基于熵值法的中國各地區光伏建筑一體化(BIPV)發展前景研究

梁小榮，任 睦，方 陽，陳 旺，徐天宇

(1.廣東省能源集團貴州有限公司，貴陽 550081；2.北京計鵬信息咨詢有限公司，北京 100050)

0 引言

為實現碳中和、碳達峰(以下簡稱“雙碳”)目標，中國已改變以煤為主的能源結構，推動能源轉型，主要任務是將可在生能源作為能源供應主體。截至2022 年，中國各類能源發電總裝機容量達23.78億kW，如圖1 所示。其中，煤電裝機容量為11.1億kW，占比46.7%；風電裝機容量為3.29 億kW，占比13.84%；太陽能發電裝機容量為3.07 億kW，占比12.9%。

圖1 2022 年中國各類能源發電裝機容量情況(單位：萬kW)Fig.1 China’s installed capacity of varions energy sources in 2022(Unit:10 MW)

光伏發電作為技術成熟度最高的可再生能源利用方式，在中國能源轉型過程中扮演重要角色。光伏建筑一體化(BIPV)是一種將光伏發電產品集成到建筑上的多功能技術，使建筑物本身成為能量來源。Restrepo 等[1]在2023 年的研究中指出光伏發電系統與建筑的集成將在未來50年發揮關鍵作用。Martín 等[2]指出：BIPV 組件作為建筑圍護結構的一部分，既具有發電功能，又具有建筑材料的性質，與建筑物形成統一的、不可分割的整體，可與建筑物同時設計、施工安裝。賴思宇等[3]指出：中國BIPV 產品經過20多年的發展，已可以提供多種適用于傳統建筑的BIPV 組件，包括光伏瓦片等兼具建筑特征和可提供能源的特色BIPV 組件。BIPV 系統可以部分或全部解決建筑用電需求，即有建筑也可改裝成為BIPV 建筑。

Cibi 等[4]指出：由于目前城市的建筑多為高層，屋頂面積較為有限。因此，暴露在太陽光下的建筑外墻也屬于BIPV 組件的安裝范圍。Sarkar 等[5]指出：BIPV 系統按照BIPV 組件安裝位置可分為兩大類，分別為屋頂集成系統和立面集成系統；立面集成系統中還可以細分為幕墻BIPV 系統、玻璃外墻BIPV 系統等。按照技術分類，BIPV 組件可分為晶體硅BIPV 組件和薄膜BIPV 組件。采用薄膜BIPV 組件作為玻璃外墻的BIPV 示范建筑外觀如圖2 所示。

圖2 BIPV 示范建筑外觀Fig.2 Appearance of BIPV demonstration building

目前中國BIPV 累計裝機容量為0.9 GW。中國光電建筑研究與應用起步較晚，2006—2008年才開始建設一些規模相對較小的光電建筑示范項目；2009 年開始開展BIPV 相關標準的制定；2015 年之后依靠國家和政府針對光伏發電項目提出的一系列補貼政策，中國光電建筑的發展開始加快；近期，隨著“雙碳”目標的制定，光電建筑受到廣泛關注。李虎等[6]于2022 年的研究指出：未來新型建筑領域應以能夠實現零能耗甚至負能耗為目標。董梓童[7]與2022 年的研究指出BIPV 將是未來建筑領域節能降碳的重要途徑之一。

現有研究中缺乏對于BIPV 區域性推廣建議的研究，孟微等[8]基于熵權-TOPSIS 對于整縣推進光伏發電項目進行分析，其研究方法可為本文提供參考。本研究將基于影響BIPV 項目建設的相關因素，采用去量綱化的熵值法建立一個評價體系，分析中國不同地區發展BIPV 的潛力。通過建立的評價體系為各地區BIPV 發展潛力評分并進行綜合分析再分別以裝機容量、項目經濟性兩類指標為側重點分析BIPV 發展潛力，為不同需求的企業提供參考。

