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趙帥北京建筑節(jié)能研究發(fā)展中心2022-03-05 17:00

本文轉(zhuǎn)自《城鎮(zhèn)建設(shè)》2021年第26期

光伏能源是一種很有發(fā)展前景的清潔能源，有助于推動(dòng)可持續(xù)城市的發(fā)展和減緩全球變暖。在傳統(tǒng)建造中，一般光伏構(gòu)件只考慮附著于建筑物上，作為"安裝型"太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，與原有建筑功能互不干擾，各自為政進(jìn)行運(yùn)作。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏構(gòu)件類型日益豐富，可以取代傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，兼具美觀與功能性，與建筑一體化相結(jié)合，可以安裝于不同的建筑表皮，如幕墻、窗戶和陽(yáng)臺(tái)等。目前，第一代和第二代光伏技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于墻、屋頂和窗戶，而第三代光伏技術(shù)正在進(jìn)行嚴(yán)格地探索，以找到其潛在的適用性。為減輕集成光伏的溫度升高問(wèn)題，可以采用主動(dòng)和被動(dòng)降溫，而被動(dòng)降溫技術(shù)對(duì)建筑物本身的降溫有重要影響。此外積雪、灰塵和附近建筑物的遮擋可能是BIPV/BAPV應(yīng)用的效率降低的原因所在。

BIPV；BAPV；溫度；能耗；灰塵；雪；陰影；主動(dòng)式；被動(dòng)式

1.1光伏建筑的必要性

由于城市化和人口的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2035年世界能源消費(fèi)量將比1990年增長(zhǎng)50%，這將對(duì)建筑能耗產(chǎn)生影響。目前，由于制熱、制冷和人工照明等負(fù)荷，全球建筑耗能占化石燃料能耗的40%。此外，發(fā)電過(guò)程中排放的污染氣體也對(duì)環(huán)境造成很大的影響。紐約、舊金山、東京、香港等特大城市建筑業(yè)的能源消耗和溫室氣體排放甚至遠(yuǎn)高于其交通部門。國(guó)際目標(biāo)是將所有高耗能建筑轉(zhuǎn)變?yōu)榱隳芎幕騼袅隳芎慕ㄖ?，采用綠色能源替代化石燃料。在歐洲，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在2020年底新建建筑按照零耗能標(biāo)準(zhǔn)修建。在英國(guó)，政府制定到2050年國(guó)家排放量減少80%的目標(biāo)。在亞洲，日本規(guī)定到2020年所有新建公共建筑和2030年所有新建住宅建筑應(yīng)為零能耗。在美國(guó)，到2020年新建住宅應(yīng)為零能耗，到2030年新建商業(yè)建筑應(yīng)為零能耗。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)通過(guò)使用節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)減少建筑的一次能源使用。

光伏技術(shù)是通過(guò)利用豐富的、取之不盡、清潔的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生良性能源的技術(shù)。至2018年底，全球光伏容量超過(guò)500GW。全球光伏技術(shù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以1.7%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，從2019年的421億美元增長(zhǎng)到2024年的467億美元。在歐洲，到2020年通過(guò)安裝1500 GWp的光伏發(fā)電廠生產(chǎn)1400 TWh的電能，可滿足40%的電力需求，該發(fā)電廠需要22000 km2的底層建筑面積、40%的現(xiàn)有建筑屋頂和15%的建筑立面。在建筑物中使用光伏裝置取代建筑物的實(shí)際恒載（即墻壁、混凝土屋頂?shù)龋剂舷?，產(chǎn)生建筑能源，進(jìn)而提供無(wú)污染環(huán)境。此外，通過(guò)替換不透明的建筑立面來(lái)引入采光，從而為辦公樓節(jié)省50–80%的人工照明、11%的冷負(fù)荷和13%的電力消耗。在玻璃、鋼和其他普通覆層材料上添加光伏，只會(huì)增加2-5%的額外成本。現(xiàn)在通過(guò)建筑集成（BI）或建筑附著（BA）光伏技術(shù)，可以將光伏納入建筑中。

