碲化鎘薄膜光伏組件的實際工程應用分析

張 曦，鄭林達，吳佳銘，林俊光，馬 聰，蔣玲波

(1. 浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007； 3. 浙江省浙能房地產有限公司，杭州 310006；4.龍焱能源科技(杭州)有限公司，杭州 310018)

0 引言

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布：中國CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。碳中和是指CO2或溫室氣體(除CO2外，還有CH4、NOx、CF4和HFCs等)的凈零排放，即人類社會活動引起的碳排放量與通過植樹造林、節能減排等形式從空氣中吸收的CO2量抵消[2]。

2019年，中國建筑全過程碳排放總量為49.97 億t，占中國全社會碳排放總量的比重為50.6%。其中，建材生產階段的碳排放量為27.7 億t，占全社會碳排放總量的比重為28%；建筑施工階段碳排放量為1.0 億t，占比為1%；建筑運行階段碳排放量為21.3 億t，占比為21.6%[3]。2005～2019年間，全國建筑全過程碳排放總量由2005年的22.34 億t，上升到2019年的49.97 億t，提高了2.24倍，年均增長率為5.92%[3]。

光伏建筑一體化(building integrated PV，BIPV)是將光伏產品集成到建筑上的技術，是有效減少建筑運行階段碳排放量的重要技術手段。光伏幕墻是BIPV的重要應用形式，目前的主流產品為碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池[4]，該產品具備透光性能，透光率越高，其光電轉換效率越低[5]。本文介紹了國內外BIPV的應用現狀，以某綜合能源大廈項目為例，分析了BIPV項目在實際工程應用中的布局與設計、建設施工與調試等要點。

1 BIPV國內外應用現狀

BIPV作為實現國家可持續發展清潔、低碳戰略的有效措施，近年來國家和地方相繼出臺了多項政策對其加以支持。國務院《關于印發“十四五”節能減排綜合工作方案的通知》(國發[2021]33號)提出，要積極推進既有建筑節能改造、建筑光伏一體化建設。上海市住房城鄉建設管理委等出臺了《上海市建筑節能和綠色建筑示范項目專項扶持辦法》(滬住建規范聯[2020]2號)，支持可再生能源與建筑一體化示范項目，并對符合可再生能源與建筑一體化示范的項目進行補貼。

在“雙碳”背景和鼓勵政策加持下，BIPV作為最有市場潛力的分布式光伏應用形式，迎來了快速發展時期。中國北京世界園藝博覽會的中國館采用透光率為40%的彩色透光中空發電玻璃，安裝面積約為1500 m2。哈尼梯田全球重要農業文化遺產保護傳承學校采用388塊紅色仿陶板CdTe薄膜光伏組件，兼顧建筑外觀要求的同時可發電供學校負載設備的日常使用。大同未來能源館是中國首例已竣工的具備“正能建筑”水平的大型展館，其建筑光伏幕墻的設計采用菱形亮銀色金屬格構及定制設計的銀白色光伏組件，裝機容量為1 MW。北京2022年冬奧會張家口冬奧村和國家跳臺滑雪中心[6]、嘉興光伏科技展示館、浙江浙能智慧能源科技產業園綜合展示館和國家大劇院臺湖舞美藝術中心等項目也均應用CdTe薄膜光伏組件技術。

此外，國外一些項目中也應用了CdTe薄膜光伏組件。例如，迪拜世界博覽會的瑞典國家館，建筑面積為2380 m2，在建筑立面和屋面應用標準不透光CdTe薄膜光伏組件。瑞典光伏小鎮停車樓，外立面應用彩色透光CdTe薄膜光伏組件作為建筑外圍護結構，安裝透光率為30%的彩色透光CdTe薄膜光伏組件547片，尺寸為1200 mm×600 mm，其中紅色108片、綠色237片、藍色45片、紫色157片；總裝機容量約為40 kW。

2 應用案例分析

本文以浙江省杭州市某綜合能源大廈項目進行應用案例分析。該項目的總建筑面積約為137000 m2，供能面積約為88000 m2，覆蓋辦公、商業、酒店和數據中心等業態。該綜合能源大廈效果圖如圖1所示。

圖1 綜合能源大廈效果圖Fig. 1 Rendering of the comprehensive energy building

2.1 布局與設計

在建筑立面上光伏與建筑的結合主要表現為光伏幕墻，需要遵循適用、經濟、綠色、美觀的基本原則[7]。光伏幕墻的布局與設計原則主要為：

1)應優先考慮建筑的功能性和安全性要求，例如：建筑結構安全、光伏幕墻體系機構安全和消防安全等專業要求。

2)應考慮建筑的美觀性，光伏幕墻的材料、顏色和尺寸應與建筑的外觀設計充分融合，避免光污染，符合人體工程學要求等。

3)應考慮光伏幕墻的發電特性，并滿足建筑所在區域在采光、日照、視覺、防眩光和光伏組件的通風等方面的要求。

4)應與電氣、機電、景觀等專業進行充分的設計交底，例如：充分考慮并網發電、設備通風和景觀美化等設計要求對光伏幕墻布局與設計的影響。

在充分考慮上述光伏幕墻布局與設計原則的基礎上，本項目的BIPV設計方案為：1)在綜合能源大廈3個屋頂采光天窗處(中間為大堂采光天窗，兩側為庭院采光天窗)，采用透光率為70%的CdTe薄膜光伏組件，設計為光伏采光頂；2)將大樓屋頂鋼架側立面東、西、南面外側設計為光伏幕墻，采用透光率為40%的CdTe薄膜光伏組件；3)屋頂鋼架屋面采用不透光的CdTe薄膜光伏組件；4)C樓酒店屋頂布置光伏光熱一體化(PV/T)系統試驗平臺。該項目的BIPV設計方案具體布置示意圖如圖2所示。