1 研究方法

本研究提出了一種基于熵值法的評價體系，用來量化中國各地區發展BIPV 的潛力。由于BIPV 系統是融合了建筑與光伏發電兩種行業特點的新興技術，因此受到的影響因素較多。如何將不同類型、不同種類的影響因素科學、合理、客觀地整合起來，直觀表現不同地區BIPV 的發展潛力是本研究的重點。

熵在物理學中代表的是各種可能性的多少，表示物質系統非均勻宏觀狀態的無序程度，是對信息的不確定性的度量。熵值法是從熱力學中推導而出，熵值是一個參數，其描述了不同數據在某一屬性方面相互接近的程度。判斷數據的可用性的唯一依據是數據本身，即熵值法為客觀評價方法。信息熵值越高，代表指標提供的有用信息量越多。熵值法可以發展為一種綜合評價方法，其可以根據熵值對不屬于同一維度的數據進行加權。熵的效用值越小，權重越小。熵值法主要利用評價指標的固有信息來分辨指標的效用價值。在信息論中，熵是系統無序程度的度量，而信息是有序的度量。因此，將熵值法應用于各地區BIPV 發展潛力評分，可以綜合多方面不同因素，得出客觀的評價結果。

本研究應用熵值法的目的是通過建立評價體系將中國不同地區發展BIPV 的潛力量化，對潛力評分進行分析并得出相應的結論，應用示意圖如圖3 所示。每個地區的BIPV 發展潛力評分可以更直觀的顯示該地區發展BIPV 的優勢與劣勢，在未來BIPV 建設中，企業可以根據不同需求對照該評分選擇不同項目建設地區。

1.1 指標框架

本研究為體現中國不同地區發展BIPV 的潛力，綜合選取4 類能夠影響BIPV 項目建設的相關因素作為評價指標。除該地區與BIPV 相關的經濟發展水平基本情況以外，在光伏發電方面，選取該地區的太陽輻照量、電價作為評價指標；在建筑方面，選取該地區公共建筑、廠房建筑的年竣工面積作為評價指標。

第一，不同地區的經濟、工業發展水平不同。經濟發展水平可被視為一個地區發展新型產業的基礎，工業化水平較高地區的整體用電量、建筑領域綠色轉型需求都高于其他地區，對于新能源的需求也會高于其他地區，因此本研究選取各地區經濟發展水平的基本情況作為評價指標。

第二，BIPV 作為分布式光伏發電項目的一種，其發電能力直接受太陽能資源條件影響。通過對已投產的BIPV 系統的發電量數據進行分析，Restrepo 等[1]認為：BIPV 系統的發電能力直接取決于安裝地的氣候條件，系統產生的發電量受太陽輻射的影響。因此本研究將反應各地區太陽能資源情況的太陽輻照量作為評價指標，反映不同地區的太陽能資源水平，數據來源于《中國風能太陽能資源年景公報(2021 年)》[9]，呂濤等[10]在評價中國光伏資源利用情況中將太陽輻射總量作為一級指標。

第三，電價是直接影響分布式光伏發電項目收益的因素，電價優勢越明顯的地區，越能吸引BIPV 項目投資商。王恒田等[11]于2021 年的研究指出：在平價上網時代，光伏發電項目的投資主體為各類企業，因此項目經濟性將作為企業決策的重要參考。本研究將不同地區的電價作為評價指標。

第四，BIPV 作為與建筑高度結合的光伏發電系統，目前主要出現在新建建筑中，即與建筑物同時施工建設為主流BIPV 項目的建設方式，因此本研究采用中國建筑業統計年鑒中各類建筑的年竣工面積作為評價指標。

對于評價指標選擇的要求，第一是與BIPV項目建設直接相關或能間接影響項目收益的因素；第二是數據的完整性和準確性，由于本研究涉及地區較多，應盡量保證數據的準確性及可獲得性。

