CIGS-BIPV示范建筑的日發電性能分析

董 力

(1.中國節能減排有限公司，北京 100011；2.國能科環新能源有限責任公司，北京 100039)

0 引言

2018年，在中國，建筑運行階段的能源消耗為1×109t標準煤，占能源消費總量的21.7%；建筑運行階段排放的二氧化碳為21.1×108t，占碳排放總量的21.9%[1]。隨著中國城鎮化率持續快速提升[2]，建筑領域逐漸取代其他工業部門，成為能源消耗和碳排放大戶。建筑領域的節能減碳，對實現碳達峰、碳中和目標，推進能源生產和消費向低碳化轉型具有重要意義。

光伏發電具有不產生污染和噪音、無溫室氣體和有害氣體排放等優勢。建筑光伏一體化(BIPV)是將光伏產品融合到建筑材料和構件上。在建筑外圍護結構表面集成的光伏組件，一方面可將光伏組件所發電力供建筑使用或輸送到公共電網；另一方面光伏組件也可作為建筑結構不可分割的功能部分，取代部分傳統建筑結構，比如：屋頂板、幕墻、窗戶、遮陽棚等。BIPV是光伏產業與建筑行業緊密融合、建筑主動節能減碳的重要途徑[3-4]。

國家能源集團與碧桂園集團在廣東省的惠州市潼湖科技創新小鎮合作打造了銅銦鎵硒建筑光伏一體化(CIGS-BIPV)示范項目，該示范項目為銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件全覆蓋式的BIPV示范建筑。本文對該示范項目中的示范建筑不同朝向立面上的CIGS薄膜光伏組件在夏季、冬季典型日的發電量特點和變化規律進行分析，以期為采用薄膜光伏組件的BIPV項目和低緯度沿海地區的光電建筑應用提供借鑒。

1 CIGS-BIPV示范建筑介紹

1.1 示范建筑概況

惠州市潼湖科技創新小鎮位于深圳、東莞、惠州三市交界處，地處粵港澳大灣區的重要節點。本示范項目共包括3棟CIGS-BIPV示范建筑，分別為2#樓、6#樓和7#樓，均位于園區的核心位置。其中：2#樓為園區智慧控制中心，共5層，總建筑面積為3964 m2；6#樓和7#樓均是3層的辦公樓，建筑面積分別為853 m2和991 m2。3棟示范建筑的方位均是以正南為0°向東偏轉42.77°，即建筑物的四面朝向分別為東南(-42.77°)、西南(47.23°)、東北(-132.77°)、西北(137.23°)。2#樓和6#樓在建筑的東南側、西南側、東北側這3個建筑立面安裝CIGS薄膜光伏組件；7#樓在建筑的東南側和西南側安裝CIGS薄膜光伏組件。3棟示范建筑在園區的位置如圖1所示，CIGS薄膜光伏組件的安裝效果圖如圖2所示。

圖1 3棟示范建筑在園區的位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of location of three demonstration buildings in the park

圖2 CIGS薄膜光伏組件的安裝效果圖Fig. 2 Installation rendering of CIGS thin film PV modules

1.2 示范建筑所在地氣候與太陽輻照資源

示范建筑位于23.08°N、114.20°E；地處東江中下游平原，靠近南海海域，海拔高度為42 m。所在地氣候屬于亞熱帶海洋季風氣候區，冬暖夏熱，年平均氣溫為22.0 ℃；雨量充沛，年均降雨量為1936.0 mm，干、濕季節分明，降水集中在3～9月，10月～次年2月多為晴朗天氣。

以廣泛應用于能源行業的氣象軟件Meteonorm提供的數據為基礎，并利用距離項目所在地較近的氣象站多年的觀測記錄數據對Meteonorm提供的數據進行修正，得到項目所在地的地面月均太陽輻照量數據，如圖3所示。從圖3可以看出：5～10月(夏秋季節)時，項目所在地的地面月均太陽輻照量處于較高水平，尤其在7月達到最大值；地面年總太陽輻照量約為4500 MJ/m2，穩定度為0.46，說明項目所在地的太陽能資源豐富、穩定[5]，適宜建設光伏發電系統。

圖3 項目所在地的地面月均太陽輻照量Fig. 3 Average monthly solar radiation on the ground at the project site

1.3 示范建筑采用的光伏組件

在示范建筑立面安裝的是CIGS薄膜光伏組件。CIGS薄膜太陽電池的吸收層是Cu(In,Ga)Se2四元化合物，屬于直接帶隙半導體，光吸收系數高達105cm-1，吸收層的厚度可低至1～2 μm。該類太陽電池的實驗室最高光電轉換效率已達23.35%[6]，其構造示意如圖4所示，微觀結構如圖5所示。CIGS薄膜光伏組件具有弱光發電性好、溫度系數低、抗衰減性強、安全性高、穩定耐用、便于維護、外觀漂亮等特點，適合BIPV應用場景[7]。

