BIPV，即光伏建筑一體化。英文全稱(chēng)是Building Integrated Photovoltaic，它是一種將太陽(yáng)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(gè)行業(yè)的技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了可再生能源的應(yīng)用，又降低了建筑能耗，還滿(mǎn)足了建筑的美觀實(shí)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(shí)間里，BIPV產(chǎn)品高速發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個(gè)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(yáng)能電池板。這些產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是易于安裝、維護(hù)，缺點(diǎn)是外觀不夠美觀，不能滿(mǎn)足建筑師對(duì)設(shè)計(jì)的要求。
第二代BIPV
2000s-2010s
第二代BIPV產(chǎn)品開(kāi)始將太陽(yáng)能電池板集成到建筑的外觀中，以達(dá)到更好的外觀效果。這些產(chǎn)品的例子包括太陽(yáng)能屋頂瓦片和太陽(yáng)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(diǎn)是實(shí)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(hù)、屋頂和陽(yáng)臺(tái)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(shū)館（The?Pompeu?Fabra?Library）被很多人認(rèn)為是BIPV的一次相對(duì)完美的實(shí)踐。
▲ 室外側(cè)的整體效果
▲ 室內(nèi)效果
龐貝·法布拉圖書(shū)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(lán)色多晶硅電池片組成，尺寸為1.1m*2.15m，可以透過(guò)光線(xiàn)。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(jī)械式通風(fēng)，光伏組件產(chǎn)生的工作熱量，由機(jī)械風(fēng)扇將熱空氣輸送進(jìn)建筑的能量循環(huán)系統(tǒng)，供室內(nèi)空調(diào)使用。
這個(gè)項(xiàng)目被認(rèn)為是光伏材料最早和幕墻完美整合的公共建筑，因此被認(rèn)為是第一個(gè)真正意義上的光伏建筑一體化項(xiàng)目。
傳統(tǒng)的BIPV產(chǎn)品透過(guò)率低，如何和建筑表皮結(jié)合，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，困擾著甲方以及建筑師。這段時(shí)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(jì)的倫敦國(guó)王十字火車(chē)站翻新工作項(xiàng)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(tái)和兩個(gè)筒形穹頂層面。其中主列車(chē)棚長(zhǎng)250m，高22m，寬65m，橫跨8個(gè)站臺(tái)。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(yáng)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(guò) BIPV 層壓板傳輸?shù)浇ㄖ镏?。這樣實(shí)現(xiàn)了供能、采光、遮陽(yáng)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(guó)王十字車(chē)站室內(nèi)照片
光伏與采光頂?shù)慕Y(jié)合的手法較為常見(jiàn)，在2014年建成的荷蘭的內(nèi)梅亨大學(xué)Grotius教學(xué)樓的skylight項(xiàng)目上，建筑師采用了單塊玻璃點(diǎn)陣式布置的光伏玻璃產(chǎn)品，中庭屋頂采用透明太陽(yáng)能板，既可以引入適量的自然光線(xiàn)，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(yíng)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(xiàng)目的主入口采用了Onyx Solar的最新產(chǎn)品，該項(xiàng)目整合了位于大樓入口處的2600平米的大型光伏涼棚，裝機(jī)容量為125千瓦時(shí)。涼棚采用了858個(gè)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(yáng)光的照射下每天能提供超過(guò)7000盞燈即每年125810千瓦時(shí)的能源。
2022年的8月12日，美國(guó)出臺(tái)《2022通脹削減法案》，對(duì)光伏行業(yè)的利好政策時(shí)間跨度長(zhǎng)，補(bǔ)貼力度大，有研究表示，預(yù)計(jì)法案實(shí)施將刺激美國(guó)光伏行業(yè)進(jìn)入爆發(fā)期，而國(guó)內(nèi)出口美國(guó)光伏組件的供應(yīng)商有望因美國(guó)內(nèi)需擴(kuò)大而受益。
在美國(guó)華盛頓，2018年由建筑師Perkins+Will設(shè)計(jì)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(guò)170,000平方英尺的開(kāi)放和靈活的實(shí)驗(yàn)室空間，以促進(jìn)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(chǎng)可再生能源方面的基準(zhǔn)項(xiàng)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(dòng)計(jì)劃的主要目標(biāo)，項(xiàng)目獲得了LEED金級(jí)認(rèn)證。
Perkins+Will與大學(xué)城市基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)組成的UW-Solar學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)并安裝了一個(gè)組合的100kW太陽(yáng)能系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在建筑物的西南立面安裝了一個(gè)創(chuàng)新的垂直光伏翅片系統(tǒng)，這些PV鰭片在美國(guó)尚屬首創(chuàng)，它們由非晶硅太陽(yáng)能電池制成，可捕獲陽(yáng)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(jiàn)光通過(guò)鰭片，每個(gè)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(wú)框的，垂直且垂直（90度角）安裝在幕墻上；隱藏式接線(xiàn)盒和電線(xiàn)使建筑設(shè)計(jì)更加完美。建成后的生命科學(xué)樓率先運(yùn)用創(chuàng)新太陽(yáng)能技術(shù)，在室外安裝了同類(lèi)首批豎向玻璃肋板太陽(yáng)能光伏裝置，預(yù)計(jì)由此生成的電能足以滿(mǎn)足1150平方米以上辦公場(chǎng)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(shí)景圖