光伏建筑一體化（BIPV）是將光伏集成在建筑上，建筑集成光伏是作為建筑的一個(gè)組成部分，用光伏替代傳統(tǒng)的建筑材料或外殼，如屋頂、窗戶、中庭和遮陽(yáng)構(gòu)件等部位，同時(shí)生產(chǎn)電力Error: Reference source not found。玻璃型半透明型BIPV結(jié)構(gòu)具有更廣泛的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗軌驅(qū)⒆匀徊晒庖虢ㄖ覂?nèi)空間，控制太陽(yáng)能增益，并提供從室內(nèi)到室外的視野。同時(shí)半透明型BIPV也有希望應(yīng)用于大型玻璃幕墻建筑。

BIPV現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)清潔能源，減少了輸配電損耗，由于缺少活動(dòng)部件，因此在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。BIPV可以維持白天的照明，控制熱傳導(dǎo)和發(fā)電。其性能主要取決于當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件、傾斜角度和材料類型。為了從BIPV系統(tǒng)獲得電力，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC），用于建筑和電網(wǎng)。BIPV系統(tǒng)的主要組成部分是由光伏電池制成的光伏器件。BIPV系統(tǒng)其他必要組件為平衡系統(tǒng)（BOS），包括逆變器、存儲(chǔ)設(shè)備（電池）、控制開(kāi)關(guān)、電線和支撐結(jié)構(gòu)。

由于光伏的發(fā)展，目前一些研究學(xué)者已進(jìn)行了廣泛的研究。Tripathy等人回顧并提出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的最新技術(shù)及其性能以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)條件，這表明屋頂集成BIPV對(duì)于不間斷吸收太陽(yáng)輻射是有利的。在考慮生命周期的情況下，與其他光伏技術(shù)相比，單晶光伏產(chǎn)生的溫室氣體要高得多。Biyik等人從發(fā)電量、額定功率、效率、類型和性能評(píng)估方法等方面對(duì)BIPV及其應(yīng)用的熱調(diào)節(jié)進(jìn)行了調(diào)查。另一項(xiàng)BIPV和BIPVT調(diào)查表明，BIPVT系統(tǒng)是未來(lái)能源消耗較少的建筑應(yīng)用。Seretta等人對(duì)城市地區(qū)建筑能源需求和BIPV改造率的進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，并預(yù)測(cè)這兩個(gè)學(xué)科可以融合在一起，多功能BIPV元件可以提高建筑的能源性能，并在城市環(huán)境中利用太陽(yáng)輻射發(fā)電。

本文綜述了BIPV的發(fā)展史、優(yōu)點(diǎn)、面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，以及解決這些問(wèn)題的方法和潛在的未來(lái)應(yīng)用等方面。

光伏技術(shù)至今已發(fā)展了三代，其中第一代和第二代已經(jīng)用于BIPV，BAPV應(yīng)用，第三代正在探索其集成應(yīng)用方面的潛能。

2.1第一代晶體硅光伏電池（單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池）

晶體硅（c-Si）光伏電池由硅片制成，可分為單晶硅/單晶硅（m-Si）和多晶/多晶硅（p-Si）。c-Si光伏技術(shù)成熟、無(wú)毒、豐富且具有長(zhǎng)期性能。

2.2第二代薄膜技術(shù)（非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池）

碲化鎘（CdTe）、硫化銅銦硒化鎵（Cu（In，Ga）Se2，CIGS）和非晶硅（a-Si）是第二代光伏技術(shù)，與晶體硅太陽(yáng)能電池相比，具有較低的制造成本和較低的溫度系數(shù)。然而，與晶體硅光伏電池相比，太陽(yáng)能-電轉(zhuǎn)換效率較低，長(zhǎng)期戶外暴露后性能下降是使用該技術(shù)的重大障礙。輻照度、光譜、入射角、環(huán)境溫度和風(fēng)速對(duì)薄膜技術(shù)性能的影響也與c-Si技術(shù)類似；但是，與c-Si技術(shù)相比，溫度依賴性較弱。這些技術(shù)比單晶或多晶吸收太陽(yáng)光譜的效率更高，僅使用1–10μm的活性材料。

