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The Innovation Energy | 高密度城市立面光伏：挑战与突破

发布时间：

2025-06-17 00:00

The Innovation Energy | 高密度城市立面光伏：挑战与突破

在高楼林立的现代都市里，屋顶早已被各种机电设备占据，巨大的城市立面沐浴在阳光之下却很少被利用。通过定量评估、气候耦合分析与舒适度研究，探究立面的规模化应用能否成为城市的“第二块光伏腹地”，为“双碳”战略下的城市能源转型提供决策支撑。

导读

近年来，光伏成本持续下降，效率不断提升，成为推动能源转型，实现“双碳”目标的主力军。然而，高密度城市建筑屋顶资源稀缺，立面面积却是屋顶的3-6倍，隐藏着巨大的“垂直发电”潜能。遮挡、朝向、气候耦合及美学冲突，让立面光伏既充满希望又困难重重。本文聚焦中国典型大都市，从潜力评估、气候影响、发电稳定与人居舒适四个维度，总结关键科学问题与前沿技术领域，为政策制定与产业协同提供可操作的方案。

图1 图文摘要

在气候危机与能源转型的双重压力下，光伏已成为实现“双碳”目标的关键技术。过去十年，光伏度电成本下降88%，组件转换效率由8%提升至22%，推动中国分布式光伏装机量激增：2021年新增21.6GW，2023年翻倍至43.48GW，2024年末累计突破145GW。高密度城市建筑屋顶早被机电设备占据，立面面积却是屋顶的3-6倍，因而有望成为城市光伏的“第二战场”。在中高纬度地区，冬季太阳高度角较低，南向幕墙日均辐照度可比屋顶高15-30%，光伏建筑一体化（BIPV）展现出“零占地”优势，正推动建筑从“能源消耗者”向“能源生产者”华丽转身。

然而，大规模部署立面光伏面临四大技术瓶颈。一是潜力评估：高楼林立、阴影交错、朝向多元，传统二维算法失效。需借助无人机LiDAR、开源GIS与AI遮蔽算法构建三维点云模型，并实时耦合气象数据，数据精度与算力要求高。二是气候耦合：环境温度每升高1°C，光伏组件效率下降0.4%-0.5%；大面积光伏将产生“光伏热岛效应”（PVHI），致城区昼温提升1.5°C，湿度波动5.6%，以及风速变化1.2m/s，微气候扰动显著。三是发电稳定性：多朝向布局可实现东向早峰、西向晚峰的错峰发电，降低储能需求，但暴雨、沙尘等极端天气仍可能使发电量骤降，亟需智能电网与需求侧响应以实现动态平衡。四是人居舒适度：夏季光伏幕墙可降低空调负荷，冬季却阻碍太阳辐射，增加采暖需求；半透明光伏窗（STPV）、动态遮阳与彩色钙钛矿组件可兼顾采光与美学，其综合效能仍缺乏在高密度城区的实证。

要实现立面光伏的规模化应用，需要跨越“政策–技术–市场”三重鸿沟。现行建筑规范缺乏BIPV结构、防火与并网标准，建筑改造成本高；固定上网电价忽视立面系统的时空差异，压缩收益；产权分散导致利益分配机制缺失。面向国家“双碳”战略，未来突破路径集中在AI驱动的动态遮荫算法实现精准潜力评估，量化光伏与气候的交互作用以开发气候自适应系统，构建发电效能、建筑性能与美学平衡的多目标优化框架。

全生命周期分析表明，BIPV系统虽初始投资较高，但其降低空调负荷、参与碳交易等综合效益可带来可观回报。当AI算法与智能电网深度融合，建筑将不再是能源消耗体，而是成为城市电网中活跃的“产消者”——这场静默发生的能源革命，正在重新定义人类与城市的共生关系。

总结与展望

AI驱动的算法将实现立面光伏的精细化潜力评估，气候自适应材料可同时抑制效率衰减并调节微气候；多目标优化框架在发电、节能与美学之间取得最优平衡。通过分时电价、碳交易与建筑规范修订，有助于释放经济价值并推动BIPV标准化。当技术突破与制度创新协同发力，高密度城市幕墙将蜕变为“会呼吸的能源皮肤”，与智能电网深度耦合，在垂直空间编织立体能源网络。建筑由能源消耗体向“生产者”转型的愿景终将落地。

责任编辑

方毅中国科学院过程工程研究所

夏四有 State University of New York

原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2025.100091

本文内容来自The Innovation 姊妹期刊 The Innovation Energy 第2期第2卷发表的Commentary文章“Challenges of large-scale facade PV systems in dense urban environments in China” (投稿: 2025-02-10；接收: 2025-04-10；在线刊出:2025-04-12)。

DOI：10.59717/j.xinn-energy.2025.100091

引用格式：Liu W., Mao H., Tian Z., et al. (2025). Challenges of large-scale facade PV systems in dense urban environments in China. The Innovation Energy 2: 100091.

作者简介

陈新宇 华中科技大学电力系教授、管理学院兼职教授，华中科技大学电力能源系统转型中心主任，国家杰出青年科学基金获得者，哈佛大学客座研究员。研究方向包括电力市场、综合能源系统、可再生能源及其并网、能源政策以及负荷预测等。以第一作者、通讯作者在包括《自然》杂志子刊·Nature Energy，Nature Communications,《科学》杂志子刊·Science·Advances,《细胞》杂志姊妹刊 Joule 等高水平 SCI 期刊发表论文多篇。

http://faculty.hust.edu.cn/chenxinyu1/zh_CN/index/2223841/list/index.htm

田志勇 华中科技大学副教授，博士生导师，丹麦科技大学博士，挪威科技大学博士后，湖北省海外高层次人才，“武汉英才”（优秀青年人才）。主持与参与国家级等项目10余项。课题组主要从事建筑节能与太阳能利用、绿色数据中心、跨季节储热等相关研究，以第一作者或者通讯作者累计发表SCI期刊论文20余篇。

http://faculty.hust.edu.cn/zhiyongtian/zh_CN/index/2333697/list/index.htm

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