BIPV在全球项目中的各类运用(附全文下载)

2023.06.27 03:06
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BIPV,即光伏建筑一体化。英文全称是Building Integrated Photovoltaic,它是一种将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。它融合了光伏和建筑两个行业的技术,既实现了可再生能源的应用,又降低了建筑能耗,还满足了建筑的美观实用要求。


1967年,日本MSK公司最早提出建筑光伏一体化产品。在五十多年的时间里,BIPV产品高速发展,大致经历了三个阶段:


第一代BIPV

1980s-1990s

第一代BIPV产品主要是在建筑外部安装传统的玻璃幕墙式太阳能电池板。这些产品的优点是易于安装、维护,缺点是外观不够美观,不能满足建筑师对设计的要求。

第二代BIPV

2000s-2010s

第二代BIPV产品开始将太阳能电池板集成到建筑的外观中,以达到更好的外观效果。这些产品的例子包括太阳能屋顶瓦片和太阳能玻璃。这些产品更加美观,但成本更高。

第三代BIPV

2010s至今

第三代BIPV产品的重点是实现更高的能源转换效率和更低的成本。这些产品主要集成在建筑的外墙、窗户、屋顶和阳台等部位。目前,第三代BIPV产品的成本正在逐渐降低,使其更具吸引力并且更广泛应用于建筑行业。




1996年落成的位于西班牙的庞贝·法布拉图书馆(The Pompeu Fabra Library)被很多人认为是BIPV的一次相对完美的实践。


  室外侧的整体效果


  室内效果


庞贝·法布拉图书馆位于西班牙巴塞罗那东北20公里的马塔洛(Mataro)中心,在南立面采用了双层呼吸式幕墙,其中外表皮由中空钢化玻璃夹胶蓝色多晶硅电池片组成,尺寸为1.1m*2.15m,可以透过光线。双层呼吸式光伏幕墙的面积约255㎡,最大输出功率是20KWP,由内外两层表皮构成,中间有150mm的空腔。双层呼吸式玻璃幕墙采用混合式通风,夏季采用自然式排风,由上升的空气流带走空腔的热量。冬季采用机械式通风,光伏组件产生的工作热量,由机械风扇将热空气输送进建筑的能量循环系统,供室内空调使用。


这个项目被认为是光伏材料最早和幕墙完美整合的公共建筑,因此被认为是第一个真正意义上的光伏建筑一体化项目。



传统的BIPV产品透过率低,如何和建筑表皮结合,在相当长的时间里,困扰着甲方以及建筑师。这段时间BIPV只能大量的被用于屋面、采光顶。



由John McAsian+Partners在2011年设计的伦敦国王十字火车站翻新工作项目中,工程主要包括修复原有建筑的南立面、重新粉刷南侧和北侧建筑的尖顶、翻新站台和两个筒形穹顶层面。其中主列车棚长250m,高22m,宽65m,横跨8个站台。改造工程立足于绿色环保目标,最终在桶形拱顶屋顶上安装了Sundog Energy的1400块、大约2500的玻璃光伏板,可替代10%的能源供应。在玻璃-玻璃层压板中,晶硅太阳能电池被封装在透明塑料中,并夹在两片透明玻璃之间。电池之间的间隙允许光通过 BIPV 层压板传输到建筑物中。这样实现了供能、采光、遮阳三合一的需求,是光伏产品与建筑比较好的结合范例。


  伦敦国王十字车站室内照片




光伏与采光顶的结合的手法较为常见,在2014年建成的荷兰的内梅亨大学Grotius教学楼的skylight项目上,建筑师采用了单块玻璃点阵式布置的光伏玻璃产品,中庭屋顶采用透明太阳能板,既可以引入适量的自然光线,又可以产生一定的能源,光伏板成为玻璃的一部分,形成斑驳的光影,营造出舒适又惬意的氛围。


  内梅亨大学Grotius教学楼


除了采光顶,在一些雨篷上,BIPV也被广泛应用。SOM在新加坡的超高层Tanjong Pagar Center项目的主入口采用了Onyx Solar的最新产品,该项目整合了位于大楼入口处的2600平米的大型光伏凉棚,装机容量为125千瓦时。凉棚采用了858个非晶硅光伏玻璃模块,尺寸为2456x1245毫米,半透明度为10%,这将使建筑在阳光的照射下每天能提供超过7000盏灯即每年125810千瓦时的能源。




