦國王十字火車站翻新工作項目中，工程主要包括修復(fù)原有建筑的南立面、重新粉刷南側(cè)和北側(cè)建筑的尖頂、翻新站臺和兩個筒形穹頂層面。其中主列車棚長250m，高22m，寬65m，橫跨8個站臺。改造工程立足于綠色環(huán)保目標(biāo)，最終在桶形拱頂屋頂上安裝了Sundog Energy的1400塊、大約2500㎡的玻璃光伏板，可替代10%的能源供應(yīng)。在玻璃-玻璃層壓板中，晶硅太陽能電池被封裝在透明塑料中，并夾在兩片透明玻璃之間。電池之間的間隙允許光通過 BIPV 層壓板傳輸?shù)浇ㄖ镏?。這樣實現(xiàn)了供能、采光、遮陽三合一的需求，是光伏產(chǎn)品與建筑比較好的結(jié)合范例。
▲ 倫敦國王十字車站室內(nèi)照片
光伏與采光頂?shù)慕Y(jié)合的手法較為常見，在2014年建成的荷蘭的內(nèi)梅亨大學(xué)Grotius教學(xué)樓的skylight項目上，建筑師采用了單塊玻璃點陣式布置的光伏玻璃產(chǎn)品，中庭屋頂采用透明太陽能板，既可以引入適量的自然光線，又可以產(chǎn)生一定的能源，光伏板成為玻璃的一部分，形成斑駁的光影，營造出舒適又愜意的氛圍。
▲ 內(nèi)梅亨大學(xué)Grotius教學(xué)樓
除了采光頂，在一些雨篷上，BIPV也被廣泛應(yīng)用。SOM在新加坡的超高層Tanjong Pagar Center項目的主入口采用了Onyx Solar的最新產(chǎn)品，該項目整合了位于大樓入口處的2600平米的大型光伏涼棚，裝機容量為125千瓦時。涼棚采用了858個非晶硅光伏玻璃模塊，尺寸為2456x1245毫米，半透明度為10%，這將使建筑在陽光的照射下每天能提供超過7000盞燈即每年125810千瓦時的能源。
2022年的8月12日，美國出臺《2022通脹削減法案》，對光伏行業(yè)的利好政策時間跨度長，補貼力度大，有研究表示，預(yù)計法案實施將刺激美國光伏行業(yè)進入爆發(fā)期，而國內(nèi)出口美國光伏組件的供應(yīng)商有望因美國內(nèi)需擴大而受益。
在美國華盛頓，2018年由建筑師Perkins+Will設(shè)計的華盛頓大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)大樓(LSB)，它為學(xué)生提供超過170,000平方英尺的開放和靈活的實驗室空間，以促進生物學(xué)領(lǐng)域研究的協(xié)作和跨學(xué)科方法，被設(shè)想為能源效率、創(chuàng)新和現(xiàn)場可再生能源方面的基準(zhǔn)項目。清潔能源的部署和使用是大學(xué)可持續(xù)發(fā)展氣候行動計劃的主要目標(biāo)，項目獲得了LEED金級認證。
Perkins+Will與大學(xué)城市基礎(chǔ)設(shè)施實驗室內(nèi)的跨學(xué)科團隊組成的UW-Solar學(xué)生小組合作設(shè)計并安裝了一個組合的100kW太陽能系統(tǒng)，其特點是在建筑物的西南立面安裝了一個創(chuàng)新的垂直光伏翅片系統(tǒng)，這些PV鰭片在美國尚屬首創(chuàng)，它們由非晶硅太陽能電池制成，可捕獲陽光并將其轉(zhuǎn)化為清潔電力。它們是全玻璃、半透明的，讓20%的可見光通過鰭片，每個翅片由三層夾層鋼化玻璃組成，每平方英尺提供3.15瓦的功率；它們是無框的，垂直且垂直（90度角）安裝在幕墻上；隱藏式接線盒和電線使建筑設(shè)計更加完美。建成后的生命科學(xué)樓率先運用創(chuàng)新太陽能技術(shù)，在室外安裝了同類首批豎向玻璃肋板太陽能光伏裝置，預(yù)計由此生成的電能足以滿足1150平方米以上辦公場所的全年照明需求。
▲ 室外局部放大圖
▲ 室內(nèi)玻璃飛翼光伏板實景圖
