彩色CIGS光伏發(fā)電技術(shù)在BIPV中的示范應(yīng)用

董 力，王?？?，范新宇，張喜山

(1. 中國節(jié)能減排有限公司，北京 100011；2. 國能科環(huán)新能源有限責(zé)任公司，北京 100039； 3. 沈陽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，沈陽 110168；4. 國家能源集團綠色能源與建筑研究中心，北京 102211)

0 引言

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論會宣布：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2020年9月22日至2021年4月22日，習(xí)近平主席至少在9次國際會議、3次國內(nèi)會議及考察福建省時的講話中先后闡述了碳達峰和碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施、行動等內(nèi)容[1]，因此，實現(xiàn)碳達峰、碳中和已上升為國家戰(zhàn)略和基本國策。而建筑領(lǐng)域是中國碳排放“大戶”，2018年，中國建筑的全過程碳排放總量為49.3億t，占全國碳排放總量的比重為51.3%；其中，建筑運行階段的碳排放量為21.1億t，占全國碳排放總量的比重為21.9%[2]。建筑領(lǐng)域的“降碳減排”不僅對實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)至關(guān)重要，而且對推進中國經(jīng)濟和能源系統(tǒng)向低碳化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

建筑光伏一體化(BIPV)是將光伏發(fā)電產(chǎn)品融合到建筑材料和建筑構(gòu)件上的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)是在建筑外圍護結(jié)構(gòu)的表面集成光伏組件，一方面，可通過光伏發(fā)電為建筑提供電力能源；另一方面，作為建筑結(jié)構(gòu)的功能部分，可取代部分傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，比如屋頂板、幕墻、窗戶、遮陽棚等。BIPV技術(shù)可把建筑由能源消耗型的用戶轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉瓷a(chǎn)型的新興力量，通過光伏發(fā)電與建筑的融合，最大化利用清潔能源，且BIPV組件的發(fā)電過程充分利用建筑物屋頂和立面的垂直空間，不額外占用土地，降低了建筑能耗，進而可減少建筑運行階段的碳排放量。

本文通過對國家能源集團的彩色銅銦鎵硒(CIGS)光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑光伏一體化(BIPV)的科技示范項目——海南省陵水縣珊瑚宮殿商業(yè)中心光伏示范建筑(下文簡稱為“彩色CIGS-BIPV示范建筑”)的建設(shè)和運行情況進行了分析，研究了彩色光伏幕墻在商業(yè)建筑的布局、彩色光伏建筑外觀的設(shè)計表達、彩色CIGS-BIPV組件的設(shè)計制造、彩色CIGS-BIPV組件在光伏幕墻的排布、彩色CIGS-BIPV組件的構(gòu)造體系和光伏幕墻裝配方法等技術(shù)，對彩色CIGS-BIPV技術(shù)路線進行了探索。

1 彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墻的設(shè)計

1.1 彩色CIGS-BIPV示范建筑的概況

本文研究的彩色CIGS-BIPV示范建筑屬于海南省陵水縣珊瑚宮殿地產(chǎn)項目，該地產(chǎn)項目由碧桂園集團開發(fā)，位于中國海南省海南島南端的海棠灣和清水灣之間，依山面海。彩色CIGS-BIPV示范建筑的本體為珊瑚宮殿商業(yè)中心，該商業(yè)中心位于珊瑚宮殿地產(chǎn)項目的核心區(qū)域，為地上4層、地下2層的商業(yè)綜合體建筑，其商業(yè)功能包括超市、商鋪、影院等；商業(yè)中心的占地面積為23482 m2，總建筑面積為51739 m2；商業(yè)中心分為3個體量，中部為商業(yè)步行街；建筑的總體風(fēng)格為現(xiàn)代風(fēng)格，外形呈不規(guī)則曲線，造型活潑。

1.2 光伏幕墻的布局設(shè)計

示范建筑的外立面朝向多變，這對光伏幕墻的布局設(shè)計并不友好。光伏幕墻的布局設(shè)計需要達到光伏幕墻發(fā)電效率最大化、商業(yè)功能適用、建筑形象美觀三者之間的平衡。為達到這一平衡，通過日照分析軟件建立示范建筑外立面的日照情況模型，模擬分析示范建筑各外立面在不同季節(jié)、不同時段的日照情況。該示范建筑在典型日不同時段時的日照情況模擬圖如圖1所示。

