随着城市化进程快速推进，能源需求不断上涨，约80%的能源依赖于化石燃料，建筑行业的能源需求占30%以上[1]。大量使用化石燃料导致了能源危机、环境污染和全球变暖等严重问题。因此，大规模利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等可再生能源已经成为国际共识，太阳能具有清洁、丰富、分布广和取之不尽用之不竭的特点而受到广泛关注[2]。建筑光伏一体化将光伏组件与建筑结合，不仅充分利用建筑表面进行现场发电，而且显著提高围护结构隔热性能来减少建筑物的空调负荷，使建筑从耗能型向能源补充型转变，发展潜力巨大[3]。文章介绍建筑光伏一体化的定义、发电系统分类、安装类型及其研究现状，阐述了该技术在智慧城市中的应用优势和发展趋势。1建筑光伏一体化定义我国可再生能源学会光伏专委会建议用光伏建筑（BMPV）代替建筑光伏一体化（BIPV）的广泛定义。BMPV可分为两大类：一类是传统建筑上附加光伏（BAPV），即在建筑物表面安装光伏发电设备，把建筑物作为光伏模块起支撑作用的载体。这种安装型的BAPV光伏系统设计一般滞后于建筑物结构的设计和规划；一类是建筑光伏一体化（BIPV），即将光伏材料集成到建筑围护结构中。这种建材型的BIPV与建筑建设同步设计和施工，将光伏组件融合在建筑物中，产生节能和美学效果[4]。BMPV的分类如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.032.T001表1BMPV的分类分类优点缺点BAPV（安装型）投资低、施工难度低、易于改造和维修。不美观、二次施工且须考虑屋面受力。BIPV（建材型）具备发电和建筑结构的功能、美观、寿命较长。建筑性能要求高、运营维护难度大。2建筑光伏一体化发电系统分类建筑光伏一体化系统可根据当地的用电情况是否接入公共电网分为独立型和并网型系统。对于独立型系统，自带蓄电池，不与电网连接，当电力供应和需求不匹配时，需要储能电池放电或储电，来实现就地发电和就地用电的目标；对于并网型系统，与电网连接，当电力供应小于电力需求时，电网继续供电，直到供应满足需求，当电力供应大于电力需求时，则向电网输送电力[5]。3建筑光伏一体化的安装类型3.1光伏屋顶屋顶具有建筑接受阳光最多且不易受朝向和遮挡的影响等优势[6]。光伏屋顶的主要形式可分为两种。屋顶与光伏构件相互独立，即在传统建筑屋顶上直接铺设太阳能板；将光伏构件嵌入到装在屋顶的建材中，使其具有保温隔热、防水防潮和保护屋顶的功能[7]。科研人员对光伏屋顶进行了大量的研究。Sun等[8]结合香港的典型气象条件分析了倾斜角对光伏组件性能的影响，结果显示不同高度屋顶光伏组件的最佳倾斜角从30°~50°不等。Singh等[9]模拟了经济不发达地区的住房方案，与无光伏系统的屋顶相比，带有光伏组件系统的屋顶案例室内工作温度显著降低。得出了光伏组件系统不仅产生能量而且降低了房间的工作温度的结论。王彩玉等[10]通过刚性模型测压风洞试验的方法对不同女儿墙高度下平屋面阵列光伏板上风荷载分布进行分析。结果表明：对于平屋面上光伏板，无女儿墙时，光伏板距屋面边缘越近时，其整体体型系数所承受的风荷载越大；女儿墙高度的增加可以有效减小平屋面光伏板所受到的风吸力。3.2光伏幕墙光伏幕墙是将光伏组件与建筑幕墙相结合，用光伏发电玻璃代替普通的幕墙材料，使光伏幕墙具有发电和建筑特性[11]。光伏幕墙比光伏屋顶有更多可利用的面积，但光伏幕墙偏离了收集太阳能的最佳倾斜角度，发电效率不高。针对光伏幕墙，很多研究人员进行了相关研究。Hachem等[12]研究了折叠式光伏幕墙设计对多层建筑能源性能的提升。与作为参考的平坦朝南立面相比，集成在50%折叠板状立面表面的光伏系统发电量可增加多达56%。当光伏覆盖率增加到立面表面积的2/3时，发电量可以达到参考系数的2.8倍。通过提高光伏电池板的透明度，可以缓解热负荷的增加，同时显著减少了眩光发生。