太陽(yáng)能生產(chǎn)能量效率接近卡諾極限或達(dá)到95%。然而，由于肖克利奎伊瑟極限（S-Q極限）的制約，第一代和第二代太陽(yáng)能電池理論轉(zhuǎn)換率僅為31%。單p-n節(jié)電池的剩余能量會(huì)以熱的形式流失。第三代太陽(yáng)能電池不受這種S-Q極限。第三代太陽(yáng)能電池是通過(guò)高效轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生低成本電力。其主要類型有模仿光合作用原理的染料敏化太陽(yáng)能電池、利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、以有機(jī)半導(dǎo)體作為實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的活性材料的有機(jī)光伏電池等。

光伏電池對(duì)比分析如下（表1）：

3.1高溫下光伏性能退化

光伏電池將入射光的某一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為電能，而其余的則作為熱量散失。只有15-20%入射的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，其余均轉(zhuǎn)化為熱量，從而導(dǎo)致光伏板發(fā)熱。c-Si、a-Si、CdTe、CIGS 光伏性能在溫度升高時(shí)功率呈線性下降。c-Si的功耗最大，a-Si的功耗最小。隨著溫度的升高，c-Si、a-Si、CdTe和CIGS光伏的反向飽和電流增大，開(kāi)路電壓分減小，進(jìn)而降低填充因子，因此光伏電池實(shí)際運(yùn)行效率低于其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件（STC）值，且光伏電池上的長(zhǎng)期熱應(yīng)力也會(huì)損壞光伏組件。

溫度對(duì)第三代光伏電池的影響與第一代或第二代光伏電池不同。在實(shí)際運(yùn)行條件下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的溫度很容易達(dá)到45°C。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在?5°C下的轉(zhuǎn)換效率比在22°C下低5%。在80°C下開(kāi)路電壓和短路電流顯著降低，降低36.0±5.5%[4]。表2列出了不同光伏器件的溫度系數(shù)。

光伏系統(tǒng)的散熱可以通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)的散熱的方法來(lái)提高光伏性能。被動(dòng)式系統(tǒng)依賴于對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射，而主動(dòng)式系統(tǒng)利用泵或風(fēng)機(jī)維持空氣或水在光伏板前部或后部流動(dòng)，以達(dá)到冷卻目的，如圖一所示。因此，納入熱調(diào)節(jié)的光伏系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能，與類似的非熱調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)相比，年均提高15-30%的能量輸出。由于硅光伏效率的不利影響，與有機(jī)或薄膜技術(shù)相比，晶體硅光伏電池的溫度調(diào)節(jié)是最經(jīng)濟(jì)的。

光伏和建筑立面元件之間的間隙應(yīng)在10至15 cm之間，通過(guò)自然通風(fēng)，從而降低光伏設(shè)備的溫度并提高電力輸出的產(chǎn)能。光伏和建筑表皮之間的間隙不會(huì)產(chǎn)生熱橋，熱傳導(dǎo)會(huì)使多余的太陽(yáng)熱能進(jìn)入建筑空間，并降低光伏效率。無(wú)需維護(hù)、初始成本低、無(wú)噪音、無(wú)耗電、集成更簡(jiǎn)單是被動(dòng)式熱調(diào)節(jié)（自然通風(fēng)）的優(yōu)勢(shì)。然而，由于低導(dǎo)熱系數(shù)、低密度、低體積熱容和低空氣質(zhì)量流量，自然通風(fēng)對(duì)光伏性能的影響有限。由于風(fēng)速對(duì)該系統(tǒng)有影響，較高的風(fēng)速可以顯著降低光伏溫度，而較低的風(fēng)速會(huì)限制熱量的損失。

（a）PV/水、PV/水+玻璃、PV/空氣和PV/空氣+玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕孛鎴D