圖4 CIGS薄膜太陽電池的構造示意圖Fig. 4 Structural diagram of CIGS thin film solar cell

圖5 CIGS薄膜太陽電池的微觀結構Fig. 5 Microstructure of CIGS thin film solar cell

應用于BIPV建筑的CIGS薄膜光伏組件既要滿足光伏發電需求，又要滿足建筑的形式需要，還要符合幕墻建筑材料的相關規范和標準。此外，還需要考慮此類光伏組件的安裝、防火、運輸、儲存等一系列問題。本示范項目中的示范建筑均選用國家能源集團開發的N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件，該類光伏組件采用4 mm厚鋼化玻璃(蓋板)+0.75 mm厚EVB膠膜+3 mm厚浮法玻璃(背板)的結構，已通過了中國強制性產品認證(3C)，達到了作為建筑材料和建筑幕墻的標準。N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的正視圖和側視圖如圖6所示，標準測試條件(STC)下該類光伏組件的主要技術參數及其規格分別如表1、表2所示。

圖6 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的正視圖和側視圖Fig. 6 Front view and side view of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

表1 STC下N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of N-G1012E097 CIGS thin film PV module under STC

表2 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的規格Table 2 Specifications of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

2 示范建筑的典型日發電量

3棟示范建筑自2018年11月建成并投運以來，運行安全可靠、發電穩定。本文僅以2#樓為例對該建筑的東南側、西南側和東北側建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電量情況進行分析。2#樓的東南側、西南側和東北側建筑立面除去功能性門窗位置和易被遮擋的首層墻面外，其余位置均安裝了CIGS薄膜光伏組件，且3個建筑立面分別面對較開闊的綠地、廣場、主街道，基本不受其他建筑物陰影遮擋的影響。考慮到季節、天氣因素，以及設備、儀表記錄數據的完整性，選擇2019年中全天有日照的初夏季節的5月12日和初冬季節的11月22日作為典型日，分析2#樓的東南側、西南側和東北側這3個建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件在1天內各發電時段的發電量情況。

2.1 5月12日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電情況

以5 min為一個發電量記錄時間間隔，記錄5月12日全天發電時段2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件單位面積發電量，具體如圖7所示。

圖7 5月12日2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發電量Fig. 7 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on May 12

從圖7中可以看出：東南側、西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件開始發電后，在發電量為各自峰值發電量約40%的時刻，發電量有相對明顯的躍升。為分析CIGS薄膜光伏組件全天發電量的集中度，將各建筑立面發電量超過其當天峰值發電量40% 的部分定義為主要發電時段，各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發電量情況如表3所示。

表3 5月12日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發電量情況Table 3 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on May 12

對項目所在地當天的氣象信息進行查詢，結果如表4所示。

表4 5月12日項目所在地的氣象信息Table 4 Meteorological information of location on May 12

結合圖7、表3、表4可以發現：

1)示范建筑東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件在日出19 min后最早開始發電，而西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在日落前16 min最后結束發電，整個示范建筑全天的發電時長為12.62 h。

2)上午時段，東南側、東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電量曲線大致呈拋物線形，東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的開始發電時刻、最大發電量時刻、主要發電時段均早于東南側安裝的CIGS薄膜光伏組件。下午時段，東南側安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電量在12:40～14:30時段較平穩，然后大致呈線性下降；東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電量整體呈線性下降。西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時段的發電量較小，但呈線性上升趨勢；而下午時段的發電量曲線大致呈拋物線形。

3) 5月12日是初夏季節，太陽的白晝運行軌跡接近在示范建筑正東西方向。2#樓東南側、東北側立面全天接收太陽輻照量的變化相近，西南側立面全天接收太陽輻照量的變化與東南側及東北側立面接收的太陽輻照量均大致呈鏡像關系。各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件全天發電量的變化關系與立面接收的太陽輻射量變化成正比。

4)東南側、東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發電時段均集中在12:00前的4.5 h左右，均可產生超過其全天發電量72%的發電量。西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發電時段在午后至日落前(12:45～17:45)的5 h左右，可產生其超過全天發電量77%的發電量。全天內這3個建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發電量基本相同，發電量的平均差為0.01。

5)各建筑立面安裝的CIGS光伏組件的發電量曲線有所跳躍，尤其是下午個別時段有較大的跌落，這是由于天氣、云量等影響太陽輻照量的短時氣象因子發生變化造成的。

2.2 11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電情況

以5 min為一個發電量記錄時間間隔，記錄11月22日全天發電時段2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發電量，具體如圖8所示。

將各建筑立面發電量超過其當天發電量峰值40%的時段定義為主要發電時段，11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發電量情況如表5所示。

