太阳能光伏技术的建筑应用——以重庆地区为例

第1章 太阳能光伏技术在建筑中的应用背景 1.1 光伏技术发展历程 19世纪中叶法国贝克勒尔(Becqurel)发现光照能够使半导体材料产生光伏效应，人们对光伏技术的探索由此揭开了序幕。之后亚当斯(Adams)等发现了金属和硒片上的固态光伏效应，并于1883年制成了**个可以充当光照敏感器件的硒光电池。1932年，**块硫化镉太阳能电池问世，1941年奥尔在硅上发现了光伏效应，该发现将光电材料领域集中在对硅及其合成半导体材料的研究中。1954年5月，美国贝尔实验室研制出单晶硅太阳能电池，这是世界上**个有实用价值的太阳能电池，《纽约时报》称其为“*终导致使无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始”。也是在同一年，威克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了太阳能电池。太阳能转化为电能的实用光伏发电技术由此诞生并发展起来。 我国幅员辽阔，太阳能资源也极为丰富，据不完全估计，我国光照储量相当于17000亿t标准煤。通过光伏发电可以充分利用我国丰富的太阳能资源和土地空间资源，缓解我国能源紧张的现状。 但我国光伏发电产业起步较晚，在2000年后，单晶硅和非晶硅逐步走出实验室进行规模化生产，光伏产业才开始迅猛发展。2001年国家推出“中国光明工程”，以通过光伏发电的形式解决偏远山区的用电问题。之后无锡尚德、天威英利等一批光伏电池生产公司纷纷上市，表明我国的光伏电池制作技术已经逐渐成熟。 2009年国家开始实施“金太阳示范工程”，对并网光伏发电项目给予50%或以上的投资补助。截至2016年底，我国光伏装机总量已超过75GW，这充分证明，我国的光伏发电产业进入了全面发展时期。 光伏产业的发展推动了建筑光伏一体化技术的发展和光伏建筑结合工程的建设。我国于2009年启动了太阳能光电建筑应用示范项目，推动光电建设市场的发展。在国家的支持和鼓励下，一大批光伏建筑一体化(building intergrated photovoltaic，BIPV)项目相继建成，如北京首都博物馆(300kWp，2005年建成)、北京国家体育馆(100kWp，2007年建成)、上海世界博览会主题馆(2.6MWp，2010年建成)等。在2009年和2010年两年，我国共建设了210个太阳能BIPV项目。随着社会经济不断发展，城市化进程不断加快，BIPV 系统在中国有着更为广阔的发展空间。 2014～2017年，国内光伏发展走上快车道，截至2014年底，光伏发电累计装机容量2805万kW，同比增长60%，其中，独立光伏电站装机容量为2338万kW，分布式光伏电站装机容量为467万kW，年发电量约250亿kWh，同比增长超过200%。2014年新增装机容量1060万kW，约占全球新增装机容量的1/5，占我国光伏电池组件产量的1/3。截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量4318万kW，成为全球光伏发电装机容量*大的国家。截至2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万kW，累计装机容量7742万kW，新增和累计装机容量均为全球**。 2018年，继《关于2018年光伏发电有关事项的通知》出台后，光伏标杆电价下调及行业需求减少导致产业链价格大幅下降，带动装机系统成本降低，收益率提升，刺激海外装机需求快速增长；2018年和2019年海外装机容量分别为60GW和90GW，分别同比增长46%和50%。在海外光伏新增装机容量快速增长带动下，2018年全球实现光伏新增装机容量104.1GW，同比增长2.1%。2019年光伏产业链降价驱动海外新增装机容量达到90GW左右，助力全球光伏新增装机容量实现120GW水平，同比增长15.3%。 2019年开启光伏竞争性配置新阶段。2019年5月30日，国家能源局制定了以竞价上网方式确定光伏项目补贴强度以及装机规模的总体工作思路，规定了30亿的光伏补贴总规模，其中户用项目补贴7.5亿元，普通光伏电站、工商业分布式以及国家组织实施的专项工程和示范项目，补贴总额不超过22.5亿元。国家发展和改革委员会将集中式光伏电站标杆上网电价改为指导价，新增集中式光伏电站上网电价通过市场竞争方式确定，但不得超过所在资源区指导价。 2020年，我国光伏新增和累计装机容量继续保持了全球**，国内光伏新增装机容量达48.2GW，创历史第二新高，同比增长60%，特别是集中式电站同比增长了近83%；截至2020年底，光伏累计并网装机容量达253GW，同比增长23.5%；全年光伏发电量2605亿kWh，同比增长16.2%，占我国全年总发电量的3.5%，同比提高0.4个百分点。 1.2 国内外对光伏发电技术的激励政策 1. 国外对光伏发电技术的激励政策 20世纪70年代以来，德国、意大利等重视环境的欧盟国家和很多传统发电资源极端贫乏的国家，其新能源尤其是太阳能光伏发电比重开始上升。21世纪以来，又有两大因素促进各国对太阳能光伏发电的重视：一是全球化石燃料价格的飞涨；二是传统能源使用带来全球环境污染问题。光伏新能源无论是在美国、欧盟、日本等发达国家或地区还是在广大发展中国家，都受到了前所未有的重视。 美国作为世界上*大的经济体，其政策受到全世界的关注，在光伏发电方面也不例外。美国光伏发电行业政策主要有两大类：联邦财政激励计划和法律法规、标准、约束性指标等管理类政策。其中，联邦财政激励计划并不局限于补贴，而是以税收优惠为主，并对税收、贷款、担保等各项投融资流程均有惠及，旨在提高光伏行业的投资驱动力。2010年7月，美国参议院能源委员会投票通过了“千瓦屋顶计划”，2012～2021年累计投资50多亿美元。 欧盟设定了2030年可再生能源占能源需求结构27%的目标，助力光伏发展。 在具体政策方面，欧盟各国的大方向是减少光伏补贴，使之更为市场化。 德国是世界上*大的光伏市场，德国2012年光伏装机容量为7.7GW，2013年装机容量为6.5GW，2017年累计装机容量为42GW。