（b）BIPV–PCM系統(tǒng)能量流示意圖

使用主動(dòng)強(qiáng)制氣流循環(huán)調(diào)節(jié)光伏溫度需要一個(gè)輔助泵，產(chǎn)生的熱空氣可用于建筑采暖需求、農(nóng)業(yè)/草藥干燥、增加通風(fēng)以及發(fā)電。在光伏板后面使用風(fēng)管/集熱器可以散熱，增加均勻氣流速率、集熱器直徑和集熱器長(zhǎng)度可提高光伏系統(tǒng)的熱效率和電效率。

在光伏裝置頂部或后部使用水流可以保持光伏裝置的STC溫度，并且水比空氣具有更高的熱容。這些水可用于建筑熱水供應(yīng)。與強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)相比，自然循環(huán)水PVT系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。采用水和空氣降溫均可以滿足建筑的季節(jié)性能源需求，空氣模式將在冬季提供熱空氣，以減少空調(diào)熱負(fù)荷，水可以全年使用。

此外，還有采用納米級(jí)流體與相變材料來(lái)調(diào)節(jié)光伏溫度。納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合光伏熱系統(tǒng)的熱性能影響顯著，對(duì)電性能影響較小。相變材料與空氣和水循環(huán)相比，傳熱率更高，但成本較高、有毒、消防安全問(wèn)題、強(qiáng)腐蝕性、生命周期結(jié)束后的處置問(wèn)題。

BIPV/BAPV系統(tǒng)的主要熱調(diào)節(jié)工作是基于第一代晶體硅太陽(yáng)能電池，第二代、第三代使用較少。利用第三代光伏技術(shù)大規(guī)模開(kāi)發(fā)BIPV/BAPV是限制熱調(diào)節(jié)工作探索的最大挑戰(zhàn)。此外，第三代光伏的熱性能知識(shí)還沒(méi)有很好得建立。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂虻牟煌?，BIPV和BAPV都會(huì)受到灰塵、雪和周邊或樹(shù)木遮蔽的影響Error: Reference source not found。沉積的粉塵粒徑在1到50μm之間變化，這會(huì)對(duì)光伏產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，從而降低通過(guò)光伏表面玻璃的太陽(yáng)透射，進(jìn)而降低功率輸出。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率也隨灰塵沉積密度、風(fēng)速和濕度、顆粒直徑和光伏傾角而變化。中東和北非是世界上灰塵積聚最嚴(yán)重的地區(qū)，即使在英國(guó)世界上最清潔的地區(qū)，連續(xù)暴露一個(gè)月后，灰塵也會(huì)使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率降低5–6%。在一定的曝光時(shí)間內(nèi)，光伏板傾斜角度的增加會(huì)降低粉塵沉積密度。對(duì)于恒定傾角，粉塵沉積密度隨暴露天數(shù)的增加而增加。在另一項(xiàng)研究表明，每積累1g/m3的灰塵，光伏組件的效率就會(huì)下降33%。強(qiáng)降雨會(huì)降低土壤污染，2014年旱季和雨季開(kāi)始時(shí)，印度尼西亞Politeknik Elektronika Negeri大樓（經(jīng)度112.533°，緯度7.2361°）三樓的外露光伏顯示，光伏組件輸出功率減少了2.05%，而被短暫降水清潔后的光伏組件，其輸出功率增加到87.29%[5]。以此可見(jiàn)光伏上累積的灰塵會(huì)增加電力成本。