為了確保數據的完整性，本研究將評估年份設定為2022 年。本研究中使用的數據來源主要是以官方發布數據為主，指標框架如下：

1) 經濟發展水平的基本情況：地區生產總值、工業增加值、全社會用電量、累計分布式光伏發電裝機容量。

2) 太陽輻照量：水平面太陽總輻照量平均值、最佳斜面太陽總輻照量平均值。

3) 電價：一般工商業用電價(10 kV)、大工業用電價(10 kV)、燃煤發電基準電價。

4) 建筑的年竣工面積：公共建筑年竣工面積、廠房建筑年竣工面積。

1.2 指標權重系數計算方法

由于不同指標數據具有不同的單位和維度，需要通過熵值法的第一步——數據歸一化處理所用數據，數據歸一化處理的方法如式(1)、式(2)所示。式(1)在指標為正向時使用，即指標權重系數越大，表現越好；式(2)在指標為逆向時使用，即指標權重系數越大，表現越差。

式中：xi,j為數據的歸一化值；ai,j為指標數據；max{xi,j}為該指標數據序列中的最大值；min{xi,j}為該指標序列中的最小值。i為第i項指標；j為第i項指標的第j個值。

將指標數據歸一化后，通過式(3)～式(6)確定指標權重系數。第i個指標數據的熵值Hi的計算式為：

式中：n為某項指標值的個數；k、fi,j均為系數。

系數k和fi,j的計算式為：

各指標權重系數wi(即各指標得分)可由式(6)計算得出，即：

式中：m為指標的數量。

1.3 各地區BIPV 發展潛力評分

在確定各指標得分后，各地區評分由去量綱值乘以指標得分，再將某一地區所有指標得分相加，即為該城市的BIPV 發展潛力評分，Sl其計算式為：

2 評價結果與分析

2.1 綜合評價結果

考慮到數據可收集性等其他因素，本研究收集了中國內地共31 個省、直轄市、自治區的4項指標數據，并進行綜合評價。綜合評價是將全部指標進行權重得分計算，得出中國不同地區發展BIPV 的綜合潛力。

通過式(1)～式(6)的熵值法計算得出各類指標權重系數，結果如表1 所示。

表1 各類指標權重系數計算結果Table 1 Calculation results of weights coefficient of various indexes

各地區所有指標權重系數得出后，通過式(7)可計算出各地區BIPV 發展潛力評分，綜合評價結果如圖4 所示。

圖4 所選地區BIPV 發展潛力綜合評價結果Fig.4 Comprehensive evaluation results of BIPV development potential in selected regions

2.2 側重裝機容量及項目經濟性的評價結果

為從多角度分析不同地區在發展BIPV 方面的特點，滿足不同企業需求，除綜合評價外，本研究將全部指標按照能夠反映地區某一特點分類，以裝機容量和項目經濟性分別為例重點采用熵值法進行評價，側重點與指標選取如表2 所示。

表2 側重點及指標選取Table 2 Selection of focus and indicator

表2 中側重點之一的裝機容量是指單一BIPV 項目的裝機容量，得分越高，表示在該地區建設BIPV 項目的裝機規模大于其他地區的可能性越高。項目經濟性是指單一BIPV 項目對于投資者來說在財務方面的盈利能力，BIPV 項目主要以銷售電力作為建筑業主或建設企業的營利手段，得分越高，表示在該地區建設BIPV 項目營利的可能性越大。

通過熵值法針對不同側重點的指標進行權重系數計算，并計算得出不同地區不同側重點下的BIPV 潛力評分，結果分別如圖5、圖6 所示。

圖5 所選地區BIPV 項目裝機容量潛力評價結果Fig.5 Evaluation results of installed capacity potential of BIPV projects in selected regions

圖6 所選地區BIPV 項目經濟性潛力評價結果Fig.6 Evaluation results of economic potential of BIPV projects in selected regions

2.3 評價結果分析

2.3.1 綜合評價結果分析

從綜合評價結果(見圖4)可知：江蘇省、浙江省的BIPV 發展潛力遠高于其他地區。

江蘇省作為中國東部沿海經濟大省、全國經濟發展“壓艙石”，全省地區生產總值在2022 年已突破11 萬億大關；2021 年新建建筑的竣工面積達7.7 億m2，遠超其他省份。江蘇省的太陽能資源較為豐富，水平面太陽總輻照量在1300 kWh/m2左右，年利用小時數在1100 h 左右，屬于適宜開發光伏發電項目的區域。此外，江蘇省的工商業電價也高于中國大部分省區，并于2021 年進行了兩次上漲調整。良好的經濟基礎與太陽能資源、BIVP 可利用建筑資源充足，再加上相關發展目標，讓江蘇省成為了中國開發BIPV 項目最適宜的地區之一。

