光伏建築整合（BIPV）是一種光伏材料，用於取代屋頂、天窗或外牆等建築圍護結構部分的傳統建築材料。 [ 1 ]儘管現有建築物可以採用類似技術進行改造，但它們越來越多地被納入新建築物的建設中，作為主要或輔助電力來源。與更常見的非整合系統相比，整合光伏發電的優勢在於，初始成本可以透過減少建築材料和勞動力的支出來抵消，而這些建築材料和勞動力通常用於建造被 BIPV 模組取代的建築物部分。此外，當建築物美觀且傳統的機架式太陽能板會破壞建築物的預期外觀時，BIPV 可以更廣泛地採用太陽能。
建築應用光伏發電( BAPV )一詞有時用於指改造後的光伏發電－在施工完成後整合到建築物中。大多數建築一體化裝置實際上都是 BAPV。一些製造商和建築商將新建 BIPV 與 BAPV 區分開來。[ 2 ]
歷史
建築光伏應用始於 20 世紀 70 年代。鋁框光電模組連接或安裝在通常位於無法連接電網的偏遠地區的建築物上。 20 世紀 80 年代，屋頂附加光電模組開始展示。這些光電系統通常安裝在集中電站地區的併網建築物上。 1990 年代，專門設計用於整合到建築圍護結構中的 BIPV 建築產品開始投入商業應用。[ 3 ] Patrina Eiffert 1998 年的一篇博士論文，題為《BIPV 的經濟評估》，假設有一天可再生能源信用 (REC) 交易會產生經濟價值。[ 4 ]美國國家再生能源實驗室2011年的經濟評估和BIPV歷史的簡要概述表明，在BIPV的安裝成本與光伏板競爭之前，可能需要克服重大的技術挑戰。[ 5 ]然而，越來越多的人認為，透過其廣泛的商業化，BIPV 系統將成為2020 年歐洲零能耗建築( ZEB )目標的支柱。社會障礙也已出現已被確定，例如建築業的保守文化以及與高密度城市設計的融合。這些作者認為，實現長期使用可能取決於有效的公共政策決策以及技術發展。[ 7 ]
表格
大多數 BIPV 產品使用兩種技術之一：晶體太陽能電池 (c-SI) 或薄膜太陽能電池。 C-SI 技術由單電池晶體矽晶圓組成，其運作效率通常比薄膜電池更高，但生產成本更高。[ 8 ]這兩種技術的應用可以依照 BIPV 產品的五種主要類型進行分類：[ 8 ]
- 標準屋頂系統。它們通常採用適用的光伏電池條的形式。
- 半透明系統。這些產品通常用於溫室或寒冷天氣應用，在這些應用中必須同時捕獲太陽能並允許進入建築物。
- 覆層系統。這些系統種類繁多；它們的共同點是在建築立面上的垂直應用。
- 太陽能瓦片和木瓦。這些是最常見的 BIPV 系統，因為它們可以輕鬆更換為傳統的木瓦屋頂飾面。
- 柔性層壓板。這些產品通常以薄片形式採購，可以黏附到各種形式，主要是屋頂形式。
除柔性層壓板外，上述每個類別都可以利用 c-SI 或薄膜技術，而薄膜技術僅適用於柔性層壓板 - 這使得薄膜 BIPV 產品非常適合具有以下特點的先進設計應用：動力學方面。
五大類之間，BIPV產品可應用於多種場景：坡屋頂、平屋頂、弧形屋頂、半透明立面、天窗、遮陽系統、外牆、帷幕牆，其中平屋頂和坡屋頂最為突出。太陽能捕獲。[ 8 ]屋頂和遮陽系統 BIPV 產品系列最常用於住宅應用，而牆壁和覆層系統最常用於商業環境。[ 9 ]總體而言，屋頂 BIPV 系統目前擁有更多的市場份額，並且由於其面向太陽的方向，通常比外牆和覆層 BIPV 系統更有效率。[ 9 ]
光伏建築一體化組件有多種形式：
- 平屋頂
- 斜屋頂
- 金屬斜屋頂（結構和建築）現在正在透過黏合獨立式柔性模組[ 15 ]或透過將CIGS電池直接熱真空密封到基板上[ 16 ]來與光伏功能整合。
- 正面
- 外牆可以安裝在現有建築物上，使舊建築物煥然一新。這些模組安裝在建築物的正面、現有結構之上，可以增加建築物的吸引力及其轉售價值。[ 17 ]
- 玻璃
- 光伏窗是（半）透明模組，可用於取代許多通常由玻璃或類似材料製成的建築元素，例如窗戶和天窗。除了產生電能外，由於卓越的隔熱性能和太陽輻射控制，這些還可以進一步節省能源。