光伏組件頂部積雪會(huì)降低發(fā)電量，因?yàn)槿肷涮?yáng)輻射在光伏上的傳輸率較低Error：Reference source not found。當(dāng)積雪較輕且易于融化時(shí)，發(fā)電損失較??；而當(dāng)積雪較大且不會(huì)迅速融化或脫落時(shí)，對(duì)光伏發(fā)電影響較大。這是因?yàn)檠┰诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)是高度散射的光學(xué)介質(zhì)，即使是薄薄的一層雪也是明亮的白色，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下反射整個(gè)太陽(yáng)光譜，并且?guī)缀醪煌干洹?厘米厚的小雪可以減少90%的可見(jiàn)光傳輸，而10厘米厚的雪層可以減少95%的可見(jiàn)光傳輸和99%的紅外傳輸。積雪覆蓋的光伏板的年產(chǎn)量損失與累積的雪量成正比，并與面板傾斜角度的平方余弦成正比。入射太陽(yáng)輻射與晶體硅電池效率之間存在對(duì)數(shù)相關(guān)性，而非晶硅和砷化鎵電池的效率受這種弱輻照度的影響較小。然而，冰雪覆蓋的地面會(huì)增強(qiáng)太陽(yáng)輻射的反射，這反過(guò)來(lái)又增加了入射到光伏上的總太陽(yáng)輻射，從而在傾角最佳時(shí)反而會(huì)提高光伏板的產(chǎn)電量。在瑞士多雪地區(qū)，降雪可使電產(chǎn)量增加10%。

樹(shù)木、高樓大廈、和掠過(guò)的云層是BIPV和BAPV系統(tǒng)上最常見(jiàn)的陰影遮擋。平行排列的傾斜的光伏板由于自身遮光性也限制了太陽(yáng)輻射。Das等人將陰影分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及軟硬兩種。緩慢變化的太陽(yáng)角度是靜態(tài)陰影，而快速變化的云是動(dòng)態(tài)陰影。飛鳥(niǎo)或附近樹(shù)木造成的陰影是軟陰影，而光伏組件被完全遮擋則是硬陰影。

通過(guò)自然降水、風(fēng)力或重力、機(jī)械、機(jī)電、靜電和自清潔方法清除BIPV/BAPV模塊表面的灰塵。但降雨具有季節(jié)不穩(wěn)定性。刷洗、吹掃、振動(dòng)和超聲波驅(qū)動(dòng)是光伏除塵的機(jī)械方法。刷洗對(duì)于粒徑小、粘附性強(qiáng)的粉塵，這種方法不是很有效。吹掃需要使用來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)，這需要額外能量來(lái)操作。機(jī)電方法包括震動(dòng)或振動(dòng)光伏組件陣列，并使用亞音速或超聲波打破塵埃粒子。美國(guó)宇航局（NASA）提出了靜電方法來(lái)減輕灰塵對(duì)月球太陽(yáng)能電池板的負(fù)面影響。當(dāng)單相或多相交流電源在表面產(chǎn)生電磁場(chǎng)時(shí)，附著的平行或螺旋形透明抗紫外線輻射塑料板會(huì)排斥灰塵顆粒。

自清潔方法可分為疏水性和光催化親水性。超疏水和疏水適用于冬季雪堆積的情況，超親水和親水適用于清潔灰塵覆蓋的BIPV/BAPV。超疏水涂層可以提高c-Si光伏組件10%的最大功率。添加TiO2和KH550超親水涂層PV最大可提高4.3%的效率。通過(guò)使用憎冰表面涂層可進(jìn)一步改善積雪問(wèn)題。表3總結(jié)了不同清潔方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

三代光伏技術(shù)發(fā)展均有其自身的問(wèn)題。第一代晶體硅光伏組件占有市場(chǎng)份額達(dá)90%以上。第一代商用光伏電池板消耗銀量為每單元100毫克。減少硅光伏電池后觸點(diǎn)的銀使用，部分使用鋁替代，這已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)做法，但還不適用于正面部分。因此，減少用于接觸的銀需求是確保光伏發(fā)電持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

CdTe光伏技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要兩個(gè)關(guān)鍵元素，分別是鋅和銅的副產(chǎn)品鎘和碲。在23種半導(dǎo)體材料未來(lái)提取成本統(tǒng)計(jì)中，CdTe是第五貴的半導(dǎo)體材料?？捎庙趦?chǔ)量可支持2020年1438 GWp、2050年19149 GWp和2075年20211 GWp的CdTe太陽(yáng)能發(fā)電。

