CdTe薄膜電池組件在光伏建筑一體化應用分析

齊鵬飛 謝春梅 王焜 潘妃敏 楊萬

（1. 中山瑞科新能源有限公司 中山 528437；2. 青海省創(chuàng)業(yè)發(fā)展孵化器有限公司 西寧 810000；3. 青海明陽新能源有限公司 西寧 817000）

0 引言

我國“十四五”規(guī)劃中，強調(diào)碳中和及綠色生態(tài)的建立，倡導更合理的能源配置，未來將進一步推動綠色能源及節(jié)能減排的發(fā)展。另外，我國提出了“2030年碳達峰”和“2060年碳中和”的目標，從具體細化到各領(lǐng)域來看，我國建筑碳排放量占總碳排放量的1/3以上，每年我國建成的房屋面積近20億m2，97%以上是高耗能建筑，因此如何實現(xiàn)建筑節(jié)能，解決建筑碳減排將是實現(xiàn)碳中和的重要途徑。而太陽能作為一種新型能源，具有安全、可再生的特點，是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色環(huán)保能源。光伏建筑一體化可以有效利用太陽能代替其他高碳排放能源，將太陽能光伏系統(tǒng)與建筑物結(jié)合，利用太陽能發(fā)電來優(yōu)先提供建筑自身用電，或可以向電網(wǎng)供電，緩解電網(wǎng)電力供需緊張的壓力，具有極大的社會效益。

1 光伏建筑一體化現(xiàn)狀

2019年和2020年全球光伏建筑一體化裝機總量分別達1.15 GW和2.3 GW，約占全球光伏總裝機量的1%，仍處于大規(guī)模發(fā)展前的起步階段，未來發(fā)展空間巨大。歐洲和中國為主要的光伏建筑一體化市場，據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會光電建筑專委會發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，我國2020年光伏建筑一體化裝機容量已達709 MW，總安裝面積為377.4萬m2，約占全球光伏建筑一體化總裝機量的70%。

現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，為光伏發(fā)電與建筑設計一體化技術(shù)的應用提供了更為豐富的技術(shù)手段，使得傳統(tǒng)模式下難以完成的光伏發(fā)電任務具備了更大的可行性，將光伏構(gòu)件作為建筑材料便是其中重要路徑之一。我國新增建筑面積不斷擴大，光伏建筑一體化市場潛力巨大；也有不少地區(qū)政策相繼出臺，鼓勵光伏建筑一體化項目的落地。光伏建筑一體化是將建筑物與太陽能CdTe薄膜電池組件實現(xiàn)有機的結(jié)合，不是兩者普通的疊加，而是以環(huán)保、節(jié)能、美觀實用為原則，在滿足建筑使用的條件下，實現(xiàn)綠色建筑的目標，有效助力“碳達峰，碳中和”目標的達成。

2 光伏建筑一體化應用示范

2.1 工程概況

CdTe薄膜電池組件建筑一體化應用示范項目位于青海省西寧市，當?shù)毓庹召Y源豐富，水平面接收太陽能輻射總量約為5683 MJ/m2，年峰值日照約為1578.8 h。CdTe薄膜電池組件與青?？萍即髲B建筑相結(jié)合，在建筑物層間安裝CdTe薄膜電池組件代替玻璃，構(gòu)成了光伏建筑一體化示范項目。本項目在多個方位安裝（東立面70.672 kWp，西立面69.046 kWp，南立面71.448 kWp，北立面70.672 kWp），總裝機容量為281.838 kWp。CdTe薄膜電池組件經(jīng)日光照射后，產(chǎn)生直流電，通過串并聯(lián)后接入逆變器，經(jīng)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)允許的交流電后接入電網(wǎng)，所發(fā)電量自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。

2.2 CdTe薄膜電池組件選型

CdTe薄膜電池組件主要是實現(xiàn)太陽能到直流電能的轉(zhuǎn)換，是光伏系統(tǒng)的發(fā)電單元。本項目對太陽能電池組件選擇主要從幾方面進行考慮：

①從建筑物整體外觀和實用性出發(fā)，外觀符合建筑物設計要求，光伏建筑一體化設計會使得建筑更富有生機，環(huán)保綠色的設計理念體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合。

②太陽能電池組件的強度滿足建筑結(jié)構(gòu)的要求，固定組件的方式及安全性符合相應的標準；保證建筑物安全使用。

③太陽能電池組件適用條件應符合高寒高海拔地區(qū)使用，當?shù)刈贤饩€強度較強，空氣較稀薄，晝夜溫差較大，對太陽能組件使用環(huán)境要求較高，需保證其壽命及安全運行。

本項目使用夾膠中空CdTe薄膜電池組件，組件通過顏色配置（黑色）能滿足建筑物設計要求，具有弱光效應好、溫度系數(shù)相對低、對光線入射角和溫度不敏感等優(yōu)勢；高度滿足立面安裝要求；“熱斑效應”影響小；抗局部遮擋和落灰；避免CdTe薄膜電池組件因為熱斑造成其他影響，發(fā)電量也相對較高。在玻璃幕墻內(nèi)部植入雙玻璃CdTe薄膜電池組件替代普通材料，使建筑幕墻在具備傳統(tǒng)隔音、降噪、隔熱效果的同時，具備光伏發(fā)電功能，最大限度利用太陽能光照資源，有針對性地達到綠色節(jié)能的良性效果。