根據(jù)圖1示范建筑的日照情況模擬結(jié)果，最終選擇太陽輻照度較好、不影響建筑商業(yè)性表達、視覺效果顯著的建筑東南側(cè)外墻、西南側(cè)外墻及中部女兒墻采用光伏幕墻形式。光伏幕墻在該建筑上的布局位置(圖中綠色部分)示意圖如圖2所示。

1.3 光伏幕墻的色彩表達設(shè)計

由于彩色CIGS-BIPV示范建筑地處碧海藍(lán)天的地域環(huán)境，營造海洋文化特色和繁華的商業(yè)氛圍是該建筑外觀設(shè)計的出發(fā)點。因此，以海洋和藍(lán)天為主題對該光伏幕墻進行設(shè)計，設(shè)計了藍(lán)灰色系的光伏幕墻色彩表達方案。該方案以藍(lán)灰色進行搭配，并降低色彩飽和度，形成3種偏藍(lán)色的冷灰組合，既突出了建筑本身的色彩特征，又與絢麗的商業(yè)廣告形成了圖底關(guān)系，實現(xiàn)了建筑與商業(yè)招牌的整體性與協(xié)調(diào)性；同時，此方案還可以與建筑內(nèi)各層外露的立體綠化和諧共存，使整個彩色CIGS-BIPV示范建筑自然有機地融入地域環(huán)境中[3]。

該光伏幕墻由彩色CIGS-BIPV組件排布形成，主色調(diào)統(tǒng)一，多色彩結(jié)合，使其成為該示范建筑的特色之一，并有效提升了建筑的整體形象。彩色CIGS-BIPV示范建筑采用藍(lán)灰色系時的設(shè)計效果圖如圖3所示。

2 彩色CIGS-BIPV組件的開發(fā)

2.1 彩色CIGS-BIPV組件的技術(shù)特點

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(dǎo)體；該吸收層的光吸收系數(shù)高達105cm-1量級、厚度可降至1～2 μm之間。CIGS薄膜太陽電池的實驗室最高光電轉(zhuǎn)換效率已達到23.35 %[4]，是具有廣泛應(yīng)用前景的太陽電池技術(shù)。

CIGS薄膜太陽電池的原色為純黑色，但純黑色的光伏組件難以滿足建筑形象的多樣化需求。為此，國家能源集團開發(fā)出了可以滿足建筑形象多樣化需求的彩色CIGS-BIPV組件。彩色CIGS-BIPV組件是通過絲網(wǎng)印刷工藝對該組件的封裝玻璃蓋板進行著色，形成分布均勻的色點，再以CIGS薄膜太陽電池本身的黑色作為底色，從而疊加形成多種色彩表達。

采用該技術(shù)制作的彩色CIGS-BIPV組件具有以下特點：

1)可通過印刷色點顏色的變化來調(diào)整彩色CIGS-BIPV組件的色相和飽和度；2)可通過印刷色點的疏密來控制彩色CIGS-BIPV組件的明暗度；3)可以利用RAL等國際標(biāo)準(zhǔn)色卡進行標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)色，從而實現(xiàn)彩色CIGS-BIPV組件的大規(guī)模量產(chǎn)。

2.2 彩色CIGS-BIPV組件參數(shù)

根據(jù)本彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墻的色彩表達設(shè)計，國家能源集團設(shè)計和生產(chǎn)了3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件，實物圖如圖4所示；3種彩色CIGS-BIPV組件的主要參數(shù)如表1所示。

表1 3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

圖4 3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件實物圖Fig. 4 Photo of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

3 彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑中的應(yīng)用

3.1 彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計

由于不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的光電轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)參數(shù)不同，若將不同技術(shù)參數(shù)的彩色CIGS-BIPV組件串聯(lián)在1個光伏組串中，光伏組串整體的發(fā)電效率會受制于其中光電轉(zhuǎn)換效率最低的彩色CIGS-BIPV組件，形成木桶效應(yīng)。因此，在該彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計需要與光伏組串的連接方式相協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)光伏幕墻發(fā)電效率的最大化。