第三代光伏電池由于其調(diào)節(jié)透明性的能力而在BIPV應(yīng)用中特別受到關(guān)注。然而，目前它們面臨著大規(guī)模制造的問(wèn)題，主要是材料在環(huán)境暴露下的降解和效率的下降的問(wèn)題。

目前沒(méi)有光伏建筑的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或指南。將BIPV系統(tǒng)集成到建筑物中需要大量電纜連接，這些電纜連接可能穿過(guò)屋頂。因此，布線和連接、固定件故障、孤島現(xiàn)象等安裝問(wèn)題可能會(huì)在光伏集成到建筑的過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題。因此，在制定規(guī)范的同時(shí)，應(yīng)綜合考慮火災(zāi)、電力短路、電線故障等安全問(wèn)題。此外，還應(yīng)考慮噪聲防護(hù)的問(wèn)題。由于雪、冰、風(fēng)對(duì)BIPV造成的額外荷載，可能會(huì)導(dǎo)致BIPV系統(tǒng)彎曲，產(chǎn)生維修或更換設(shè)備等問(wèn)題。因此，規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化至關(guān)重要，它可以解決建筑結(jié)構(gòu)和BIPV集成中的一系列問(wèn)題。

為了獲得能量利用有效且耗能少的建筑，我們需要優(yōu)化現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)，包括建造和運(yùn)營(yíng)。對(duì)于新建筑物，可以在建造這棟建筑之前（在設(shè)計(jì)階段）就考慮這些問(wèn)題；而對(duì)于那些需要改造的建筑物，則需要考慮建筑物的歷史數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到此目的。因此，建筑能源建模正變得越來(lái)越重要，通過(guò)建模我們不僅可以比較不同的建筑組件，而且可以根據(jù)能源標(biāo)準(zhǔn)要求，在特定位置設(shè)置有效且合適的組件。因而，將建筑能源建模結(jié)合光伏（尤其是BIPV / BAPV）是分析自給自足型建筑（包括低能需/低能耗/零能耗/環(huán)境自適應(yīng)建筑）的普遍做法。

研究人員需要具備建筑設(shè)計(jì)和工程知識(shí)才能更好的將光伏集成到建筑物中，通常建筑師和工程師需要通過(guò)軟件工具來(lái)對(duì)建筑設(shè)計(jì)和分析。建筑信息模型平臺(tái)（BIM）通過(guò)解決多階段復(fù)雜的建筑場(chǎng)景，使得建筑師、工程師以及施工人員都可以從中受益。BIM包含參數(shù)可計(jì)算數(shù)據(jù)，例如建筑幾何描述，建筑類型和熱屬性，這些數(shù)據(jù)對(duì)于建筑項(xiàng)目是必需的，并且BIM特別適用于那些需要快速設(shè)計(jì)，規(guī)劃和決策，成本估算的建筑項(xiàng)目。為建筑生命周期建立數(shù)據(jù)庫(kù)。通常需要使用AutoCAD，MyArchiCAD，Auto Desk Revit和Sketchup這些建筑工具用于光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是，對(duì)于建筑能源模型（BEM），操作人員則需要使用完整的軟件包，因?yàn)樵摾L圖軟件只能提供3d建筑幾何形狀，而PV設(shè)計(jì)系統(tǒng)將為建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特定位置和屬性提供PV參數(shù)，例如建筑的窗戶、屋頂、墻壁和門。當(dāng)前的建筑節(jié)能軟件包括DOE-2，eQuest，DesignBuilder，Ecotect，Energy-10，Green Building Studio，IESVE，HEED和EnergyPlusError: Reference source not found。EnergyPlus的圖形用戶界面（GUI）包含以下這些組件：AECOsim, CYPE-Building Services, DesignBuilder, Demand Response Quick Assessment Tool, Easy EnergyPlus, EFEN, Hevacomp, OpenStudio, Simergy, and SMART ENERGY。OpenStudio使用SketchUp插件來(lái)創(chuàng)建建筑物幾何編輯器；OpenStudio應(yīng)用程序作為主要的能源建模界面 RunManager和ResultsViewer作為模擬界面。基于BIM的建筑能源模型（BEM）是用于減少能源消耗的建筑模擬的潛在工具。BIM中存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)需要從BIM到BEM的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。但是并非總是需要將BIM信息轉(zhuǎn)換為BEM，或者所有必需的參數(shù)不必全來(lái)自于BIM。例如，建筑模型中的房間并不總是指示能源模擬模型中的區(qū)域，并且邊界條件或熱區(qū)信息均未存儲(chǔ)在BIM中。

