建筑光伏产业专题研究:从BAPV到BIPV,分布式风口已至

建筑光伏产业专题研究:从BAPV到BIPV,分布式风口已至

(报告出品方/作者:光大证券,殷中枢、郝骞、马瑞山、黄帅斌)

1、 “双碳”目标助力建筑光伏领域新蓝海

1.1、 光伏与建筑深度融合,BIPV 接力 BAPV 迎来新发 展

BAPV/BIPV 是光伏与建筑的重要结合方式

截至 2020 年,建筑光伏装机量约占分布式光伏装机量的 50%,占总光伏装 机量的约 15%,光伏与建筑结合的形式逐步成为光伏装机的重要组成部分, 按照结合的方式,可以将技术路线分为 BAPV 和 BIPV 两大类。

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BAPV 是目前建筑光伏的主要形式,不影响原有建筑物的功能,而是通过将 光伏发电组件安装在已有建筑的屋顶、墙面等结构,再连接蓄电池和逆变器 等装置,以实现利用建筑闲置空间发电,提高发电效率的目的。

BIPV 即光伏建筑一体化,则更加注重光伏组件与建筑的融合,包括光伏屋顶 和光伏幕墙等,二者同时设计和施工,光伏发电组件成为建筑材料的一部分, 同时具备发电和建材的双重功能,形成光伏与建筑的统一体。

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BIPV 作为建筑光伏的新方案,在安全性、观赏性、便捷性和经济性方面都 具备一定优势。

(1)BIPV 不需要额外装置以固定光伏设备;其光伏组件也不像 BAPV 一样 暴露在外面,不易受外力侵蚀,更具安全性;

(2)BIPV 将光伏组件融入建材,使建筑更具整体性,可以通过改变组件的 颜色、形状和透明度等进行定制化设计,使其更具观赏性;

(3)BIPV 因其建设难度小、工期短,安装便捷性要高于 BAPV;

(4)BIPV 避免了墙体和固定装置的成本,维护的便利性减小了对已有建筑 的毁损,降低了维护成本;

(5)光伏组件与建筑的深度融合提高了 BIPV 的稳定性,使其使用寿命远长 于 BAPV,具有一定经济性。

目前 BIPV 光伏组件的分类可大致分为两种:晶体硅 BIPV 光伏组件和薄膜类 BIPV 光伏组件。

新工艺不断被应用到晶体硅电池的研发,晶体硅类光伏电池的转换效率不断提 高。晶体硅 BIPV 光伏组件是使用 EVA 或者 PVB 胶膜,在多层钢化玻璃中间封 装晶体硅电池片。晶体硅电池的核心是 PN 结,位于 N 型层和 P 型层的交界处。 减反射膜使更多的太阳光到达 PN 结,从而提高光能的利用效率。随着光伏行业 的发展,晶体硅类的转换效率不断提高,目前单晶硅的转换效率高达 23%,多 晶硅的转换效率略低,在 21%左右。

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薄膜类光伏电池具备更佳的弱光性和温度系数等优势,在弱光等环境中广泛应 用。薄膜类光伏电池主要分为三大类:(1)硅基类薄膜光伏电池(非晶硅、微 晶硅和多晶硅)、(2)多元化合物类薄膜光伏电池(碲化镉(CdTe)、铜铟镓 硒(CIGS)和砷化镓(GaAs)、(3)有机类薄膜光伏电池(有机太阳能电池 和染料敏化)。薄膜类光伏电池主要使用喷溅或沉积工艺,将原材料喷溅或者沉积到玻璃中,再使用激光对玻璃进行划刻,最后用 PVB 膜进行封装得到薄膜类 光伏电池。

与晶体硅光伏电池相比,该类电池的转换效率较低,但是由于其透明度可调、观 赏性更高,并且具有较好的弱光性和更优的温度系数,使其在高温和弱光环境中 的表现更佳。同时薄膜类光伏电池受遮挡的影响小,热斑效应不明显使其对环境 的适应性强于晶体硅类光伏电池,使得在高温等特殊环境中得到广泛应用。

