城市建筑太阳能光伏技术应用现状及发展前景探析能源危机和环境破坏仍然是 21 世纪困扰人们的两大问题。在“双碳”背景下，发展可再生能源迫在眉睫。太阳能具有丰富性、可直接转换性、无污染等优点，而光伏组件可以利用太阳能发电且具有价廉、简单、耐用等特点。通过分析太阳能光伏技术及在城市建筑的应用，结合目前国内发展趋势以及在上海市松江区的典型案例，探索如何开展高效的分布式太阳能光伏电站的建设，实现成本降低、技术进步和产品迭代，进一步推动城市建筑的光伏电站建设。

　　随着非再生能源不断被消耗，环境污染、气候变暖等问题已经对地球生物造成巨大影响，能源资源短缺问题也日益严峻。世界各国正在竭尽全力进行能源结构转型，而可再生能源的利用无疑是人类解决这些问题的重要途径。据前瞻产业研究院、中国银行研究院统计，不丹、苏里南已经实现碳中和，其他国家和地区也相继立法和政策宣示规划年限实现碳中和这一目标。我国碳排放量将在2030年以前达到峰值，在2060年以前完全达到碳中和[1]。

　　为响应国家“双碳”目标，上海市的能源使用也逐渐转向以电力为主的供给结构，太阳能光伏发电则是最有优势的可再生能源应用之一。太阳能作为一种天然的清洁能源，是替代化石能源和核能实现碳中和的理想型能源。如何更好地利用太阳能，对我国制定的“双碳”目标起着重要作用。

　　2007年起，我国开始发展太阳能工业，随着2012年欧美光伏产业陷入低谷，我国抓住此机遇蓬勃发展，逐渐成为世界光伏行业发展的主要力量。

　　目前，中国拥有全世界最大规模的光伏产业链，2015年，我国的光伏发电生产量已经超越德国，位居世界第一。2017年，我国新增光伏发电装机容量已超过52.83 GW，超过全世界新增比例的一半，总容量增至130.25 GW，也成为第一个累计安装光伏容量超过100.00 GW的国家[2]。截至2020年，中国光伏装机规模超过欧盟和美国总和，全球光伏产业20强企业中有15个来自中国，中国在全球的占比均超过65%。中国已经是全世界最强的光伏产业国，因此，中国也有条件将光伏发电技术进一步应用在“双碳”目标的实现过程中。

　　中国从1996年开始发展太阳能光伏产业，最初，太阳能光伏的建设成本很高，发电效率较低，在东部沿海地区没有太高的经济价值，被广泛应用于中国西北地区。1997年，中国有7 565万无电人口，这些人口分布在远离电网的区域，分布较为分散，用电负荷非常小，如地区无电户比例高达78%，如果仅仅依靠电网的延伸来解决广大人民群众的用电问题，电力设施的基础建设费用巨大，且需要耗时几十年。此时，太阳能光伏发电技术有了非常合适的应用场景，随即迎来中国光伏产业的第一轮发展。

　　目前，中国光伏产业已经由东及西、由北至南覆盖祖国大地，各种规模化电站已经随处可见。随着“双碳”目标的推进，太阳能光伏又迎来了新一轮发展，同时也面临新一轮挑战。

　　在东部城市建筑群中，太阳能光伏发电遇到了新的应用场景和建设瓶颈。在建筑群中建设的太阳能光伏发电站通常规模较小，基本以200 kW以下的装机容量为主，大量集中于总装机100 kW以下，但配套建设费用投入较高。全国民用领域电价通常集中于0.6元/kW·h至0.85元/kW·h之间，光伏发电上网的电价基本集中于0.35元/kW·h至0.45元/kW·h之间。结合目前太阳能光伏产业的建设成本，在建筑群中建设的太阳能光伏发电站的经济效益很低，通常要10 a才能以上收回成本。如何将中国领先全球的太阳能产业技术应用到城市建筑群中，开展高效的分布式太阳能光伏电站的建设，成为实现“双碳”目标的关键，也成为城市发展和治理的新挑战。

　　太阳能发电分为光热发电和光伏发电，通常所说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电。太阳能光伏发电的原理是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能。按建筑应用方式分类，光伏发电系统可分为建筑结合型和光伏建筑一体化系统等。

　　太阳能光伏发电的技术研究，源于Chapin[3]和Tabor[4]。Chapin研究发现，在硅中添加少量的物质就可使其对光变得更加灵敏并基于此生产出了具有6%实际使用效益的太阳能电池。Tabor提出选择性吸收的技术原理并研制了太阳能选择性吸收涂层。