歐洲是全球最大的BIPV市場(chǎng)之一，截至2021年，歐洲的BIPV市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了9.6億歐元，占全球BIPV市場(chǎng)的近一半。各國(guó)政府均推出了一系列鼓勵(lì)BIPV發(fā)展的政策措施，包括減稅、補(bǔ)貼、建筑節(jié)能法規(guī)等。比較活躍的國(guó)家包括德國(guó)、法國(guó)、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(yáng)能電池板、可彎曲電池板、有機(jī)太陽(yáng)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(gè)標(biāo)志性雙城大廈（TWIN CITY TOWER）項(xiàng)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(xiàng)目要求提供各種尺寸的玻璃，其中一些尺寸幾乎達(dá)到4平方米。他們提供的192片玻璃可實(shí)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(xiàng)目是由最大的國(guó)際開(kāi)發(fā)商之一HB Reavis開(kāi)發(fā)的新開(kāi)發(fā)項(xiàng)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(shí)景
▲ 非晶硅黑色玻璃在塔裙交接處局部放大實(shí)景
二十年多前，法國(guó)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(huì)認(rèn)定為法國(guó)乃至歐洲的第一個(gè)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(shí)現(xiàn)了法國(guó)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(gè)開(kāi)創(chuàng)性的項(xiàng)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(gè)正能源的多功能社區(qū)，是歐洲的第一個(gè)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(yáng)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(jìn)入公寓的太陽(yáng)能量，每年發(fā)電15000千瓦時(shí)。
德國(guó)作為世界上最早啟動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的國(guó)家，從2010年前后至今，德國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)曾經(jīng)歷了爆發(fā)式增長(zhǎng)、全民光伏的輝煌階段，也經(jīng)歷了2014年之后的補(bǔ)貼退坡而帶來(lái)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(guó)可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量比例達(dá)到約43%，提前完成原定的2020年“可再生能源占比達(dá)35%”目標(biāo)，其中，光伏發(fā)電貢獻(xiàn)度達(dá)到近20%，德國(guó)的BIPV技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先水平。
由Ingenhoven architects設(shè)計(jì)的德國(guó)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(gè)達(dá)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(yùn)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(lái)的能量會(huì)被用于城市的電網(wǎng)系統(tǒng)。
基于嚴(yán)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?jī)H為45kWh每平方米，僅為同類(lèi)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(xiàng)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(duì)性的技術(shù)解決方案，同時(shí)降低了運(yùn)行成本。建筑可以通過(guò)吸水井和注水井、太陽(yáng)能板以及熱泵的結(jié)合使用來(lái)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)?lái)可單獨(dú)控制的制熱系統(tǒng)，高效的熱回收系統(tǒng)則被用于機(jī)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(mén)興格拉德巴赫由建筑師Kadawittfeldarchitektur設(shè)計(jì)的的NEW-Blauhaus新藍(lán)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(lán)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(méi)有后立面的建筑，一座面向四面八方的公共空間的建筑?！?nbsp;它由五個(gè)多面的立面組成，每個(gè)立面都覆蓋著由玻璃和光伏板組成的動(dòng)態(tài)棋盤(pán)。
▲ 新藍(lán)屋軸側(cè)實(shí)景圖
▲ 光伏錯(cuò)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(yáng)輻射下。而在建筑物的北面，沒(méi)有陽(yáng)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(lán)色玻璃面板，以相反的角度設(shè)置，將日光過(guò)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(gè)高效、自然通風(fēng)的雙層圍護(hù)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(guó)的BIPV技術(shù)發(fā)展日新月異，世界著名的系統(tǒng)幕墻、門(mén)窗公司旭格也投入了大量的資源參與BIPV項(xiàng)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(jì)的Bonneshof Office Center項(xiàng)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(dá)到了預(yù)期的效果。
