今年8月,有报道称特斯拉再次发力屋顶光伏,可能将于年底推出Solar Roof v3.5,它是光伏建筑一体化的一种,该产品将光伏电池嵌入了钢化玻璃中。
Solar roof还是特斯拉虚拟电站布局的一部分。特斯拉此前宣布在美国加利福尼亚州推出虚拟电站计划,利用其太阳能发电屋顶Solar Roof以及储能电站Powerwall,在白天收集太阳能,用户不需要用电时,将闲置电量输送给电网。
其实在这之前,特斯拉在2016年推出的光伏产品Solar Roof因频频出现安全事故而遭遇业务暂停、客户投诉等风波,可现在依然坚持光伏建筑,背后的原因或许是特斯拉依然看好这个赛道的未来?
特斯拉看好的光伏建筑一体化,有个专有名词,叫BIPV(Building-integrated photovoltaics),是指把光伏发电系统和建筑同时设计、施工、安装,两者融为一体。可最大限度利用建筑物吸收阳光,所产生的电力可提供给建筑物使用,实现绿色和经济的共同发展。
在这里,光伏作为建筑物外部结构的一部分,可作为屋顶、天窗、建筑物外立面等的替代物品,既具有光伏发电功能,又能承担建筑构件和建筑材料的作用。
跟BIPV紧密相关的另一个概念是BAPV(Building-attached photovoltaics),指的是附着在(安装在)建筑物上的太阳能光伏发电材料,也称为“后安装型”建筑太阳能光伏,即在已完成的建筑物上安装光伏材料,这些光伏材料的主要功能是光伏发电,不承担建筑物透光、防水、遮风等功能,也不破坏或削弱原有建筑物的功能。
目前,在市场上,BAPV由于安装简单,产品化发展而成为更主流的光伏建筑类型。而BIPV直接将设备作为墙体或屋顶,美观、安全性高、经济等优势突出而逐渐火爆出圈。
在我国,未来随着绿色建筑和相应标准的确立,光大证券预计到2030年BIPV装机总容量可达36.7GW,总市场规模可达近1000亿元,约占全球市场的1/6。
尽管市场空间很大,但BIPV真正大规模、商业化推广,还有比较长的路要走。主要原因是光伏建筑一体化,需要光伏圈和建筑圈携手同行,考虑和受制约的因素也比较多。
光伏建筑一体化现状到底如何?还存在什么样的挑战?
各国纷纷出台政策支持光伏建筑
建筑行业一直以来是全球能耗大户。根据中国建筑节能协会数据,我国建筑全生命周期能耗总量占全国能源消费总量比重为46.5%。其中,建筑运行阶段的能耗占全国能源消费总量比重为21.7%。要解决建筑运行阶段的能耗,毫无疑问,光伏建筑是最有效的解决方案。
这也是各国纷纷出台相关政策支持光伏建筑的重要原因。
今年4月,我国住房和城乡建设部发布的国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB55015-2021)要求新建建筑应当安装太阳能系统,做到全年综合利用;在7月发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》也一再提到推进建筑太阳能光伏一体化建设,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。
欧盟的REPowerEU方案也提出,到2026年,欧盟所有屋顶面积大于250平方米的新建公共建筑和商业楼,必须强制安装屋顶光伏;到2027年,所有满足条件的现存建筑屋顶必须强制安装光伏;到2029年,所有新建的住宅楼必须安装屋顶光伏。
从政策来看,无论是美国、欧洲还是中国市场,光伏建筑的发展潜力巨大。在业界的美妙设想中,未来全球所有的屋顶都有望装上光伏发电系统,建筑由能耗大户华丽转身为微型电站。
从经济角度出发,原本建设一栋大楼是固定支出,如果结合了光伏发电系统进行建设,就相当于是一项投资。后期产生电力可用于大楼本身的照明等用电需求,节省很多成本。
据北极星太阳能光伏网的某钢结构厂房实际工程数据显示,BIPV比BAPV每平方米节省约164元,它也代表了绿色建筑的未来发展趋势。国内各省市不断推出相关政策,在资金、技术、人才等各方面支持 BIPV的发展。
2019年国家发改委印发了《绿色生活创建行动总体方案》,将绿色建筑行动列入创建内容之一。2020年住建部等7部门印发《绿色建筑创建行动方案》,提出推动超低能耗建筑、近零能耗建筑发展,推广可再生能源应用。此后各省市针对超低能耗建筑示范推广的政策陆续出台,在财政补贴、非计容面积奖励、备案价上浮、绿色信贷等方面提出了政策优惠。
BIPV“跨界难”, 光伏与建筑如何有机结合?
