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为评估建筑一体化光伏（BIPV）潜力，研究人员整合多源数据开展研究，发现 facade PV 潜力可观，对城市能源规划意义重大。
研究背景：城市能源困境与光伏潜力的探寻
在全球应对气候变化的浪潮中，《巴黎协定》为各国设定了严格的温控目标，发展可再生能源成为实现这一目标的关键路径。分布式可再生能源系统，尤其是城市光伏（PV）系统，正蓬勃发展。建筑一体化光伏（Building-Integrated Photovoltaics，BIPV）作为其中的新兴力量，市场前景广阔，从 2022 年到 2030 年，其市场价值预计将大幅增长，有望缓解能源短缺问题。
然而，城市地区光伏潜力的评估困难重重。传统研究多聚焦于屋顶光伏，忽视了城市立面（facade）的巨大潜力。在高楼林立的城市中，立面表面积往往超过屋顶，立面集成太阳能面板能为屋顶空间有限的建筑提供补充能源。但城市建筑形态复杂，地理、光照、阴影等因素相互交织，现有评估方法难以准确分析城市三维建筑结构产生的阴影影响，无法全面评估建筑立面和屋顶的光伏潜力，这阻碍了城市能源规划和可持续发展。
为突破这一困境，来自北京大学深圳研究生院、东京大学、香港理工大学等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表于《Nexus》。
研究方法：多源数据融合与模型构建
研究人员整合全球 3D 建筑足迹数据和气象数据，利用先进的阴影模拟技术，构建了从个体建筑到全球城市的光伏潜力评估模型。3D 建筑足迹数据来源于 Mapbox、OpenStreetMap、腾讯地图等多个平台，气象数据则取自美国国家太阳能辐射数据库（NSRDB）。
研究人员开发了基于 3D 城市建筑足迹数据的阴影模拟技术，通过几何投影计算，可在任意时间和地理位置模拟城市阴影。该技术详细分析了建筑物在屋顶和立面上产生的阴影，通过建立平面方程和考虑太阳高度角、方位角，精确计算阴影投影。同时，结合时间间隔和缓冲时间框架，全面分析阴影动态变化，获取太阳能照射数据。
在光伏发电估计模型中，研究人员根据建筑表面太阳辐照度强度对每个时间点的太阳照射进行加权，综合考虑直接太阳辐射、天空漫射和地面反射等多种因素，确定平面阵列（POA）接收到的总辐照度。利用 pvlib 软件模型，结合光伏模块安装角度、环境温度、大气条件和能量转换效率等变量，模拟不同光照条件下的实际光伏输出。
研究结果：挖掘立面光伏潜力，剖析影响因素
- 个体建筑验证：研究人员以香港科技大学校园为案例，对比模型计算结果与实际光伏发电数据，验证了模型的准确性。结果显示，建筑阴影对光伏输出有影响，但不同建筑受影响程度不同。如 Building UG3 因周边建筑遮挡，屋顶光伏潜力在傍晚较低，而 Building SQ1 受影响较小。此外，研究还发现季节变化对光伏潜力影响显著，夏季太阳辐射强，光伏潜力更高123。
- 城市街区分析：在香港选取四个不同建筑类型的城市街区进行研究，发现高层建筑和中高层建筑的阴影比例较高，导致立面发电效率低于屋顶。低多层建筑屋顶的每日光伏潜力最高，高层建筑最低，主要原因是阴影覆盖面积不同。城市建筑形态对屋顶光伏潜力影响较大，而对立面粉刷的影响相对较小。但建筑立面朝向对光伏潜力影响明显，朝向赤道的立面光伏潜力变化更大，且在相同城市形态下，朝向赤道的立面光伏潜力更高456。
- 全球城市评估：研究人员选取全球 120 个城市，评估其核心城区的光伏潜力。结果表明，纬度对屋顶光伏潜力影响显著，10 - 20 度纬度带的国家，屋顶光伏潜力较高。而立面光伏潜力在 40 度纬度范围内分布较为均匀，低纬度地区立面虽接收强烈太阳辐射，但因阳光入射角小，捕获直接太阳能的效率较低；高纬度地区则相反。不同城市的建筑特征和形式对整体光伏潜力影响重大，部分城市虽单位面积光伏潜力一般，但整体建筑立面的光伏集成潜力可观。在 120 个城市中，立面光伏潜力平均为屋顶的 68.2%，部分城市甚至超过屋顶，且从接收的太阳辐射总量来看，立面与屋顶相当，部分区域立面接收的辐射更多789。
研究结论与意义：开启城市能源新篇
本研究提出了一种评估城市三维形态下建筑立面和屋顶光伏潜力的方法，通过整合多源数据和模拟阴影，实现了从个体建筑到全球范围的高时空分辨率评估。研究发现，建筑立面光伏潜力不容小觑，平均可达屋顶的 68.2%，部分样本中甚至高于屋顶，这为城市能源规划提供了新的思路。
在城市规划和建筑设计中，应充分考虑 BIPV 的应用，尤其是在新建和改造项目中，合理利用建筑立面空间，增加可再生能源发电，助力城市实现碳中和目标。同时，研究结果也强调了跨学科合作的重要性，城市规划师、建筑师、工程师和能源政策制定者应携手合作，充分挖掘 BIPV 的潜力，推动城市向可持续能源发展转型。
尽管研究存在一定局限性，如对建筑屋顶形状的简化假设和未充分考虑相邻立面反射等，但研究人员开发的开源工具包 pybdshadow 为后续研究提供了便利，可快速绘制详细的 BIPV 潜力地图。未来研究可进一步整合微气候数据、利用更精细的模型和考虑能源政策等因素，深入探索 BIPV 系统的实施潜力、经济可行性和环境效益，为可持续城市发展提供更全面的框架。