2022年的8月12日,美国出台《2022通胀削减法案》,对光伏行业的利好政策时间跨度长,补贴力度大,有研究表示,预计法案实施将刺激美国光伏行业进入爆发期,而国内出口美国光伏组件的供应商有望因美国内需扩大而受益。



在美国华盛顿,2018年由建筑师Perkins+Will设计的华盛顿大学艺术与科学学院生命科学大楼(LSB),它为学生提供超过170,000平方英尺的开放和灵活的实验室空间,以促进生物学领域研究的协作和跨学科方法,被设想为能源效率、创新和现场可再生能源方面的基准项目。清洁能源的部署和使用是大学可持续发展气候行动计划的主要目标,项目获得了LEED金级认证。



Perkins+Will与大学城市基础设施实验室内的跨学科团队组成的UW-Solar学生小组合作设计并安装了一个组合的100kW太阳能系统,其特点是在建筑物的西南立面安装了一个创新的垂直光伏翅片系统,这些PV鳍片在美国尚属首创,它们由非晶硅太阳能电池制成,可捕获阳光并将其转化为清洁电力。它们是全玻璃、半透明的,让20%的可见光通过鳍片,每个翅片由三层夹层钢化玻璃组成,每平方英尺提供3.15瓦的功率;它们是无框的,垂直且垂直(90度角)安装在幕墙上;隐藏式接线盒和电线使建筑设计更加完美。建成后的生命科学楼率先运用创新太阳能技术,在室外安装了同类首批竖向玻璃肋板太阳能光伏装置,预计由此生成的电能足以满足1150平方米以上办公场所的全年照明需求。


  室外局部放大图


  室内玻璃飞翼光伏板实景图



欧洲是全球最大的BIPV市场之一,截至2021年,欧洲的BIPV市场规模达到了9.6亿欧元,占全球BIPV市场的近一半。各国政府均推出了一系列鼓励BIPV发展的政策措施,包括减税、补贴、建筑节能法规等。比较活跃的国家包括德国、法国、荷兰和西班牙等。欧洲的BIPV技术不断创新,已经出现了许多新型BIPV产品,如透明太阳能电池板、可弯曲电池板、有机太阳能电池板等。这些新技术可以更好地适应不同的建筑需求,提高建筑物的节能效果和美观度。



在斯洛伐克,Onyx Solar为布拉迪斯拉发这个标志性双城大厦(TWIN CITY TOWER)项目的幕墙提供了非晶硅技术。他们供应的非晶硅玻璃为全黑,带灰色熔块图案,可根据项目要求提供各种尺寸的玻璃,其中一些尺寸几乎达到4平方米。他们提供的192片玻璃可实现25kW的峰值功率,这些玻璃被集中使用在塔楼与裙楼交接的部位以及塔冠的顶部区域。



双城项目是由最大的国际开发商之一HB Reavis开发的新开发项目。它成为布拉迪斯拉发的重要标志。


  非晶硅黑色玻璃在塔裙交接及塔冠顶部处实景


  非晶硅黑色玻璃在塔裙交接处局部放大实景




二十年多前,法国南部城市里昂就描绘了“智慧里昂”的城市愿景,2010年,其多功能混合社区Confluence被世界自然基金会认定为法国乃至欧洲的第一个可持续发展的社区。


坐落在Confluence社区内,2015年完成新建的综合建筑Hikari,全球知名日本建筑师隈研吾是其建筑风格的主要把控者。



它第一次实现了法国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,并成为该社区的智慧标杆。Hikari建筑是一个开创性的项目,东、南、西三座优雅而轻盈的现代建筑组成了欧洲第一个正能源的多功能社区,是欧洲的第一个正能源建筑群。其公寓、商店和办公室使用的能源由Sunewat XL太阳能玻璃产生,该玻璃作为立面安装,占地520米,该玻璃包含光伏电池,控制进入公寓的太阳能量,每年发电15000千瓦时。