BIPV 应用形式多样,助力绿色建筑行业发展

光伏设备主要与建筑在墙体、屋顶和遮挡装置等结构进行结合。BAPV 将光伏设 备安装到已有建筑物上,常见安装方式包括屋顶倾角、屋顶平铺以及墙面贴附安 装等。BIPV 的应用形式更加多样化,光伏组件可以与幕墙、采光顶、屋顶、阳 台等建筑结构结合形成绿色建筑,应用场景更加广泛。目前光伏与建筑材料结合 的形式主要包括与屋顶、墙体和遮挡装置相结合。

(1)光伏幕墙:光伏组件与建筑物的墙面结合,将普通玻璃替换为光伏玻璃进 行幕墙的建设。光伏幕墙不仅要满足光伏组件本身的性能要求,还需要满足幕墙 的建筑功能,例如抗风压、气密性能、透明度以及美观度等,因此对光伏组件的 要求很高。根据光伏幕墙采用的光伏玻璃组件的类型,可以将光伏幕墙分为两大 类:晶体硅类光伏幕墙系统和碲化镉薄膜类光伏幕墙系统。相对而言,晶体硅类 的转换效率更高,更加适合在强光环境中工作。薄膜类能够根据建筑物的需要进 行定制化的设计,更具美观性和协调性。

(2)光伏屋顶:建筑物屋顶往往接受太阳光的条件最好,因此光伏系统在屋顶 的应用十分广泛。通过将光伏组件嵌入建筑物的屋顶,以实现太阳能发电的目的。 在光伏组件的设计上,为满足多类需求,大多选用硅电池,即晶硅类电池和非晶 硅薄膜类光伏电池。根据屋顶的类型不同,光伏屋顶可以大致分为平屋顶式、斜 屋顶式和曲面屋顶式三大类。平屋顶式可以通过调整光伏组件的角度,以获得最 大的太阳辐射量和最大的发电量,因此平屋顶式的经济效益最高。斜屋顶式是通 过调整屋顶的角度,寻找最佳倾角以满足光伏组件需要的最佳光照角度。曲面屋 顶式可以满足建筑物的美学需要,但是由于受力更加复杂,因此对光伏组件的力 学性能要求更高,施工难度和建设成本更高。

(3)光伏遮阳:光伏组件与建筑遮阳相结合,利用建筑的阳台、空调栏板、露 台、遮阳挑板等功能性构件设置光伏组件,起到发电与遮阳统一作用。按照光伏 遮阳系统的这样形式不同,可分为光伏水平建筑遮阳、光伏垂直建筑遮阳和光伏 挡板建筑遮阳三种。垂直类的能有效控制从墙体四周进入室内的太阳辐射应用也 最普遍。光伏挡板建筑遮阳一般应用在东西方向的外窗,设计更为灵活,既可以 平行于墙面,也可以不平行于墙面。在材料选择上,多晶硅电池以及非晶硅电池 在光伏遮阳的应用较为普遍。尤其是非晶硅电池,尽管其转换效率较多晶硅电池 低,但是因为其造价低、厚度小、弱光性强、热斑效应不明显等优势,在光伏遮 阳系统中应用广泛。

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BIPV 的分布式发电系统可以分为离网型和并网型两类分布式。

离网型光伏发电系统可配有储能系统,在简易应用场景、电网不发达、消纳有压 力的区域使用。我国光伏发电多以集中式电站推广,这有赖于我国强大的经济模 式和电网体系。若使光伏对传统能源的渗透进一步加快,分布式光伏的推广是必 要的步骤,而在此过程中,简易应用场景,部分地区用电需求提升与电网的不发 达,以及区域能源供需问题致消纳存在障碍都为离网型光伏分布式系统提供了机 会。离网型也称独立型发电系统,一般包括光伏电池方阵、蓄电池、太阳能充放 电控制器、独立逆变器等设备。离网型发电系统不与电网相连,利用太阳能转化 成电能储存在蓄电池中,在偏远山区、海岛以及路灯等场景广泛应用。

并网型发电系统更适应城市、电网发达区域,有利于 BIPV 发电的经济性以及平 抑光伏发电峰谷特性。并网型光伏发电系统不经过蓄电池储存电能,通过 BIPV 组件产生的直流电通过并网逆变器转换成符合要求的交流电,直接输入公共电 网。光照不足时,并网型系统从电网中获取电能。由于并网型光伏发电系统节省 了蓄电池存储和释放能量的过程,减少能量消耗和空间占用,降低了运营成本。