歐洲是全球最大的BIPV市場之一，截至2021年，歐洲的BIPV市場規(guī)模達到了9.6億歐元，占全球BIPV市場的近一半。各國政府均推出了一系列鼓勵BIPV發(fā)展的政策措施，包括減稅、補貼、建筑節(jié)能法規(guī)等。比較活躍的國家包括德國、法國、荷蘭和西班牙等。歐洲的BIPV技術(shù)不斷創(chuàng)新，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新型BIPV產(chǎn)品，如透明太陽能電池板、可彎曲電池板、有機太陽能電池板等。這些新技術(shù)可以更好地適應(yīng)不同的建筑需求，提高建筑物的節(jié)能效果和美觀度。
在斯洛伐克，Onyx Solar為布拉迪斯拉發(fā)這個標(biāo)志性雙城大廈（TWIN CITY TOWER）項目的幕墻提供了非晶硅技術(shù)。他們供應(yīng)的非晶硅玻璃為全黑，帶灰色熔塊圖案，可根據(jù)項目要求提供各種尺寸的玻璃，其中一些尺寸幾乎達到4平方米。他們提供的192片玻璃可實現(xiàn)25kW的峰值功率，這些玻璃被集中使用在塔樓與裙樓交接的部位以及塔冠的頂部區(qū)域。
雙城項目是由最大的國際開發(fā)商之一HB Reavis開發(fā)的新開發(fā)項目。它成為布拉迪斯拉發(fā)的重要標(biāo)志。
▲ 非晶硅黑色玻璃在塔裙交接及塔冠頂部處實景
▲ 非晶硅黑色玻璃在塔裙交接處局部放大實景
二十年多前，法國南部城市里昂就描繪了“智慧里昂”的城市愿景，2010年，其多功能混合社區(qū)Confluence被世界自然基金會認定為法國乃至歐洲的第一個可持續(xù)發(fā)展的社區(qū)。
坐落在Confluence社區(qū)內(nèi)，2015年完成新建的綜合建筑Hikari，全球知名日本建筑師隈研吾是其建筑風(fēng)格的主要把控者。
它第一次實現(xiàn)了法國政府提出的所有新建公共建筑都建成“Positive Energy Building”即“正能源建筑”的新要求，并成為該社區(qū)的智慧標(biāo)桿。Hikari建筑是一個開創(chuàng)性的項目，東、南、西三座優(yōu)雅而輕盈的現(xiàn)代建筑組成了歐洲第一個正能源的多功能社區(qū)，是歐洲的第一個正能源建筑群。其公寓、商店和辦公室使用的能源由Sunewat XL太陽能玻璃產(chǎn)生，該玻璃作為立面安裝，占地520米，該玻璃包含光伏電池，控制進入公寓的太陽能量，每年發(fā)電15000千瓦時。
德國作為世界上最早啟動能源轉(zhuǎn)型的國家，從2010年前后至今，德國的光伏產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)歷了爆發(fā)式增長、全民光伏的輝煌階段，也經(jīng)歷了2014年之后的補貼退坡而帶來的行業(yè)大滑坡，現(xiàn)如今已逐步回歸理性發(fā)展。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年德國可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量比例達到約43%，提前完成原定的2020年“可再生能源占比達35%”目標(biāo)，其中，光伏發(fā)電貢獻度達到近20%，德國的BIPV技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先水平。
由Ingenhoven architects設(shè)計的德國弗萊堡市政廳的一期工程于2018年完工，這座包含了行政辦公中心以及日間托兒所的市政廳是全世界第一個達到“能源盈余”標(biāo)準(zhǔn)的公共建筑。
立面采用了當(dāng)?shù)氐穆淙~松木，市政廳大樓的傾斜凸出的部分立面以縱向排布的、具有高隔熱性能的光伏板模塊構(gòu)成，立面上的光伏板能夠產(chǎn)生建筑運行所需的能源。這些分布于立面以及屋面上的光伏板每年生產(chǎn)的能量要多于自身消耗的能量；多出來的能量會被用于城市的電網(wǎng)系統(tǒng)。
基于嚴格的PassivHaus標(biāo)準(zhǔn)，市政廳大樓每年在空調(diào)、通風(fēng)和熱水供給方面的基本能源需求量僅為45kWh每平方米，僅為同類現(xiàn)代辦公建筑能源需求量的40%。