德国作为世界上最早启动能源转型的国家,从2010年前后至今,德国的光伏产业曾经历了爆发式增长、全民光伏的辉煌阶段,也经历了2014年之后的补贴退坡而带来的行业大滑坡,现如今已逐步回归理性发展。相关数据显示,2019年德国可再生能源发电占总发电量比例达到约43%,提前完成原定的2020年“可再生能源占比达35%”目标,其中,光伏发电贡献度达到近20%,德国的BIPV技术已经处于领先水平。



由Ingenhoven architects设计的德国弗莱堡市政厅的一期工程于2018年完工,这座包含了行政办公中心以及日间托儿所的市政厅是全世界第一个达到“能源盈余”标准的公共建筑。



立面采用了当地的落叶松木,市政厅大楼的倾斜凸出的部分立面以纵向排布的、具有高隔热性能的光伏板模块构成,立面上的光伏板能够产生建筑运行所需的能源。这些分布于立面以及屋面上的光伏板每年生产的能量要多于自身消耗的能量;多出来的能量会被用于城市的电网系统。


基于严格的PassivHaus标准,市政厅大楼每年在空调、通风和热水供给方面的基本能源需求量仅为45kWh每平方米,仅为同类现代办公建筑能源需求量的40%。


不仅是能源使用方面,该项目更贯彻了可持续性的原则,建筑师为之打造了具有针对性的技术解决方案,同时降低了运行成本。建筑可以通过吸水井和注水井、太阳能板以及热泵的结合使用来生成所需的热能;屋顶和立面的光伏板能够产生电能;地热装置用于制冷和制热。除此之外,热质量的激活装置还能为每间办公室带来可单独控制的制热系统,高效的热回收系统则被用于机械通风。


  光伏板和玻璃幕墙结合的局部放大图




2015年,在门兴格拉德巴赫由建筑师Kadawittfeldarchitektur设计的的NEW-Blauhaus新蓝屋即包豪斯大楼是镶嵌在下莱茵大学校园中心的一颗璀璨的蓝宝石。正如建筑师所解释的那样:“由于其概念是单人纸牌,它是一座没有后立面的建筑,一座面向四面八方的公共空间的建筑。” 它由五个多面的立面组成,每个立面都覆盖着由玻璃和光伏板组成的动态棋盘。


  新蓝屋轴侧实景图


  光伏错位玻璃


根据立面的方向,面板安装在不同的倾斜度上,以最大限度地暴露在太阳辐射下。而在建筑物的北面,没有阳光直射,面板被搪瓷玻璃取代,以保持图案的一致性,面板之间是蓝色玻璃面板,以相反的角度设置,将日光过滤到内部,这种交替的跷跷板图案为立面提供了深度,并创造了一个高效、自然通风的双层围护结构。这些策略造就了一座不仅引人注目而且完全碳中和的建筑。





德国的BIPV技术发展日新月异,世界著名的系统幕墙、门窗公司旭格也投入了大量的资源参与BIPV项目的生产制造和研发。



在杜塞尔多夫,建筑师RKW Architektur+设计的Bonneshof Office Center项目上,旭格将他们的定制化高性能的单元式幕墙系统与BIPV做了很好的结合,较好的达到了预期的效果。




随着BIPV技术的创新、进步,越来越多的建筑,更为复杂的立面、曲面表皮、甚至双曲面表皮项目开始使用BIPV技术。



2022年春在瑞士的巴塞尔,新展馆Pavillon Novartis在巴塞尔诺华园区开放,该建筑位于莱茵河上,由建筑师Michele de Lucchi设计,作为一个公共空间,将成为公司、人口、校园和城市环境之间的交汇点。


  Pavillon Novartis 展馆


新展馆被半透明的媒体立面所覆盖,它共有10000块菱形有机光伏板和30000颗嵌入式LED,LED不仅向外发光,而且还向下方金属外壳的方向发光——使它们的光通过半透明的太阳能模块反射和闪烁。


Pavillon Novartis的幕墙采用了透明的硅太阳能电池板,这种电池板可以将光线转化为电能,并且不会阻碍建筑内部的采光。Pavillon Novartis的太阳能电池板每年可发电约15,000千瓦时,相当于约4个普通家庭一年的用电量。