德国太阳能光伏发电已占其全部电力消费的5%以上，光伏总发电量占总电力消耗的6%。德国光伏市场发展的主要原因就是制定和实施了上网电价法，其补贴政策是面向发电量。德国根据电站规模、安装位置的不同，制定不同的补贴价格，通过价格的差异来引导电力公司和居民结合自己的情况进行安装适用。德国政府还分别从税收、信贷、补贴等各方面给予并网光伏支持。政府规定并网光伏投资费用(包括规划费用和安装费用)可以折旧20年，其他费用可以视为运营成本。 在太阳能利用领域，目前世界上太阳能发电专利主要由日本厂家掌握。2012年日本光伏装机容量为1.398GW，其中民用光伏发电系统占1.027GW，非民用光伏发电系统仅占371MW。2013年，日本光伏装机容量达到2.3GW，2016年达到峰值14.3GW。自20世纪90年代初开始，日本就把光伏屋顶并网发电纳入“阳光计划”，开始实施政府补贴政策，日本政府补贴力度很大，初始补贴达到光伏发电系统造价的70%，让投资者能很快回收成本。由于补贴力度大，不但使日本在相当长时间内成为世界*大的太阳能电池生产国，而且使日本成为世界光伏市场*大的国家。 新兴市场以印度为代表，主要集中在亚太地区和非洲，其光伏产业处于发展初期，装机容量较小，国家为推动光伏发展制定了优厚的政策扶持。整体而言，印度政府推出了宏大的国家太阳能计划——至2022年，总装机容量达到100GW，该计划被认为是推动印度光伏行业发展的主要动力。印度政府政策包括可再生能源购买义务(renewable purchase obligation，RPO)、各类融资激励、穆迪政府推出的对国有电力输送公司的援助计划(Ujjwal Discom Assurance Yojana，简称UDAY)、太阳能公园等。 2. 国内对光伏发电技术的激励政策 我国在2006年颁布实施了《中华人民共和国可再生能源法》，其中明确规定国家鼓励和支持可再生能源并网发电，电网企业应当与依法取得行政许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并网协议，全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量，并为可再生能源发电提供上网服务。 2009年财政部与住房和城乡建设部联合出台《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》和《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，明确指出国家财政支持“屋顶太阳能计划”，注重发挥财政资金政策杠杆的引导作用，形成政府引导、市场推进的机制和模式，加快光电商业化发展。并制定一系列财政补助资金使用及补贴标准。随后的2010年下发了《关于加强金太阳示范工程和太阳能光电建筑应用示范工程建设管理的通知》。 2011年以来，我国光伏产业区域集群化发展态势初步显现，形成了江苏、河北、浙江、江西、河南等区域产业中心，生产的光伏组件90%销往欧美等发达国家，同时政府出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，为光伏建筑一体化领域进一步发展提供了有力的政策扶持和基础保障。 在2012年下发的《关于组织实施2012年度太阳能光电建筑应用示范的通知》中，国家对当年补贴项目的规模、类型、质量、周期、补贴标准以及申请补贴条件进行了确定。 2013年8月，下发的《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》中，对电价及补贴进行深度分析，划分了光伏资源区等级，进一步明确了光伏电站及分布式光伏发电的补贴机制和标准。 2015年1月，国家能源局发布《关于发挥市场作用促进光伏技术进步和产业升级的意见(征求意见稿)》，提出了“领跑者计划”的概念。在2015年6月，国家能源局联合工业和信息化部、国家认证认可监督管理委员会共同发布《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，提出了光伏市场准入基本要求和“领跑者计划”技术指标。 2018年，工业和信息化部发布《智能光伏产业发展行动计划(2018—2020年)》，表示要加快产业技术创新，提升智能制造水平；推动两化深度融合，发展智能光伏集成运维；促进特色行业应用示范，积极推动绿色发展。鼓励光伏企业与信息、交通、建筑、农业、能源、扶贫等领域企业探索可推广、可复制的智能光伏建设模式。充分利用中央财政相关专项资金、地方财政资金等渠道，推动相关资源集约化整合和精准投放，加大对智能光伏产业扶持力度。 自2020年下半年以来，国家层面多次提出“碳达峰”和“碳中和”发展目标。2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”同年12月，习近平主席在气候雄心峰会上发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的讲话，并宣布，到2030年，中国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。在“碳达峰”和“碳中和”的大背景下，光伏发电将成为未来主要的发电方式之一。 在2021年全国能源工作会议上，国家能源局提出了2021年我国风电、太阳能发电合计新增1.2亿kW的目标，超出市场预期。围绕上述目标，除了国家正在制定的扶持政策，多个省(市)陆续出台的“十四五”规划和2035年远景目标中，也写入了清洁能源、可再生能源、光伏、风电、氢能、新能源汽车等关键词，奠定了未来5～10年的能源发展基调。 1.3 建筑一体式光伏发电概述 光伏建筑一体化(BIPV)，又称光电建筑一体化，是指在建筑上安装光伏发电系统，并通过专门设计，实现光伏发电系统与建筑的良好结合。我国目前对BIPV有两种理解：广义的BIPV是指安装在所有建筑物上的太阳能光伏发电系统；狭义的理解则要求与建筑物同时设计、同时施工、同时安装并与建筑物完美结合。广义的理解只是借助建筑场地实现光伏发电，