不僅是能源使用方面，該項目更貫徹了可持續(xù)性的原則，建筑師為之打造了具有針對性的技術(shù)解決方案，同時降低了運行成本。建筑可以通過吸水井和注水井、太陽能板以及熱泵的結(jié)合使用來生成所需的熱能；屋頂和立面的光伏板能夠產(chǎn)生電能；地?zé)嵫b置用于制冷和制熱。除此之外，熱質(zhì)量的激活裝置還能為每間辦公室?guī)砜蓡为毧刂频闹茻嵯到y(tǒng)，高效的熱回收系統(tǒng)則被用于機械通風(fēng)。
▲ 光伏板和玻璃幕墻結(jié)合的局部放大圖
2015年，在門興格拉德巴赫由建筑師Kadawittfeldarchitektur設(shè)計的的NEW-Blauhaus新藍屋即包豪斯大樓是鑲嵌在下萊茵大學(xué)校園中心的一顆璀璨的藍寶石。正如建筑師所解釋的那樣：“由于其概念是單人紙牌，它是一座沒有后立面的建筑，一座面向四面八方的公共空間的建筑。” 它由五個多面的立面組成，每個立面都覆蓋著由玻璃和光伏板組成的動態(tài)棋盤。
▲ 新藍屋軸側(cè)實景圖
▲ 光伏錯位玻璃
根據(jù)立面的方向，面板安裝在不同的傾斜度上，以最大限度地暴露在太陽輻射下。而在建筑物的北面，沒有陽光直射，面板被搪瓷玻璃取代，以保持圖案的一致性，面板之間是藍色玻璃面板，以相反的角度設(shè)置，將日光過濾到內(nèi)部，這種交替的蹺蹺板圖案為立面提供了深度，并創(chuàng)造了一個高效、自然通風(fēng)的雙層圍護結(jié)構(gòu)。這些策略造就了一座不僅引人注目而且完全碳中和的建筑。
德國的BIPV技術(shù)發(fā)展日新月異，世界著名的系統(tǒng)幕墻、門窗公司旭格也投入了大量的資源參與BIPV項目的生產(chǎn)制造和研發(fā)。
在杜塞爾多夫，建筑師RKW Architektur+設(shè)計的Bonneshof Office Center項目上，旭格將他們的定制化高性能的單元式幕墻系統(tǒng)與BIPV做了很好的結(jié)合，較好的達到了預(yù)期的效果。
隨著BIPV技術(shù)的創(chuàng)新、進步，越來越多的建筑，更為復(fù)雜的立面、曲面表皮、甚至雙曲面表皮項目開始使用BIPV技術(shù)。
2022年春在瑞士的巴塞爾，新展館Pavillon Novartis在巴塞爾諾華園區(qū)開放，該建筑位于萊茵河上，由建筑師Michele de Lucchi設(shè)計，作為一個公共空間，將成為公司、人口、校園和城市環(huán)境之間的交匯點。
▲ Pavillon Novartis 展館
新展館被半透明的媒體立面所覆蓋，它共有10000塊菱形有機光伏板和30000顆嵌入式LED，LED不僅向外發(fā)光，而且還向下方金屬外殼的方向發(fā)光——使它們的光通過半透明的太陽能模塊反射和閃爍。
Pavillon Novartis的幕墻采用了透明的硅太陽能電池板，這種電池板可以將光線轉(zhuǎn)化為電能，并且不會阻礙建筑內(nèi)部的采光。Pavillon Novartis的太陽能電池板每年可發(fā)電約15,000千瓦時，相當(dāng)于約4個普通家庭一年的用電量。
光伏板下的LED屏幕圖像則由巴塞爾的 HEK（電子藝術(shù)之家）策劃完成，展示了三位國際藝術(shù)家Daniel Canogar、Esther Hunziker和 Semiconductor的作品。Pavillon Novartis的BIPV技術(shù)設(shè)計非常注重美學(xué)效果，電池板在幕墻上形成了一種幾何圖案，使建筑看起來非?，F(xiàn)代化。
毫不夸張的，該項目是藝術(shù)、幕墻的完美結(jié)合，也是光伏玻璃、LED的完美結(jié)合，算得上BIPV發(fā)展史上最為成功的項目之一。
▲ 透明光伏玻璃近距離安裝放大圖
▲ Pavillon Novartis 實景圖
亞洲是BIPV技術(shù)的主要市場之一。日本起步較早，以中國、韓國為代表的國家，目前正在高速發(fā)展和追趕，積極推廣BIPV技術(shù)的應(yīng)用，特別是韓國，許多大型商業(yè)和住宅建筑都已經(jīng)采用了這種技術(shù)。