隨著B(niǎo)IPV技術(shù)的創(chuàng)新、進(jìn)步，越來(lái)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(xiàng)目開(kāi)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(kāi)放，該建筑位于萊茵河上，由建筑師Michele de Lucchi設(shè)計(jì)，作為一個(gè)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(diǎn)。
▲ 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(jī)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(guò)半透明的太陽(yáng)能模塊反射和閃爍。
Pavillon Novartis的幕墻采用了透明的硅太陽(yáng)能電池板，這種電池板可以將光線(xiàn)轉(zhuǎn)化為電能，并且不會(huì)阻礙建筑內(nèi)部的采光。Pavillon Novartis的太陽(yáng)能電池板每年可發(fā)電約15,000千瓦時(shí)，相當(dāng)于約4個(gè)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(guó)際藝術(shù)家Daniel Canogar、Esther Hunziker和 Semiconductor的作品。Pavillon Novartis的BIPV技術(shù)設(shè)計(jì)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(lái)非?，F(xiàn)代化。
毫不夸張的，該項(xiàng)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(xiàng)目之一。
▲ 透明光伏玻璃近距離安裝放大圖
▲ Pavillon Novartis 實(shí)景圖
亞洲是BIPV技術(shù)的主要市場(chǎng)之一。日本起步較早，以中國(guó)、韓國(guó)為代表的國(guó)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(guó)，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(xiàng)目上。
在韓國(guó)的首爾清川溪，來(lái)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(tuán)總部大樓的 “原地改造”的工作。韓華集團(tuán)是全球太陽(yáng)能電池板行業(yè)的翹楚，除了視覺(jué)上的改變以外，韓華要求他們反映可持續(xù)理念，進(jìn)行綠色外觀設(shè)計(jì)。
為了滿(mǎn)足這兩方面的要求，UN Studio團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)“反應(yīng)型立面”，利用太陽(yáng)能減少了建筑物的用電量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)上引人注目的外觀設(shè)計(jì)。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(gè)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(jì)時(shí)，對(duì)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(duì)人工照明的需求，同時(shí)還使用更薄的窗戶(hù)，讓更多的太陽(yáng)光線(xiàn)照射進(jìn)來(lái)，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(hù)，以降低建筑物的熱負(fù)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(jìn)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(yáng)光接收量最多區(qū)間的遮陽(yáng)板上，韓華大廈外面安裝的韓華Q CELLS的Q.PEAK組件共達(dá)275平方米，發(fā)電能力與韓華大廈每年800千瓦時(shí)/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(shí)景照片
▲ 光伏組件和立面的結(jié)合放大實(shí)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(jì)劃中，提到將建立專(zhuān)門(mén)的歐盟太陽(yáng)能戰(zhàn)略，目標(biāo)在2025年將歐洲光伏裝機(jī)規(guī)模較現(xiàn)在翻一番，且在2030年完成600GW的裝機(jī)目標(biāo)，并建議“為所有新建建筑和所有能源性能等級(jí)D級(jí)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(chǎng)研究公司MarketsandMarkets的預(yù)測(cè)，全球 BIPV市場(chǎng)規(guī)模將在未來(lái)五年內(nèi)復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)17.0%左右。
未來(lái)的BIPV的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)是以下幾點(diǎn)：
01
成本逐漸下降
隨著太陽(yáng)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(jìn)步，使得BIPV系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(yáng)能電池板制造商、建筑設(shè)計(jì)師、建筑施工商和電力公司等多個(gè)行業(yè)的合作，未來(lái)將有更多的產(chǎn)業(yè)鏈合作出現(xiàn)，從而推動(dòng)BIPV技術(shù)的發(fā)展。
04
政策支持
政府出臺(tái)的環(huán)保政策和能源政策對(duì)于BIPV技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用，各國(guó)政府將會(huì)出臺(tái)更多的政策來(lái)鼓勵(lì)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(lái)越廣泛，未來(lái)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)?？傮w來(lái)說(shuō)，BIPV技術(shù)在未來(lái)將會(huì)成為建筑設(shè)計(jì)中的重要組成部分，為全球清潔能源的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
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