2.2 建設施工與調試

由于BIPV項目完全從屬于建設屬性，項目的完成效果需要滿足建筑功能、安全和美觀等的要求。本項目BIPV設計方案中光伏幕墻和光伏采光頂采用的CdTe薄膜光伏組件規格的參數如表1所示。

與傳統建筑幕墻和采光頂的施工安裝相比，本項目增加了光伏電氣線路的施工安裝，施工重點是電氣線路規范、隱蔽，滿足建筑外觀要求的同時保證電氣安全。

圖2 BIPV設計方案具體布置示意圖Fig. 2 Schematic of specific layout of the BIPV design scheme

表1 BIPV設計方案中采用的CdTe薄膜光伏組件的規格參數表Table 1 Specifications and parameters of CdTe thin film PV modules used in BIPV design scheme

本項目光伏電氣線路的布置主要是利用幕墻、采光頂的橫縱梁結構系統設置可啟型腔用于走線。并遵循建筑電氣中關于線槽內線纜截面積的有關規定，電纜填充率不超過40%。光伏組件由于有較多的光伏連接器，光伏連接器應放置在可啟型腔或線槽內，以便于后期檢修更換，光伏連接器截面積不應超過走線空間截面積的75%。同時應考慮結構系統的安全性，光伏線纜可通過穿線孔進入梁柱型腔，并采用護圈對穿線孔進行保護，穿線孔大小只需滿足光伏線纜可經過，不需要考慮光伏連接器是否可以經過，以免對幕墻結構系統造成影響；且應對結構系統安全性進行校核。

本項目光伏幕墻的光伏接線盒采用側邊安裝，出線位置在幕墻系統橫梁處。每塊光伏組件出線在橫梁處穿孔，進入橫梁可啟型腔后，進行橫向串聯連接；橫向串聯連接完畢后，通過立柱型腔進入屋頂部橋架進行匯集。光伏幕墻側視圖如圖3所示，俯視圖如圖4所示。

圖 3 光伏幕墻側視圖Fig. 3 Side view of PV curtain wall

圖4 光伏幕墻俯視圖Fig. 4 Vertical view of PV curtain wall

本項目采光頂的光伏接線盒采用側邊安裝，出線位置在幕墻系統橫、縱梁處。每塊光伏組件出線在橫、縱梁處穿孔，進入橫梁可啟型腔后，進行串聯連接；串聯連接完畢后，進入屋頂部橋架進行匯集。光伏采光頂側視圖如圖5所示。

圖5 光伏采光頂側視圖Fig. 5 Side view of PV skylight

本項目光伏幕墻和光伏采光頂布線均遵循隱蔽布線原則，同時在金屬型腔內布線，需做好必要的金屬型材、線槽接地工作，應完全滿足建筑電氣安全要求，達到傳統建材的施工安裝標準。

2.3 調試

在光伏幕墻的設備和系統安裝工作完成并驗收合格，所有裝飾工作完畢并清掃干凈，空調或通風裝置安裝完畢并投入運行后，光伏幕墻進入系統調試階段。

光伏幕墻的調試工作應符合GB 50794—2012《光伏發電站施工規范》等相關標準和規范的相關要求。在CdTe薄膜光伏組件組串測試、逆變器調試、二次系統調試及其他電氣設備調試過程中應重點關注電壓偏差、電流偏差和溫度異常等情況，并做好相應記錄。

2.4 節能分析

本項目中CdTe薄膜光伏組件總安裝面積為3056 m2，含不同規格尺寸共1486塊。由于異形尺寸組件無法串聯發電，扣除異形尺寸后，并網光伏組件數量約為1327塊，總裝機容量為321.62 kWp，預計年發電量為24.18 萬kWh。BIPV設計方案的發電量測算如表2所示。

表 2 BIPV設計方案的發電量測算Table 2 Calculation of power generation of BIPV design scheme

根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》中評價方法和指標，經測算，本項目年發電量為24.18 萬kWh，節約標準煤約為68.90 t，減排CO2量約為170.18 t，減排SO2量約為1.38 t，減排粉塵量約為0.69 t。該項目的節能減排測算表如表3所示。

表 3 節能減排測算表Table 3 Calculation table of energy saving and emission reduction

3 存在的問題及展望

光伏與建筑相結合是未來光伏應用中最重要的場景之一，具有巨大的市場發展空間。在“雙碳”背景下，BIPV即將進入加速發展期，BIPV存量市場潛力接近10萬億元，在合理滲透率下，年新增市場規模超過1000億元[8]。

盡管市場空間巨大，基于CdTe薄膜光伏組件的BIPV項目仍存在產品尺寸較單一[9]、異形尺寸組件無法串聯發電和項目經濟性較差等問題。希望隨著CdTe薄膜技術的不斷進步及產品性能不斷提升，能夠為市場提供高良品率、低成本和多種規格尺寸的產品，在更多應用場景中應用，成為光伏產業的主力軍。

4 結論

在遵循適用、經濟、綠色、美觀和安全的基本原則下，采用CdTe薄膜光伏組件作為建筑的光伏幕墻，既滿足了建筑物照明、通風等基本需求，又能夠將傳統的用能建筑轉變為產能建筑，在節能減排方面表現優異，具有良好的示范意義。在“雙碳”背景下，光伏幕墻的應用與推廣前景廣闊。