- 光伏彩色玻璃：將能量收集技術整合到家庭和商業建築中開闢了更多的研究領域，並更多地考慮最終產品的整體美觀。雖然目標仍然是保持高水準的效率，但光伏窗的新發展也旨在為消費者提供最佳水平的玻璃透明度和/或從多種顏色中進行選擇的機會。不同顏色的「彩色玻璃」太陽能板可以經過最佳化設計，以吸收更廣泛光譜中特定範圍的波長。使用半透明、鈣鈦礦和染料敏化太陽能電池成功開發了彩色光伏玻璃。
- 吸收和反射彩色光的等離子太陽能電池是採用法布里-珀羅標準具技術製造的。這些電池由「兩個平行的反射金屬膜和它們之間的介電腔膜」組成。[ 18 ]兩個電極由 Ag 製成，它們之間的空腔是基於 Sb2O3 的。修改介電腔的厚度和折射率會改變最佳吸收的波長。將吸收層玻璃的顏色與電池厚度和折射率最適合傳輸的光譜的特定部分相匹配，既可以增強電池的顏色，又可以增強電池的美感，並有助於最大限度地減少光電流損失。紅光和藍光裝置的透射率分別達到 34.7% 和 24.6%。藍色設備可以將 13.3% 的吸收光轉換為電能，使其成為所有開發和測試的彩色設備中效率最高的。
- 透過將金屬奈米線厚度分別更改為 8、20 和 45 nm，鈣鈦礦太陽能電池技術可以調整為紅色、綠色和藍色。 [ 19 ]透過將玻璃反射率與特定電池設計為最佳傳輸的波長相匹配，可以實現 10.12%、8.17% 和 7.72% 的最大功率效率。
- 染料敏化太陽能電池採用液體電解質來捕獲光並將其轉化為可用能量；這是透過與天然色素促進植物光合作用類似的方式來實現的。雖然葉綠素是負責在葉子中產生綠色的特定色素，但自然界中發現的其他染料，例如類胡蘿蔔素和花青素，會產生橙色和紫色染料的變化。[ 20 ] 康塞普西翁大學的研究人員已經證明了染料敏化彩色太陽能電池的可行性，該電池既能出現又能選擇性地吸收特定波長的光。[ 21 ] 這種低成本解決方案使用從馬基果、黑桃金孃和菠菜中提取的天然色素作為敏化劑。然後將這些天然敏化劑放置在兩層透明玻璃之間。雖然這些成本特別低的電池的效率水平仍不清楚，但過去對有機染料電池的研究已經能夠實現「9.8% 的高功率轉換效率」。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
透明和半透明光伏發電
透明太陽能電池板在玻璃板的內表面上使用氧化錫 塗層將電流傳遞出電池。該電池含有塗有光電 染料的氧化鈦。[ 25 ]
大多數傳統太陽能電池使用可見光和紅外線光來發電。相較之下，創新的新型太陽能電池也使用紫外線輻射。用於取代傳統的窗玻璃，或放置在玻璃上，安裝表面積可能很大，從而產生利用發電、照明和溫度控制組合功能的潛在用途。[需要引用]
透明光伏發電的另一個名稱是「半透明光伏發電」（它們透射落在其上的一半光）。與無機光伏電池類似，有機光伏電池也能夠是半透明的。
透明和半透明光伏發電的類型
非波長選擇性
一些非波長選擇性光伏發電透過不透明太陽能電池的空間分割來實現半透明。該方法使用任何類型的不透明光伏電池，並在透明基板上將幾個小電池分開。以這種方式將它們間隔開會顯著降低功率轉換效率，同時增加傳輸。[ 26 ]
非波長選擇性光伏發電的另一個分支利用具有小厚度或足夠大的帶隙以允許光通過的可見光吸收薄膜半導體。這導致半透明光伏電池在效率和傳輸之間具有與空間分段不透明太陽能電池類似的直接權衡。[ 26 ]
波長選擇性
波長選擇性光伏發電透過利用僅吸收紫外線和/或近紅外光的材料來實現透明度，並於 2011 年首次展示。低。這些包括小激子擴散長度、在不損害效率的情況下縮放透明電極以及由於 TPV 中使用的有機材料的揮發性而導致的一般壽命。[ 26 ]
透明和半透明光伏發電的創新