對項目所在地當天的氣象信息進行查詢，結果如表6所示。

圖8 11月22日2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發電量Fig. 8 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on November 22

表5 11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發電量情況Table 5 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on November 22

表6 11月22日項目所在地的氣象信息Table 6 Meteorological information of project location on November 22

結合圖8、表5、表6可以發現：

1)示范建筑東南側、東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件在日出11 min后最早開始發電，西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在日落前3 min最后結束發電，建筑全天的發電時長為10.70 h。

2)東南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在開始發電30 min后的07:20出現一個小的發電量極值，然后發電量有所下降；后1 h(07:25～08:20)發電量整體呈現較低的平穩增長的趨勢；08:25時光伏組件的發電量急劇增大，隨后以上升拋物線形狀平滑增加，在09:40左右達到峰值，然后以下降拋物線的形狀降低。西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在開始發電時呈線性緩慢增加趨勢，并從09:50開始發電量以上升拋物線形狀增長，在15:30左右達到其峰值，然后以曲率更大的下降拋物線形狀降低。東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件在初始發電的約3 h內，發電量曲線呈現馬鞍形，2個發電量極大值分別出現在07:40和08:40左右，隨后發電量呈現平緩的拋物線形。

3) 11月22日是初冬季節，太陽直射點在示范建筑的南側，太陽直射輻射在建筑南側立面的入射角(太陽直射方向與建筑立面法線的夾角)為1年中的較小值，因此，建筑南側立面可接收到1年中較大的太陽直射輻射時長和太陽輻照量[8-9]。東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件在除日出后3 h內的部分時段可接收到以較大入射角照射的太陽直射輻射外，全天大部分時間段都是背對著太陽直射，太陽直射輻射被遮擋，以接收散射輻射為主。東南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時段的發電量先增大后減小，之后又快速增大；東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時段的發電量呈馬鞍形曲線；這是由于太陽運行軌跡與建筑方位共同造成該建筑立面上安裝的CIGS薄膜光伏組件先接收到太陽直射輻射，然后太陽直射輻射被遮擋，之后又接收到太陽直射輻射所導致的。

4)東南側安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發電時段在上午至午后(08:25～13:10)，接近5 h；西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件主要發電時段在中午至日落前的46 min(11:20～16:50)，時長為5.5 h。東南側、西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在主要發電時段產生了占其總發電量約90%的發電量；東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的整體發電量偏小，發電時段不集中。東南側、西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件全天的單位面積發電量基本相同，且分別是東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的3.0倍和3.1倍。

5)各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發電量曲線均較為平滑，原因是當天白晝時間的天氣、云量等短時氣象因子穩定。

2.3 2個典型日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件發電量對比

在5月12日和11月22日，東南側、西南側、東北側3個建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發電量對比如圖9所示。

從圖9中可以發現：

1)東南側和西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件在5月12日和11月22日時的發電量曲線形狀類似。此外，相較于11月22日，5月12日的白晝時間更長，光伏組件的發電時間開始的較早、結束的較晚，11月22日光伏組件的發電時長比5月12日時的約少2 h；但這2個建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件在11月22日的發電量曲線的峰值更高，上升、下降斜率更大，其發電量均是5月12日時的1.2倍左右。

圖9 2個典型日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件單位面積發電量對比Fig. 9 Comparison of power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each building facade of two typical days

2)對于東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件，其在5月12日的發電時間開始的較早，結束的較晚，發電量峰值高，發電時長比其在11月22日時約長2 h，發電量是11月22日時的2.5倍。

3 結論

本文以惠州市潼湖科技創新小鎮的銅銦鎵硒建筑光伏一體化(CIGS-BIPV)示范項目為例，對該示范項目中示范建筑不同朝向立面上安裝的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件在夏季、冬季典型日的發電量特點和變化規律進行了分析，得到了以下結論：

1)初夏的5月12日，安裝在東南側、西南側、東北側的CIGS薄膜光伏組件的日發電量大體相當。西南側安裝的CIGS薄膜光伏組件與東南側及東北側安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發電量曲線均大致呈鏡像關系。

2)初冬的11月22日，安裝在東南側、西南側的CIGS薄膜光伏組件的日發電量大體相當，均是安裝在東北側的CIGS薄膜光伏組件的約3倍。太陽運行軌跡和建筑方位造成東南側、東北側立面上安裝的光伏組件在部分時段斷續接收到太陽直射輻射，造成其發電量曲線有高低交替的變化。

3)安裝在東南側、西南側的CIGS薄膜光伏組件在11月22日的高效率發電時長比5月12日的更長，發電量更大；安裝在東北側的CIGS薄膜光伏組件在5月12日的發電量是其在11月22日的2.5倍。