2.3 組串設計

對逆變器而言，逆變器轉(zhuǎn)換效率受電壓的影響，過低或者過高都會導致效率有所下降；光伏組串電壓與逆變器輸入額定電壓相當時，逆變器的轉(zhuǎn)換效率最高，發(fā)電效率最佳。本項目使用0.4 kV并網(wǎng)，組件標準條件下額定電壓為94.4 V；綜合考慮項目地理條件、溫度、項目現(xiàn)場CdTe薄膜電池組件排布情況和逆變器參數(shù)、效率等；同時根據(jù)高寒高海拔地區(qū)的氣候條件、安裝在不同立面的CdTe薄膜電池組件，其接收太陽輻照量不同，造成各立面組件的電壓和電流不一致。為減少發(fā)電量損失，不同立面的組件不能形成一個組串；根據(jù)建筑物立面太陽能電池組件排布情況，本項目每個組串的組件數(shù)量為7塊或6塊。

由于部分樓層使用CdTe薄膜電池組件表面處理不一致，導致組件功率也有不同。為不互相影響發(fā)電量和日后對本項目發(fā)電量采集與總結(jié)，本項目使用多臺組串式逆變器，不同組件和不同立面的組件接入不同的MPPT。由于太陽能電池受到光強以及環(huán)境等外界因素的影響，其輸出功率是變化的，光強比較強發(fā)出的電就多，帶MPPT最大功率跟蹤的逆變器就是為了充分的利用太陽能電池，使之運行在最大功率點上。

2.4 發(fā)電量模擬及探討

2.4.1 青海省西寧市光資源情況

項目地位于東經(jīng)101.84°，北緯36.58°；當?shù)毓赓Y源數(shù)據(jù)取自Meteonorm 7.2氣象數(shù)據(jù)庫，見表1。

表1 青海省西寧市光照資源情況

2.4.2 總體模擬數(shù)據(jù)情況

依據(jù)項目地理位置和建筑物CdTe組件布置情況和逆變器接入情況等，建設模型對發(fā)電量進行模擬，如圖1所示。

圖1 建筑排布整體模型圖

通過模擬，得到各立面發(fā)電情況數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 項目各立面年均發(fā)電量

由模擬數(shù)據(jù)可知，南立面年均發(fā)電量為75073.02 kWh，北立面年均發(fā)電量為19903.83 kWh，東立面年均發(fā)電量為55669.03 kWh，西立面年均發(fā)電量為53712.81 kWh，本項目預測年均總發(fā)電量為20.4萬kWh。

由于各立面輻照度不一樣，各立面發(fā)電數(shù)據(jù)相差較大，南、北、東、西各面通過發(fā)電量計算的發(fā)電效率分別為86.38%、73.81%、85.72%、84.50%；且四個立面輻照度比較，南立面輻照度較高，北立面輻照度較低。各立面平均有效峰值日照時間見表2。

表2 各立面平均有效峰值日照時間

本項目各立面單瓦功率預測發(fā)電量如圖3所示。

圖3 各立面單瓦功率年發(fā)電量

通過項目模擬預測發(fā)電量，本項目南立面發(fā)電量較高，經(jīng)濟效益較高。青海省西寧市輻照度較強，根據(jù)QX/T 89－2008《太陽能資源評估方法》，以太陽能年總輻射量為指標，按照太陽能年輻射總量從高到低，對太陽能的豐富程度劃分為4個等級，具體如表3所示?？芍搮^(qū)域太陽能資源豐富程度等級為資源“很豐富帶”，適合建設光伏項目。

表3 中國太陽輻射資源區(qū)劃標準

從本項目發(fā)電量模擬數(shù)據(jù)來看，CdTe薄膜電池組件適合安裝于南、東、西立面，代替普通玻璃幕墻，發(fā)電量相對高。但北面太陽輻射損失較大，接收的太陽輻射較小，從經(jīng)濟性出發(fā)，不建議安裝CdTe薄膜電池組件，可安裝與CdTe外觀相近的玻璃仿片代替。

3 結(jié)語

總體來說，光伏建筑一體化是一種有效的新能源解決方案，能夠利用城市里有限的空間產(chǎn)生電能，減輕高峰時電網(wǎng)的負擔，同時能有效調(diào)節(jié)室內(nèi)采光、溫度等。通過將光伏建筑一體化應用在大樓中，不僅能夠起到節(jié)能環(huán)保的作用，還能夠為當?shù)靥峁┣鍧嵉碾娔芤约霸鎏盹L景的作用。但是這種系統(tǒng)還面對許多問題，如初期投入高、安裝及維護難度高、組件形狀不一、建筑物凹凸造型等影響，都需要在設計的時候盡量使這些優(yōu)缺點達到平衡，選擇合適的系統(tǒng)設備。我們堅信，光伏建筑一體化在不久的將來能成為建筑節(jié)能及綠色建筑領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式和組成部分。