光伏板下的LED屏幕图像则由巴塞尔的 HEK(电子艺术之家)策划完成,展示了三位国际艺术家Daniel Canogar、Esther Hunziker和 Semiconductor的作品。Pavillon Novartis的BIPV技术设计非常注重美学效果,电池板在幕墙上形成了一种几何图案,使建筑看起来非常现代化。


毫不夸张的,该项目是艺术、幕墙的完美结合,也是光伏玻璃、LED的完美结合,算得上BIPV发展史上最为成功的项目之一。


  透明光伏玻璃近距离安装放大图


  Pavillon Novartis 实景图



亚洲是BIPV技术的主要市场之一。日本起步较早,以中国、韩国为代表的国家,目前正在高速发展和追赶,积极推广BIPV技术的应用,特别是韩国,许多大型商业和住宅建筑都已经采用了这种技术。


除了新建建筑之外,BIPV也被充分的应用到了在旧改项目上。



在韩国的首尔清川溪,来自荷兰的著名建筑师UN Studio在Ben Van Berkel的指导下成功完成了韩华集团总部大楼的 “原地改造”的工作。韩华集团是全球太阳能电池板行业的翘楚,除了视觉上的改变以外,韩华要求他们反映可持续理念,进行绿色外观设计。


为了满足这两方面的要求,UN Studio团队创建了一个“反应型立面”,利用太阳能减少了建筑物的用电量,同时实现了视觉上引人注目的外观设计。在落地环节,以每三层空间为一组,每组的室内改造和外立面翻新,整个改造工程完全不影响韩华员工的正常工作。


  改造前


  改造后


  竣工后整体全貌


在设计时,对日光量较少的立面,建筑师考虑采用平面铝制框架,保证更多的自然光照射,降低对人工照明的需求,同时还使用更薄的窗户,让更多的太阳光线照射进来,以减少冬季取暖用化石燃料的需求。



而日照量多的区间使用更厚的隔热窗户,以降低建筑物的热负荷,减少夏季空调的使用量。这些区间的铝制框架也呈一定角度,为室内工作人员提供荫凉。光伏组件集成到立面的铝制框架中,进一步降低了韩华大厦的能源消耗。


由于韩华大厦缺乏足够的屋顶空间,组件安装在阳光接收量最多区间的遮阳板上,韩华大厦外面安装的韩华Q CELLS的Q.PEAK组件共达275平方米,发电能力与韩华大厦每年800千瓦时/平方米的传统用电量相当。


  光伏组件和立面的结合局部放大实景照片


  光伏组件和立面的结合放大实景照片


  光伏板的大致分布及墙身局部模型



欧盟在2022年6月推出的名为“RepowerEU”的能源计划中,提到将建立专门的欧盟太阳能战略,目标在2025年将欧洲光伏装机规模较现在翻一番,且在2030年完成600GW的装机目标,并建议“为所有新建建筑和所有能源性能等级D级及以上(最耗能)的现有建筑安装屋顶光伏设备”。


BIPV技术发展日新月异,据市场研究公司MarketsandMarkets的预测,全球 BIPV市场规模将在未来五年内复合增长率达17.0%左右。


未来的BIPV的发展趋势会是以下几点:


01

成本逐渐下降

随着太阳能电池板的制造成本不断降低,BIPV技术的采用成本也将不断降低。


02

材料技术的不断创新

新型材料的出现和技术的不断进步,使得BIPV系统在设计上更加多样化和灵活。


03

产业链的完善

BIPV技术需要太阳能电池板制造商、建筑设计师、建筑施工商和电力公司等多个行业的合作,未来将有更多的产业链合作出现,从而推动BIPV技术的发展。


04

政策支持

政府出台的环保政策和能源政策对于BIPV技术的发展起到了重要作用,各国政府将会出台更多的政策来鼓励BIPV技术的采用和发展。


随着城市化的不断发展,高层建筑的数量不断增加,BIPV技术的应用前景也将越来越广泛,未来还可能出现更多的新型材料和技术,使得BIPV系统更加高效和可持续。总体来说,BIPV技术在未来将会成为建筑设计中的重要组成部分,为全球清洁能源的发展做出贡献。


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