BAIM的BIM-BEM輸入?yún)?shù)不同于BIPV。對(duì)于BAPV，所需的輸入?yún)?shù)包括建筑位置，PV規(guī)格（效率，額定功率），傾斜角和逆變器詳細(xì)信息。對(duì)于BIPV，除了前面提到的參數(shù)，還需要提供PV的透射率，日光透射率，太陽(yáng)熱增益因子或太陽(yáng)能的透射率，熱傳遞率或總傳熱系數(shù)。EnergyPlus（建筑能耗模擬工具）需要輸入以下參數(shù)：光伏組件面積，效率，開(kāi)路電壓，短路電流，最大功率點(diǎn)的電壓，最大功率點(diǎn)的電流，功率溫度系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，紅外發(fā)射率，U值，太陽(yáng)熱增益系數(shù)和可見(jiàn)光透射率，BIPV導(dǎo)致的室內(nèi)日照度。用于優(yōu)化BIPV傾斜角度的BIM和Autodesk Revit中的BIM API程序以前曾被用來(lái)模擬光伏發(fā)電。

5.1 BIPV/BAPV的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

BIPV/BAPV的環(huán)境效益分析是光伏原材料、光伏系統(tǒng)制造、運(yùn)行和維護(hù)等過(guò)程中必不可少的研究，要從光伏系統(tǒng)的生命周期分析（LCA）去分析其環(huán)境效益。分析表明，每生產(chǎn)1kWh的電量，光伏發(fā)電僅排放二氧化碳35g，而煤炭排放1138.8g。這些數(shù)據(jù)清楚地表明了光伏對(duì)環(huán)境的積極影響。此外，光伏系統(tǒng)的能量回收期（EPBT）表明光伏在其使用生命周期內(nèi)可達(dá)電力平衡或凈零增益。在香港屋頂BAPV系統(tǒng)的回收期為7.3年，但其方位角和傾斜角變化較大。當(dāng)光伏朝向南方并保持最佳角度時(shí)，溫室投資回收期僅為5.2年。而臺(tái)灣回收期則需要10年時(shí)間，這意味著在低能耗建筑集成光伏在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量回收是可能的。

使用光伏建筑系統(tǒng)以降低建筑成本也是目前廣受關(guān)注的話題之一。據(jù)報(bào)道，BIPV建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的造價(jià)明顯高于傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的造價(jià)。與傳統(tǒng)瓷磚相比，BIPV瓷磚可增加2%的成本（Hammond等人，2012），BIPV窗戶每平方米可增加350-500美元，而在商業(yè)建筑中，BIPV可增加總建筑成本的2-5%。BIPV/BAPV系統(tǒng)的其他費(fèi)用主要來(lái)自BOS、運(yùn)輸和安裝。大多數(shù)情況下，BOS僅占整個(gè)項(xiàng)目成本的10–16%，其中逆變器和存儲(chǔ)系統(tǒng)是安裝和運(yùn)行期間的主要成本。然而，對(duì)于光伏建筑其成本應(yīng)包含兩方面，一是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本，二是發(fā)電產(chǎn)生的額外效益。BIPV/BAPV通過(guò)產(chǎn)生綠色電能，降低供熱、制冷、照明負(fù)荷，降低用電量，滿足建筑能源需求，并將多余的電能輸出到電網(wǎng)。因此，BIPV/BAPV比傳統(tǒng)的建筑成本具有更高的成本效益。