Shahrestani等[13]通过实验和数值模拟相结合的方法来评估自然通风光伏外墙系统的能量和热性能，结果表明：即使东南外墙有约31%的遮阳阴影，光伏立面系统的通风也可以使系统的年发电量增加2%以上；在东南外墙没有遮阳的研究案例中，通风将光伏幕墙系统的效率提高多达4%。Lau等[14]建立CFD仿真模型来预测各种光伏幕墙系统和环境条件下的电池温度，结果表明：当底部的入口开口扩大时，BIPV表面温度显著下降；当迎角大于60º时，温度急剧下降约15 ºC；将气腔深度从30 mm改变到200 mm，可以实现更低的PV电池温度；通过BIPV的适当设计，可以实现电效率15%的输出增加。3.3光伏遮阳板光伏遮阳板将光伏组件与遮阳装置集成在一起，发电的同时通过其遮阳效果降低室内冷负荷[15]。Bahr[16]基于成本效益方法来寻找光伏百叶窗最佳设计参数。Gao等[17]研究了高层建筑光伏遮阳百叶窗的应用，利用可变枢轴三自由度（VP-3-DOF）实现太阳跟踪，以获取最佳旋转角度，很大程度上提高发电量并减少光伏材料面积和采光期间的眩光。Akbari[18]研究了安装在窗户上可移动光伏遮阳板的能源效率。可移动的BIPV遮阳与在窗户上安装、距离窗户安装和挂窗安装的BIPV以及在屋顶上固定安装PV的无遮阳模式相比，可移动的BIPV遮阳系统的建筑热负荷分别降低12%、16%、15%和20%，而发电量超出建筑热需求分别高出70%、142%、113%和290%。建筑光伏一体化系统如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.06.032.F001图1建筑光伏一体化系统注：1.光伏组件；2.充电控制器；3.电源转换设备；4.电源存储设备；5.开关；6.电表4建筑光伏一体化在智慧城市中的应用优势4.1充分利用城市空间与传统的太阳能电池板相比，建筑光伏一体化利用闲置的屋顶或外墙立面，无须占用额外土地，充分利用了城市建筑外表面的空间来进行太阳能发电，这对于人多地少、寸土寸金的大城市具有重要的意义。4.2提升城市建筑美感随着技术的不断革新，各种颜色、材质、纹理的光伏组件正在不断地被研发使用。光伏组件作为建筑的围护结构，起到建筑隔热和装饰外墙的作用，将城市建筑节能和美学完美融合，使智慧城市中的高楼大厦传达出现代感和科技感[19]。4.3适合城市的绿色能源BIPV系统具有清洁、安静和安全等优点，风力发电机工作时不会因震动产生巨大噪声，不消耗任何燃料，不产生污染物，能够有效降低对城市热环境的破坏[20]。4.4对城市电网起到调峰的作用城市用电高峰在夏季，同时也是日照量最大和光伏系统发电量最多的时期，当公共电网处于用电高峰期，并网的BIPV系统不仅满足了自身建筑的能耗还向公共电网供电，适当减轻公用电网的发电压力，保证城市居民正常用电。5建筑光伏一体化的发展障碍5.1设备初投资有待降低相对于一般建筑和太阳能热系统，BIPV系统建造成本较高，投资回报周期长，是造成该技术在我国发展困难的主要因素。据估计，BIPV系统的一般回收期4~5年。5.2相关规范标准有待完善国内的光伏建筑标准体系和相应的国家标准、行业标准、团体标准亟需建立和改善，相关的检测技术、评估技术和质量验收规程也需要不断研究开发和完善。BIPV系统必须满足建筑和光伏两个部门的规范和基准，又需要满足额外的标准，这会限制市场潜力。5.3发电效率有待提高与BAPV系统相比，BIPV系统中光伏模块集成到建筑围护结构中，没有光伏模块和围护结构之间的气流，导致光伏模块具有过高的工作温度，降低了模块的半导体材料的发电效率。6结语近年来，随着城市化进程的不断推进，化石能源的减少、环境污染和全球变暖等问题加剧，人们对绿色清洁能源的需求更加迫切。虽然建筑光伏一体化技术设备价格较高、技术规范不足和发电效率较低等诸多问题，但是随着新材料和先进系统形式的不断发展和突破，建筑光伏一体化技术将会为智慧城市建设增光添彩。