浙江省是毗鄰江蘇省的中國另一重要經濟支柱，2021 年全省地區生產總值達7.35 萬億元。作為長三角經濟圈的一員，浙江省對于生態綠色一體化發展有相當大的需求。浙江省2021 年新建建筑竣工面積為4 億m2，是僅次于江蘇省的第二大省。雖然浙江省的太陽能資源不及江蘇省，但在電價方面，無論是上網電價還是銷售電價，浙江省對于BIPV 項目的推廣更具優勢。

除江浙兩省外，綜合各方面條件，其他省區也有相對可發展的區域，第2 梯隊包括山東省、廣東省。雖然第2 梯隊的BIPV 綜合潛力低于江浙兩省，但在某些方面具有較強的發展潛力。山東省的分布式光伏發電基本情況是除江浙兩省外最好的地區，工業增加值、累計分布式光伏發電裝機容量在各省、市、區中排名前3 位。廣東省各項指標，例如電價、太陽能資源等均高于中國的平均值。第3 梯隊包括河南省、河北省、湖北省、安徽省、福建省等綜合評分在30 分以上的地區，這些地區的指標有一項或幾項高于全國平均值，但總體評估并不出色。

2.3.2 側重裝機容量時的評價結果分析

通過分析側重裝機容量時的評價結果(見圖5)可知：若以擴大光伏發電裝機容量為目標，江蘇省可作為重點布局的省份，其建筑年竣工面積遠超其他地區，且廠房面積龐大，2020 年廠房建筑竣工面積達1.1 億m2，廠房建筑BIPV 年可建裝機容量接近6 GW，建筑市場廣闊。廠房建筑作為目前最常見、裝機容量最高且商業化程度最高的BIPV 系統應用場景，在開發BIPV 時應著重關注該類型項目。浙江省建筑年竣工面積僅次于江蘇省，BIPV 年可建裝機容量可達9.7 GW，其中廠房建筑BIPV 年可建裝機容量接近6 GW，與江蘇省并列第一，因此在開發廠房建筑BIPV 項目時，浙江省應與江蘇省一樣受到關注。

開發潛力低于江浙兩省的第2 梯隊包括山東省和廣東省，評分在50 分以上，根據預測，BIPV 年可建裝機容量都在3.5 GW 以上。開發潛力第3 梯隊包括河南省、湖北省、河北省，評分在30 分以上，廠房建筑年竣工面積在1000 萬m2左右。

2.3.3 側重項目經濟性時的評價結果分析

通過分析側重項目經濟性時的評價結果(見圖6)可知：天津市、北京市、吉林省的BIPV 項目的經濟性將優于其他地區(西藏地區由于實際情況暫不予考慮)，這些地區遠超其他省、市、區的電價是造成其項目經濟性高的主要原因。其中，天津市的各類電價都高于大部分地區，北京市的工商業用電價較高，吉林省的工商業及大工業用電價都接近1 元/kWh。作為主要以銷售電力獲取利潤的BIPV 項目，要重點關注高電價地區。除上述3 個地區外，項目經濟性評分較高的地區還包括安徽省、浙江省、海南省等。浙江省和安徽省的太陽能資源條件在全國范圍內屬于中游水平；電價方面，大工業用電價在1 元/kWh左右，高于大部分省區。青海省、上海市、河北省屬于第3 梯隊，經濟性評分都在55 分以上，都屬于太陽能資源較為豐富地區，且工商業用電價較高。

3 結語

本研究采用熵值法，結合BIPV 項目建設的影響因素評估了中國內地31 個地區發展BIPV的潛力，并根據不同的需求從綜合評分、兩個側重點評分這3 個方面進行潛力分析。由于BIPV項目在建設過程中具有相當的不確定性，因此目前許多指標無法統一，例如屋頂租金、銀行利率等。未來可進一步擴展、細化指標類別，使評價結果更加準確。