光伏建筑一體化具有很深的社會(huì)影響以及廣泛的社會(huì)效益。眾所周知，國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)依賴城市化進(jìn)程，而城市化的快速發(fā)展將增大電力負(fù)荷，很多國(guó)家及地區(qū)主要依賴進(jìn)口化石燃料能源發(fā)電。因此，要保持經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)與城市化進(jìn)程，成為一個(gè)能源安全的國(guó)家，推行BIPV至關(guān)重要。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電廠會(huì)排放顆粒物（PM），以及SO2和NOx、CO2和CO等有害氣體，帶來(lái)溫室效應(yīng)，影響人的呼吸系統(tǒng)。因此，用BIPV替代燃煤電廠，既有利于國(guó)家發(fā)展，又能在不污染環(huán)境的前提下促進(jìn)能源經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。此外，輸電和配電損耗的減少為能源供應(yīng)商提供了降低電價(jià)的機(jī)會(huì)。

BIPV技術(shù)的最終用戶仍然對(duì)BIPV/BAPV系統(tǒng)在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)的投資、安裝成本、維修和維護(hù)成本一無(wú)所知?；蛘邇H知道系統(tǒng)成本，但不了解長(zhǎng)期效益。因此，應(yīng)該有一個(gè)明確的成本效益分析，以便對(duì)用戶有所幫助。雖然自1980年以來(lái)，光伏組件的價(jià)格下降了10倍，但能源回收時(shí)間的具體數(shù)據(jù)并不多見(jiàn)。此外，投資回收期長(zhǎng)、前期資金成本高、BIPV效率低可能會(huì)導(dǎo)致高電價(jià)。光伏電池效率低也是廣泛使用BIPV/BAPV的另一個(gè)障礙。低效率降低了功率轉(zhuǎn)換，從而增加了資本成本并延遲了光伏系統(tǒng)的能量回收期。因此，為了推廣BIPV技術(shù)，應(yīng)該實(shí)施對(duì)光伏的激勵(lì)政策。目前，許多國(guó)家均已出臺(tái)了激勵(lì)計(jì)劃，1995年德國(guó)啟動(dòng)了”千人太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃“，2010年美國(guó)啟動(dòng)了“萬(wàn)千太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃“，中國(guó)啟動(dòng)了“促進(jìn)建筑太陽(yáng)能應(yīng)用的實(shí)施建議”，以推廣BIPV/BAPV技術(shù)。此外，英、美、亞洲和歐盟在內(nèi)的許多國(guó)家實(shí)行的零碳計(jì)劃，使BIPV在建筑領(lǐng)域的普及率不斷上升，預(yù)計(jì)2023年BIPV市場(chǎng)平均年增長(zhǎng)率將達(dá)到1120億美元。

光伏系統(tǒng)依據(jù)其集成度和用途可劃分為BIPV和BAPV，本文回顧了建筑物中光伏系統(tǒng)的可用性和未來(lái)潛力。由于半透明光伏材料具有多種功能屬性，例如可替換性、絕緣性、可日光直射以及發(fā)電等，在建筑墻體、屋頂、窗戶等部位結(jié)合光伏板的研究廣受重視。然而B(niǎo)IPV /BAPV都易受到溫度，積塵和積雪的影響。通過(guò)使用主動(dòng)或被動(dòng)熱調(diào)節(jié)，可以將光伏板使用過(guò)程產(chǎn)生的高溫影響降至最低，而灰塵等造成的遮蔽作用則需要一定的清潔機(jī)制來(lái)處理。光伏技術(shù)集成于建筑物，形成自給自足型零能耗建筑是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)BIM信息平臺(tái)整合資源，對(duì)建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)、成本以及整個(gè)生命周期能耗進(jìn)行分析模擬，形成更為經(jīng)濟(jì)、美觀、合理的建筑方案。同時(shí)鑒于光伏建筑良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益與人們認(rèn)知的局限性，要推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化，形成良性循環(huán)激勵(lì)機(jī)制，從而促進(jìn)光伏建筑的廣泛推廣與使用。