1.2、 碳中和、绿色建筑、分布式政策推动建筑光伏市场 崛起

绿色建筑是实现“碳达峰、碳中和”的必然选择

绿色低碳发展是我国“十四五”期间以及未来发展的重要目标。2020年10 月通过的“十四五”规划中 明确指出,到 2035 年要广泛形成绿色生活方式,在“十四五”期间推动绿色低 碳发展,降低碳排放强度,制定 2030 年前实现“碳达峰”的行动方案。12 月的 中央经济工作会议进一步强调,将做好碳达峰、碳中和工作作为 2021 年八大重 点任务之一,加快能源结构的调整,大力发展新能源。

建筑行业的碳排放量占全国 51.3%,是我国实现“双碳”目标的主战场。根据 中国建筑节能协会最新发布的数据,2018 年我国建筑全生命周期能耗总量为 21.47 亿 tce,占全国能源消费总量比重为 46.5%。其中,建材生产、建筑施工 和建筑运行阶段的能耗分别为 11 亿 tce、0.47 亿 tce 和 10 亿 tce,占全国能源 消费总量的比重分别达到 23.8%、2.2%和 21.7%。

碳排放是建筑全过程的重要能耗数据。建筑行业在建筑物的全生命周期,即从建 筑材料的生产和运输阶段、建筑施工阶段、建筑物运行阶段,到后期建筑物拆除 和建筑物废料的回收处理五个阶段,均会产生二氧化碳的排放,各阶段二氧化碳 排放量之和构成建筑全生命周期碳排放。

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建筑运行阶段的碳减排与建筑光伏的应用密切相关。建筑施工阶段碳排放总量达到 1 亿 tCO2, 占全国碳排放的比重为 1%。建筑运行阶段碳排放 21.1 亿 tCO2,占全国碳排放 的比重为 21.9%。建材的生产更多取决于工业生产时的能耗及碳排放,而运行 阶段则与日常的能源使用及建筑光伏的应用相关度更高。

绿色建筑符合我国低碳环保、绿色发展的理念,是建筑行业实现碳减排的必然选 择。绿色建筑市值充分利用太阳能、风能等绿色新能源,节约能源的消耗和减少 温室气体的排放,减轻建筑对环境的负荷,能够达到节能减排目的的建筑物,为 人们提供健康、适用、高效的使用空间,最大限度地实现人与自然和谐共生的高 质量建筑,有助于我国“碳达峰”和“碳中和”目标的实现。

建筑光伏利用太阳能发电,可有效节约资源,是推行绿色建筑的重要手段。结合 目前的技术水平来看,绿色建筑的实现路径可以分为三类:建筑能源类、生态规 划类和施工实施类。建筑能源类的主要目的是通过利用可再生能源或节能技术, 节约建筑过程的能源耗费。根据住建部 2019 年发布的《绿色建筑评级标准》, 能源利用和节能在绿色建筑的分数中权重最高,并且可再生能源利用评分准则中 规定,只要可再生能源供电量不低于 4%,该项即可获得满分,可见建筑能源在 绿色建筑的发展中至关重要。而太阳能作为一种可再生能源,具有噪音小、占地 小、不受地域限制等优点,可以满足节能和能源利用的高需求,使得光伏建筑成 为全面推行绿色建筑的重要实现途径。

各地重视光伏建筑一体化在推动绿色建筑中的作用,BIPV 受到国家政策的大力 支持。作为光伏建筑的重要形式,光伏建筑一体化(BIPV)与传统的 BAPV 相 比,在安全性、观赏性、便捷性和经济性方面具有明显优势,高度契合了绿色建 筑的发展潮流,代表了绿色建筑发展的未来趋势。伴随光伏行业的蓬勃发展和 “双碳”目标的提出,国内各省市不断推出政策对 BIPV 进行补贴,支持 BIPV 的发展。

整县推进分布式光伏风口已至,户用市场前景亦广阔

我国光伏装机容量逐年增加,分布式光伏发展势头强盛。2013 年至 2020 年, 我国光伏累计装机容量从 17GW 增长至 253GW,2020 年增长近 24%。2020 年 新增光伏装机规模 48GW,较