从BIPV概念被提出到现在,我国历经近20年才迎来了它的风口。但是风口之上的BIPV,与发展迅速的光伏行业相比,仍存在市占率低,普及程度低等问题。据统计我国每年约有40亿平米左右竣工房屋面积,但近些年BIPV的市占率仅有2%。
“BIPV现在处于‘内冷外热’的阶段,我们‘光伏圈’打得火热,但是与之相关的建筑行业热情度不高,关注度不够。一直都是光伏人想把PV装在建筑上。”中国BIPV联盟主席施正荣博士曾在中国BIPV联盟年度论坛表示。
今年3月,住建部发布《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》,提出了“到2025年,完成既有建筑节能改造面积3.5亿平方米以上,全国新增建筑太阳能光伏装机容量0.5亿千瓦以上”的量化目标。
这个量化目标的设定,再也不是光伏人的一厢情愿,现在建筑师同样需要PV。可是,知易行难。大家都知道,建筑是人活动的场所,将光伏发电系统安装在建筑上首先要做到对人友好、安全。这就意味着它需满足建筑的安全、防水、防雷、抗风揭、保温、防火等特性。
但现在有不少光伏建筑项目做法简单粗暴,直接将地面电站的做法和经验搬到建筑上,并没有充分考虑建筑的功能。例如,光伏组件的安装忽略对建筑热工性能的影响,造成夏季屋面通风散热问题;忽略对光伏系统进行荷载计算、构件承载力复核计算,对建筑使用周期内的安全系数造成隐患
这些问题产生的主要原因在于,当前光伏产品大多是针对地面光伏电站的要求而设计生产的,对于BIPV产品研发制造时,并未真正以一体化理念去考虑光伏材料建材化,难以满足建筑防火、防水、耐候等要求。另外,BIPV安装过程即是建筑结构施工过程,需专业建筑施工团队介入,而非光伏企业安装。
以大同未来能源馆BIPV项目为例,北京建工集团作为其所在园区的EPC总承包单位,全面负责工程设计、建设及建成后运营管理。未来能源馆的光伏方案由北京建工集团能源团队打造,光伏材料由光伏企业定制供应,施工团队则负责解决施工难度大精度要求高的问题。
因此,要实现真正的光伏建筑一体化,光伏圈和建筑圈必须携手同行,在建筑规划阶段开始统筹考虑建筑的地理位置、场地条件和自身设计,既要保证BIPV发电效率,也要实现建筑的基本使用功能,包括安全性能、对室内环境质量的影响以及观赏性等。
建筑设计是一个多专业协同工作的过程,光伏系统设计需要加入其中,与各专业都建立紧密联系,以保证设计的完整性和可靠性。如果光伏设计独立或滞后于建筑设计,势必会带来方案的反复调整,延误工程进度,增加额外成本。
BIPV“收益难”,千亿市场怎么打开?
从BIPV广阔的市场前景来看,确实能在全球范围内引起业界的注意。据统计,到2030年,全球BIPV市场规模约达6000亿元。
因此,特斯拉在多年前就入局BIPV,以26亿美元高价收购光伏公司Solar City,并于2016年推出Solar Roof,直接将电池片作为瓦片安装在屋顶上,兼具屋顶和发电功能。特斯拉还专门设计了定制配件、通风口和天窗,最大程度保障屋顶颜色一致性与造型美观度。
那时埃隆?马斯克曾放下豪言,声称会将屋顶光伏业务拓展到中国和欧洲,让每座房子变成光伏电站。然而6年过去了,现实给了马斯克沉重一击,Solar Roof目前仅在美国获准安装,并且它在全美的销售与实际安装情况也远远落后于当年的计划。
去年,马斯克承认,特斯拉犯了“大错”,屋顶的复杂程度太高。他们很难拿出一套通行方案:有的屋顶凹凸不平、有的基层有问题、有的撑不起Solar City的太阳能瓦片。如果要定制化解决,整体价格会比特斯拉最初预估的贵2、3倍。总结而言,户用市场需求太过复杂,兼顾美观、结构、发电效率并没有那么容易。
在中国市场也有不少企业开始布局,如英利集团、汉能集团,隆基股份、晶科能源等。最引起业界注意的是,早在2019年,隆基股份就已经开始建设旗下首座BIPV工厂,2020年首款装配式BIPV产品“隆顶”(”LonGi Roof”)正式下线。在去年,隆基股份又收购森特股份,光伏制造与金属围护龙头的联手,开创了光伏企业与建筑企业股权合作的先河,或将打破跨行业协作的壁垒,实现优势互补,探索出BIPV市场拓展新模式。
但现阶段,BIPV推进的最大的问题在于造价昂贵,算是建筑行业中的“奢侈品”。无论是公共建筑、住宅建筑、工业厂房,采用BIPV的成本是首要考虑的因素。为了满足建筑的需求,光伏企业需要进行定制化操作,对颜色、透光度、尺寸等进行标准化同时降低成本。从特斯拉的经历来看,这难度极大。
另外,BIPV市场也需要一个成熟的商业模式。光伏建筑项目全周期涉及多方利益主体,包括建筑业主、电站投资商、设计单位、施工单位、系统产品提供商、建筑使用者及运维服务提供商,这其中的责任与收益划分尚不明确。在生产建设端,BIPV方案决定权归属不明朗,将直接影响项目质量及效益。在发电运营端,在规模尚小的市场现状下,现有的运维管理模式能否应对BIPV项目更高的资源技术要求仍有待验证。
无论是美国、欧洲还是中国,BIPV目前还称不上主流。不需要为特斯拉再度发力或隆基切入太过激动,无论对建筑行业还是光伏业,这都将是一场持久而漫长的改变。