碲化鎘薄膜光伏組件的實(shí)際工程應(yīng)用分析

張 曦，鄭林達(dá)，吳佳銘，林俊光，馬 聰，蔣玲波

(1. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007； 3. 浙江省浙能房地產(chǎn)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(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布：中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)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(huì)活動(dòng)引起的碳排放量與通過植樹造林、節(jié)能減排等形式從空氣中吸收的CO2量抵消[2]。

2019年，中國(guó)建筑全過程碳排放總量為49.97 億t，占中國(guó)全社會(huì)碳排放總量的比重為50.6%。其中，建材生產(chǎn)階段的碳排放量為27.7 億t，占全社會(huì)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(yùn)行階段碳排放量為21.3 億t，占比為21.6%[3]。2005～2019年間，全國(guó)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(zhǎng)率為5.92%[3]。

光伏建筑一體化(building integrated PV，BIPV)是將光伏產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，是有效減少建筑運(yùn)行階段碳排放量的重要技術(shù)手段。光伏幕墻是BIPV的重要應(yīng)用形式，目前的主流產(chǎn)品為碲化鎘(CdTe)薄膜太陽(yáng)電池[4]，該產(chǎn)品具備透光性能，透光率越高，其光電轉(zhuǎn)換效率越低[5]。本文介紹了國(guó)內(nèi)外BIPV的應(yīng)用現(xiàn)狀，以某綜合能源大廈項(xiàng)目為例，分析了BIPV項(xiàng)目在實(shí)際工程應(yīng)用中的布局與設(shè)計(jì)、建設(shè)施工與調(diào)試等要點(diǎn)。

1 BIPV國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

BIPV作為實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展清潔、低碳戰(zhàn)略的有效措施，近年來(lái)國(guó)家和地方相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策對(duì)其加以支持。國(guó)務(wù)院《關(guān)于印發(fā)“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》(國(guó)發(fā)[2021]33號(hào))提出，要積極推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造、建筑光伏一體化建設(shè)。上海市住房城鄉(xiāng)建設(shè)管理委等出臺(tái)了《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專項(xiàng)扶持辦法》(滬住建規(guī)范聯(lián)[2020]2號(hào))，支持可再生能源與建筑一體化示范項(xiàng)目，并對(duì)符合可再生能源與建筑一體化示范的項(xiàng)目進(jìn)行補(bǔ)貼。

在“雙碳”背景和鼓勵(lì)政策加持下，BIPV作為最有市場(chǎng)潛力的分布式光伏應(yīng)用形式，迎來(lái)了快速發(fā)展時(shí)期。中國(guó)北京世界園藝博覽會(huì)的中國(guó)館采用透光率為40%的彩色透光中空發(fā)電玻璃，安裝面積約為1500 m2。哈尼梯田全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護(hù)傳承學(xué)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(shí)可發(fā)電供學(xué)校負(fù)載設(shè)備的日常使用。大同未來(lái)能源館是中國(guó)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(shè)計(jì)采用菱形亮銀色金屬格構(gòu)及定制設(shè)計(jì)的銀白色光伏組件，裝機(jī)容量為1 MW。北京2022年冬奧會(huì)張家口冬奧村和國(guó)家跳臺(tái)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(chǎn)業(yè)園綜合展示館和國(guó)家大劇院臺(tái)湖舞美藝術(shù)中心等項(xiàng)目也均應(yīng)用CdTe薄膜光伏組件技術(shù)。

此外，國(guó)外一些項(xiàng)目中也應(yīng)用了CdTe薄膜光伏組件。例如，迪拜世界博覽會(huì)的瑞典國(guó)家館，建筑面積為2380 m2，在建筑立面和屋面應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不透光CdTe薄膜光伏組件。瑞典光伏小鎮(zhèn)停車樓，外立面應(yīng)用彩色透光CdTe薄膜光伏組件作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(lán)色45片、紫色157片；總裝機(jī)容量約為40 kW。

2 應(yīng)用案例分析

本文以浙江省杭州市某綜合能源大廈項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用案例分析。該項(xiàng)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(yè)、酒店和數(shù)據(jù)中心等業(yè)態(tài)。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(shè)計(jì)

在建筑立面上光伏與建筑的結(jié)合主要表現(xiàn)為光伏幕墻，需要遵循適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀的基本原則[7]。光伏幕墻的布局與設(shè)計(jì)原則主要為：

1)應(yīng)優(yōu)先考慮建筑的功能性和安全性要求，例如：建筑結(jié)構(gòu)安全、光伏幕墻體系機(jī)構(gòu)安全和消防安全等專業(yè)要求。

2)應(yīng)考慮建筑的美觀性，光伏幕墻的材料、顏色和尺寸應(yīng)與建筑的外觀設(shè)計(jì)充分融合，避免光污染，符合人體工程學(xué)要求等。

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

4)應(yīng)與電氣、機(jī)電、景觀等專業(yè)進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)交底，例如：充分考慮并網(wǎng)發(fā)電、設(shè)備通風(fēng)和景觀美化等設(shè)計(jì)要求對(duì)光伏幕墻布局與設(shè)計(jì)的影響。

在充分考慮上述光伏幕墻布局與設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目的BIPV設(shè)計(jì)方案為：1)在綜合能源大廈3個(gè)屋頂采光天窗處(中間為大堂采光天窗，兩側(cè)為庭院采光天窗)，采用透光率為70%的CdTe薄膜光伏組件，設(shè)計(jì)為光伏采光頂；2)將大樓屋頂鋼架側(cè)立面東、西、南面外側(cè)設(shè)計(jì)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(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。該項(xiàng)目的BIPV設(shè)計(jì)方案具體布置示意圖如圖2所示。