早期嘗試使用吸收可見光譜的非常薄的活性層來開發非波長選擇性半透明有機光伏電池，但效率僅低於 1%。[ 28 ]然而，2011年，使用有機氯鋁酞菁（ClAlPc）供體和富勒烯受體的透明有機光伏電池在紫外線和近紅外線（NIR）光譜中表現出吸收，效率約為1.3％，可見光透射率超過65％ 。[ 27 ] 2017年，麻省理工學院的研究人員開發了一種工藝，成功地將透明石墨烯電極沉積到有機太陽能電池上，使可見光的透射率達到61%，效率提高了2.8%-4.1% 。[ 29 ]
鈣鈦礦太陽能電池因其作為效率超過 25% 的下一代光伏發電而廣受歡迎，也顯示出作為半透明光伏發電的前景。 2015 年，使用甲基銨三碘化鉛鈣鈦礦和銀奈米線網狀頂部電極的半透明鈣鈦礦太陽能電池在 800 nm 波長下表現出 79% 的透射率，效率約為 12.7%。[ 30 ]
政府補貼
在一些國家，除了現有的獨立太陽能係統上網電價補貼外，還為建築一體化光電發電提供額外的誘因或補貼。自2006年7月起，法國為BIPV提供了最高的獎勵，相當於在光伏系統30歐分的基礎上額外支付0.25歐元/千瓦時的補貼。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]這些激勵措施是以電網供電的費率形式提供。
歐洲聯盟
- 法國 €0.25/kWh [ 32 ]
- 德國每度電 0.05 歐元的外牆獎金已於 2009 年到期
- 義大利 €0.04–€0.09/kWh [需引用]
- 英國 4.18 p/kWh [ 34 ]
- 西班牙與每千瓦時 0.28 歐元的非建築設施相比 (RD 1578/2008)：
- ≤20 kW：0.34 歐元/kWh
- >20 kW：0.31 歐元/kWh
美國
- 美國 – 因州而異。查看國家再生能源和效率激勵資料庫以了解更多詳細資訊。[ 35 ]
其他光伏一體化
車輛整合光伏發電（ViPV）與車輛類似。[ 39 ]太陽能電池可以嵌入到暴露在陽光下的面板中，例如引擎蓋、車頂，甚至可能是後備箱，這取決於汽車的設計。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
挑戰
表現
由於BIPV系統現場發電並整合到建築圍護結構中，因此系統的輸出功率和熱性能是兩個主要性能指標。傳統BIPV系統的散熱能力低於機架式光電系統，導致BIPV組件的工作溫度較高。較高的溫度可能會降低模組的半導體材料的性能，從而降低輸出效率並導致早期故障。[ 44 ]此外，BIPV系統的效率對天氣條件敏感，使用不合適的BIPV系統也可能降低其能源輸出效率。[ 44 ]在熱性能方面，BIPV窗戶與傳統透明玻璃窗相比可以減少冷負荷，但可能會增加建築物的熱負荷。[ 45 ]
成本
BIPV 系統的高額前期投資是實施的最大障礙之一。[ 44 ]除了購買BIPV組件的前期成本之外，BIPV系統的高度整合性增加了建築設計的複雜性，進而導致設計和施工成本增加。[ 44 ] 此外，從業人員不足和缺乏經驗導致BIPV專案開發的用工成本較高。[ 44 ]
政策法規
儘管許多國家都有對光伏的支持政策，但大多數國家並沒有為BIPV系統帶來額外的好處。[ 44 ]通常，BIPV系統需要符合建築和光伏行業標準，這對BIPV系統的實施提出了更高的要求。此外，政府降低常規能源價格的政策將導致BIPV系統效益降低，這在常規電價很低或有政府補貼的國家尤其明顯，例如海灣合作委員會國家。[ 44 ] [ 46 ]
大眾理解
研究表明，公眾對 BIPV 的認識有限，而且普遍認為成本過高。透過各種公共管道（例如政策、社區參與和示範建築）加深公眾對BIPV的了解可能有利於其長期發展。[ 44 ]
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耶 穌 對 他 說 ： 你 要 盡 心 、 盡 性 、 盡 意 愛 主 ─ 你 的 神 。
—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37