　　太阳能光伏发电系统的主要吸引力在于，它可以在不影响环境的情况下，直接将太阳能转化为电能。此外，光伏阵列成本的持续降低和效率的提高，意味着在不久的将来，光伏发电系统将具有更为广阔的前景[5]168体育app下载。该系统的基本原理如图1所示。太阳能光伏发电的主体器件是太阳能电池，由于其光生伏特效应，当光照射到表面后，部分光子被硅原子吸引，将光子的动力传导给硅分子，使光和电进行功率转换，产生独立电子对，在PN结两端集中生成电势差。当外界线路接入后，在该电压的影响下，就会产生相应的输出功率，即通过太阳辐射能产生感应电动势，将光能转换为电能。

　　太阳能光伏发电的最基本元件是光伏电池片，由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，按使用材料分为晶硅组件、非晶硅薄膜组件。晶硅组件光电转化率很高，技术发展较为成熟，设备投资较低，国产设备已经可以满足电池片生产线大部分的需求。晶硅电池在光伏市场中长期占据主导地位，2020年，晶硅组件的市场份额约为95%。

　　薄膜太阳能光伏是指在玻璃、柔性聚合物等基板上沉积一层薄膜感光材料，这层薄膜中含有PN结等形成的太阳电池。薄膜组件具有使用材料少、制造工艺简单、能耗低、可大面积连续生产等优点。相比于晶硅组件，薄膜组件因其效率低、价格高导致市场参与者较少，单个公司的产能量也较小，市场占比在5%左右。

　　目前，市场上的薄膜组件产品主要有三种。一是非晶硅薄膜太阳能电池，适合生产大面积太阳能电池，可节约原料，不过其转换效率低、工艺复杂、成本高。二是铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS），该电池由四种元素构成，性能稳定，安全环保，但目前实验室转换效率不高，工艺复杂，无标准工艺方法，多用于卫星、汽车太阳能贴膜等高端市场。三是碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe），其可吸收95%以上的阳光，低能耗、无污染、可回收，无论强弱均可发电。

　　尽管光伏太阳能电池效率已经很高，但是其发电效率却在很大程度上受到环境温度的影响，环境温度越高，光伏发电的效率就越低，光伏板的热量若无法被有效散掉，则每增加1 ℃其输出功率就会降低0.4%～0.5%[6]。在此基础上，光伏光热一体化的概念应运而生。20世纪七八十年代，Kern和Russel首先提出了光伏光热PV/T一体化的理念，并对多种PV/T系统进行了试验[7]。中国科学技术大学季杰教授对该领域展开了研究，得出光伏光热PV/T系统整体性能优于传统的太阳能集热器[8]。2016年起，国家能源局积极推动光伏光热发电工程建设，并推出第一批20项太阳能发电示范工程，我国由此迈入太阳能光伏光热发电技术的新进程。

　　平板式光伏光热一体化主要由玻璃盖板、光伏电池、吸热材料、铜管、聚氨酯发泡保温层、外金属保护层等部分组成。吸热板材与光伏电池板背面相粘，再将铜管排布粘贴于吸热材料上，同时在排布好的铜管另一侧增加保温材料，以防止热量散失降低其集热效率，最后包上镀锌板保护层。该系统可以通过末端装置利用太阳能收集热能，同时也能降低光伏板表面温度，提高发电效率。

　　安装在建筑物上的光伏发电系统，称为建筑光伏。建筑光伏有效利用了建筑物外表面积，不需要占用空间，节省了土地资源。白天是城市的用电高峰期，利用此时充足的太阳辐射发电，能够缓解高峰电力需求以及由于电网峰谷供电产生的矛盾。

　　社会总能耗中的30%为建筑能耗[9]，随着资源短缺，建筑类型正在向超低能耗建筑、近零能耗建筑以及零能耗建筑迈进。《2030年碳达峰行动方案》提出，在光伏建设领域，要加快可再生能源建设发展，进一步促进光伏发电与建设的整合使用，打造集光伏发电、储能、直流供电、柔性电力于一身的“光储直柔”工程。由此可见，光伏建筑将成为我国建筑节能的重要途径。

　　建筑光伏系统与建筑物结合主要有两种形式：一种是附着于建筑物上，称为BAPV（building attachedphotovoltaic）；另一种是与建筑物同时设计、同时施工和安装，与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统，称为光伏建筑一体化（building integrated photovoltaic，简称BIPV）。

　　具体而言，BAPV与建筑物功能不发生冲突，不破坏或削弱原有建筑物的功能，也称为“安装型”太阳能光伏建筑，目前已建设完成的大多数光伏建筑一体化指的就是BAPV。在原有建筑体表面加装光伏发电设施，除了发电没有其他功能。以薄膜太阳能电池为主要部件的光伏系统虽然利于实现光伏建筑一体化，但光电转化效率整体偏低。目前，BAPV多采用以晶硅组件形成的光伏方阵与建筑结合的形式，特别是与建筑屋面的结合。