2.2 建設(shè)施工與調(diào)試

由于BIPV項(xiàng)目完全從屬于建設(shè)屬性，項(xiàng)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(xiàng)目BIPV設(shè)計(jì)方案中光伏幕墻和光伏采光頂采用的CdTe薄膜光伏組件規(guī)格的參數(shù)如表1所示。

與傳統(tǒng)建筑幕墻和采光頂?shù)氖┕ぐ惭b相比，本項(xiàng)目增加了光伏電氣線路的施工安裝，施工重點(diǎn)是電氣線路規(guī)范、隱蔽，滿足建筑外觀要求的同時(shí)保證電氣安全。

圖2 BIPV設(shè)計(jì)方案具體布置示意圖Fig. 2 Schematic of specific layout of the BIPV design scheme

表1 BIPV設(shè)計(jì)方案中采用的CdTe薄膜光伏組件的規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specifications and parameters of CdTe thin film PV modules used in BIPV design scheme

本項(xiàng)目光伏電氣線路的布置主要是利用幕墻、采光頂?shù)臋M縱梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置可啟型腔用于走線。并遵循建筑電氣中關(guān)于線槽內(nèi)線纜截面積的有關(guān)規(guī)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(yīng)放置在可啟型腔或線槽內(nèi)，以便于后期檢修更換，光伏連接器截面積不應(yīng)超過走線空間截面積的75%。同時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性，光伏線纜可通過穿線孔進(jìn)入梁柱型腔，并采用護(hù)圈對(duì)穿線孔進(jìn)行保護(hù)，穿線孔大小只需滿足光伏線纜可經(jīng)過，不需要考慮光伏連接器是否可以經(jīng)過，以免對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造成影響；且應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性進(jìn)行校核。

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

圖 3 光伏幕墻側(cè)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(xiàng)目采光頂?shù)墓夥泳€盒采用側(cè)邊安裝，出線位置在幕墻系統(tǒng)橫、縱梁處。每塊光伏組件出線在橫、縱梁處穿孔，進(jìn)入橫梁可啟型腔后，進(jìn)行串聯(lián)連接；串聯(lián)連接完畢后，進(jìn)入屋頂部橋架進(jìn)行匯集。光伏采光頂側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 光伏采光頂側(cè)視圖Fig. 5 Side view of PV skylight

本項(xiàng)目光伏幕墻和光伏采光頂布線均遵循隱蔽布線原則，同時(shí)在金屬型腔內(nèi)布線，需做好必要的金屬型材、線槽接地工作，應(yīng)完全滿足建筑電氣安全要求，達(dá)到傳統(tǒng)建材的施工安裝標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 調(diào)試

在光伏幕墻的設(shè)備和系統(tǒng)安裝工作完成并驗(yàn)收合格，所有裝飾工作完畢并清掃干凈，空調(diào)或通風(fēng)裝置安裝完畢并投入運(yùn)行后，光伏幕墻進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。

光伏幕墻的調(diào)試工作應(yīng)符合GB 50794—2012《光伏發(fā)電站施工規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的相關(guān)要求。在CdTe薄膜光伏組件組串測(cè)試、逆變器調(diào)試、二次系統(tǒng)調(diào)試及其他電氣設(shè)備調(diào)試過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電壓偏差、電流偏差和溫度異常等情況，并做好相應(yīng)記錄。

2.4 節(jié)能分析

本項(xiàng)目中CdTe薄膜光伏組件總安裝面積為3056 m2，含不同規(guī)格尺寸共1486塊。由于異形尺寸組件無(wú)法串聯(lián)發(fā)電，扣除異形尺寸后，并網(wǎng)光伏組件數(shù)量約為1327塊，總裝機(jī)容量為321.62 kWp，預(yù)計(jì)年發(fā)電量為24.18 萬(wàn)kWh。BIPV設(shè)計(jì)方案的發(fā)電量測(cè)算如表2所示。

表 2 BIPV設(shè)計(jì)方案的發(fā)電量測(cè)算Table 2 Calculation of power generation of BIPV design scheme

根據(jù)GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，經(jīng)測(cè)算，本項(xiàng)目年發(fā)電量為24.18 萬(wàn)kWh，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目的節(jié)能減排測(cè)算表如表3所示。

表 3 節(jié)能減排測(cè)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(jié)合是未來(lái)光伏應(yīng)用中最重要的場(chǎng)景之一，具有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間。在“雙碳”背景下，BIPV即將進(jìn)入加速發(fā)展期，BIPV存量市場(chǎng)潛力接近10萬(wàn)億元，在合理滲透率下，年新增市場(chǎng)規(guī)模超過1000億元[8]。

盡管市場(chǎng)空間巨大，基于CdTe薄膜光伏組件的BIPV項(xiàng)目仍存在產(chǎn)品尺寸較單一[9]、異形尺寸組件無(wú)法串聯(lián)發(fā)電和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較差等問題。希望隨著CdTe薄膜技術(shù)的不斷進(jìn)步及產(chǎn)品性能不斷提升，能夠?yàn)槭袌?chǎng)提供高良品率、低成本和多種規(guī)格尺寸的產(chǎn)品，在更多應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用，成為光伏產(chǎn)業(yè)的主力軍。

4 結(jié)論

在遵循適用、經(jīng)濟(jì)、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(fēng)等基本需求，又能夠?qū)鹘y(tǒng)的用能建筑轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)能建筑，在節(jié)能減排方面表現(xiàn)優(yōu)異，具有良好的示范意義。在“雙碳”背景下，光伏幕墻的應(yīng)用與推廣前景廣闊。