除了新建建筑之外，BIPV也被充分的應(yīng)用到了在舊改項目上。
在韓國的首爾清川溪，來自荷蘭的著名建筑師UN Studio在Ben Van Berkel的指導(dǎo)下成功完成了韓華集團總部大樓的 “原地改造”的工作。韓華集團是全球太陽能電池板行業(yè)的翹楚，除了視覺上的改變以外，韓華要求他們反映可持續(xù)理念，進行綠色外觀設(shè)計。
為了滿足這兩方面的要求，UN Studio團隊創(chuàng)建了一個“反應(yīng)型立面”，利用太陽能減少了建筑物的用電量，同時實現(xiàn)了視覺上引人注目的外觀設(shè)計。在落地環(huán)節(jié)，以每三層空間為一組，每組的室內(nèi)改造和外立面翻新，整個改造工程完全不影響韓華員工的正常工作。
▲ 改造前
▲ 改造后
▲ 竣工后整體全貌
在設(shè)計時，對日光量較少的立面，建筑師考慮采用平面鋁制框架，保證更多的自然光照射，降低對人工照明的需求，同時還使用更薄的窗戶，讓更多的太陽光線照射進來，以減少冬季取暖用化石燃料的需求。
而日照量多的區(qū)間使用更厚的隔熱窗戶，以降低建筑物的熱負荷，減少夏季空調(diào)的使用量。這些區(qū)間的鋁制框架也呈一定角度，為室內(nèi)工作人員提供蔭涼。光伏組件集成到立面的鋁制框架中，進一步降低了韓華大廈的能源消耗。
由于韓華大廈缺乏足夠的屋頂空間，組件安裝在陽光接收量最多區(qū)間的遮陽板上，韓華大廈外面安裝的韓華Q CELLS的Q.PEAK組件共達275平方米，發(fā)電能力與韓華大廈每年800千瓦時/平方米的傳統(tǒng)用電量相當(dāng)。
▲ 光伏組件和立面的結(jié)合局部放大實景照片
▲ 光伏組件和立面的結(jié)合放大實景照片
▲ 光伏板的大致分布及墻身局部模型
歐盟在2022年6月推出的名為“RepowerEU”的能源計劃中，提到將建立專門的歐盟太陽能戰(zhàn)略，目標(biāo)在2025年將歐洲光伏裝機規(guī)模較現(xiàn)在翻一番，且在2030年完成600GW的裝機目標(biāo)，并建議“為所有新建建筑和所有能源性能等級D級及以上（最耗能）的現(xiàn)有建筑安裝屋頂光伏設(shè)備”。
BIPV技術(shù)發(fā)展日新月異，據(jù)市場研究公司MarketsandMarkets的預(yù)測，全球 BIPV市場規(guī)模將在未來五年內(nèi)復(fù)合增長率達17.0%左右。
未來的BIPV的發(fā)展趨勢會是以下幾點：
01
成本逐漸下降
隨著太陽能電池板的制造成本不斷降低，BIPV技術(shù)的采用成本也將不斷降低。
02
材料技術(shù)的不斷創(chuàng)新
新型材料的出現(xiàn)和技術(shù)的不斷進步，使得BIPV系統(tǒng)在設(shè)計上更加多樣化和靈活。
03
產(chǎn)業(yè)鏈的完善
BIPV技術(shù)需要太陽能電池板制造商、建筑設(shè)計師、建筑施工商和電力公司等多個行業(yè)的合作，未來將有更多的產(chǎn)業(yè)鏈合作出現(xiàn)，從而推動BIPV技術(shù)的發(fā)展。
04
政策支持
政府出臺的環(huán)保政策和能源政策對于BIPV技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用，各國政府將會出臺更多的政策來鼓勵BIPV技術(shù)的采用和發(fā)展。
隨著城市化的不斷發(fā)展，高層建筑的數(shù)量不斷增加，BIPV技術(shù)的應(yīng)用前景也將越來越廣泛，未來還可能出現(xiàn)更多的新型材料和技術(shù)，使得BIPV系統(tǒng)更加高效和可持續(xù)。總體來說，BIPV技術(shù)在未來將會成為建筑設(shè)計中的重要組成部分，為全球清潔能源的發(fā)展做出貢獻。
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