　　BIPV作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又能承担建筑构件和建筑材料的功能，也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。BIPV可利用建筑本身作为光伏发电系统的支撑结构；光伏组件代替建筑物的外围围护结构，使用光伏组件作为新型建筑围护材料，增加了建筑物的美观，与建筑物形成完美的统一体。光伏幕墙是BIPV的重要应用场景之一，可最大限度利用建筑的外表面。碲化镉薄膜组件的应用更适合建筑幕墙。

　　随着我国对能源环境问题的重视以及各项政策的支持，太阳能光伏产业迅速增长扩大。中国财政部、科技部、国家发展和改革委员会和国家能源局先后发布政策大力扶持光伏发电项目，光伏电站规模快速扩大，据中国光伏产业协会预测，我国光伏发电量预计在2025年达到110 GW，可满足3.3亿户家庭的用电需求[10]。为实现“双碳”目标，我国已经在能源结构供给上做出巨大努力。不过，由于光伏发电的平均容量系数相对较低，平均为17%，故对我国的电力总产量的贡献相对较小。据清华大学能源环境经济研究所统计预测，到2025年，我国的发电方式仍为煤油燃烧驱动，光伏发电仅占3%，预计到2060年，光伏发电占比才会成为主力，占比将达23%[11]。中国能源结构转型如图2所示。

　　从图2可以看到，我国光伏发电仍有较大的进步空间，应进一步研究如何提高光伏发电效能，扩大光伏发电在实际商业和居民用户应用的场景，为加快我国能源结构的转型、尽快实现“碳中和”做出巨大贡献，从而进一步为保护地球自然资源、应对全球气候等问题承担应有的大国责任。

　　实现“双碳”目标是适应经济新变局、形成新发展格局、贯彻新战略思想的重要布局。上海市作为改革开放的“排头兵、先行者”，明确表示力争到2025年，实现碳排放总量达峰[12]。这对于上海市来说，既是挑战也是机遇。上海市坚持碳排放总量与强度双控，使用光伏、风电等可再生的清洁能源实现可持续发展。为了加快能源绿色低碳转型，上海市提出实施一批“光伏+”工程。

　　上海市地处北带季风区，气候温和湿润，光照充足，雨水丰沛，四季分明。较为充足，太阳能资源比较丰富。该建筑屋顶上除采光井、空调外机及排风口外无其他设备及障碍物，屋顶倾斜角度较小，具备光伏屋顶安装条件，安装的光伏系统面积约为960 m2，采用290片540 W单晶硅电池片太阳能光伏组件，电池效率在20.9％以上，装机容量为156.6 kW，预计首年发电量为16.0万 kW·h，光伏发电系统总效率约为70%。该发电系统的光伏组件安装在光伏专用支架上，然后通过逆变器将光伏电池所发直流电转换为电能质量高、谐波小且符合国家并网标准的交流电，最后经过开关控制柜将清洁的电能优先优惠供用户使用。不过，考虑到维护成本和资金使用成本，其动态回收时间长达15 a。这是由于民用建筑领域电力价格偏低，分布式太阳能电站建设的配套费用较高等情况，这导致民用建筑领域太阳能光伏电站投资回收期时间较长，投资回报率不理想。

　　在全球能源资源紧张的背景下，我国积极发展太阳能产业有着重大意义，可以有效助力“双碳”目标的实现，并快速实现我国能源结构转型，大幅降低对于化石能源的依赖，助力全球“节能减排”的同时实现我国光伏经济的高速增长。在“十四五”和“十五五”的发展中，东部地区各个主要城市都将在城市建筑群中开展大量的光伏电站建设，推进此类小型的分布式光伏电站建设的工作，应该注意投资回报的经济性，只有保持一定的经济效益，建筑领域的光伏电站建设才能更市场化、更高效、更绿色。

　　目前，我国东部地区各个主要城市已经针对既有建筑领域开展太阳能光伏建设项目，出台多项补贴政策和激励措施，并且更新了新建建筑的建设标准，力争新建建筑在建设期就完成太阳能光伏的应用。从上海市松江区太阳能光伏建设项目来看，虽然该项目对节约传统能源、保护环境做出了积极示范作用，但是该项目投资回报期长。随着政府相关部门的大力推动，一大批项目已经进入建设期，市场效应将会逐步显现。随着大量项目经验的积累，产业上游的成本会逐步降低，并会出现更适用于城市建筑群的产品应用方案，尤其是建筑房顶、外墙等平台的复合开发利用，从而进一步推动城市建筑的光伏电站建设，使行业产业实现进步。

　　[5]王侃宏,赵岩,张俏倩,等.浅谈PV/T集热器综合利用的新进展[J].科技创新与应用,2015,(3):48.

　　[12]《长三角生态绿色一体化发展示范区碳达峰实施方案》正式实施[J].未来城市设计与运营,2022(8):6.

　　孙珏，硕士研究生，工程师，从事建筑科技技术方面的研究，现供职于上海市松江区建筑建材业管理中心。