基于此，彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計采用條帶式排布方案，該方案主要包括以下內(nèi)容：

1)將相同顏色、相同技術(shù)參數(shù)的彩色CIGSBIPV組件串聯(lián)在同一個光伏組串，以提高光伏幕墻的發(fā)電效率；

2)同一個光伏組串內(nèi)，同色的彩色CIGSBIPV組件緊鄰排布，包括橫向、豎向、斜向或面區(qū)，便于安裝，并可節(jié)約連接電纜；

3)以光伏組串為單位進行色彩錯位排布，以滿足彩色CIGS-BIPV示范建筑外觀的色彩變化和視覺表達；

4)光伏組串的排布需考慮建筑形式的要求，并注意光伏組串排布與建筑模數(shù)之間的關(guān)系，以平衡彩色CIGS-BIPV組件的發(fā)電功能和建筑形式的要求。

彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑不同外墻上的排布設(shè)計如圖5所示。

圖5 彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑中的排布設(shè)計圖Fig. 5 Layout design of colored CIGS-BIPV modules in the demonstration building

彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGSBIPV組件與電氣系統(tǒng)的連接方式如圖6所示。

圖6 在彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV組件與電氣系統(tǒng)的連接方式圖Fig. 6 Connection mode diagram between colored CIGS-BIPV modules and electrical system in the colored CIGS-BIPV demonstration building

a. 東南側(cè)建筑外墻墻面的彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計(單位：mm)

3.2 光伏幕墻的構(gòu)造設(shè)計

傳統(tǒng)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式大致可分為明框式、隱框式(包括全隱框式和半隱框式)、全玻式和點支式[5]。除全玻式和點支式結(jié)構(gòu)形式外，其他幾種結(jié)構(gòu)形式都是通過副框和壓塊的方式將玻璃板塊固定在玻璃幕墻的龍骨上。

BIPV組件可以看做是能發(fā)電的玻璃板塊。采用明框式結(jié)構(gòu)形式時，是將BIPV組件鑲嵌在副框內(nèi)部，作為扣蓋部分的型材會在BIPV組件上產(chǎn)生陰影，從而會影響整個光伏幕墻的發(fā)電效率。采用隱框式結(jié)構(gòu)形式時，是采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠將BIPV組件粘結(jié)固定在副框上；但該結(jié)構(gòu)形式一方面存在結(jié)構(gòu)密封膠與BIPV組件之間有效粘結(jié)強度的問題，另一方面存在結(jié)構(gòu)密封膠與BIPV組件的發(fā)電薄膜接觸會產(chǎn)生電勢誘導(dǎo)衰減(PID)效應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率降低的風(fēng)險。同時，按照國家有關(guān)玻璃幕墻安全防護的規(guī)定，人員密集、流動性大的商業(yè)中心、公共文化體育設(shè)施等場所嚴(yán)禁采用全隱框式玻璃幕墻[6]，從而限制了全隱框式結(jié)構(gòu)形式的使用范圍。

綜上所述，結(jié)合BIPV組件的特點，本文設(shè)計了新型鋁合金副框來連接、固定BIPV組件，形成一種介于明框式與隱框式之間的小邊框結(jié)構(gòu)形式[7]。該結(jié)構(gòu)形式具有以下特點：

1)由專用的雙面貼來粘貼BIPV組件和副框，BIPV組件的發(fā)電薄膜不接觸副框，從而可避免PID效應(yīng)的產(chǎn)生；

2)副框邊緣按照BIPV組件的特性來設(shè)計，避開了BIPV組件的發(fā)電薄膜區(qū)域，并進行倒角處理，因此邊框不會產(chǎn)生陰影遮擋；

3)副框的形狀和尺寸實現(xiàn)了接線盒避位；

4)副框采用定距壓塊連接的構(gòu)造，滿足了光伏幕墻的受力要求，同時還可以吸收安裝誤差和平面變形；

5)由于副框與BIPV組件的玻璃側(cè)面和邊緣不發(fā)生剛性接觸，因此使BIPV組件在運輸和安裝過程中能得到很好地保護。

小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框截面和副框陰影、接線盒避位示意圖如圖7所示。

圖7 小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框截面和 副框陰影、接線盒避位示意圖Fig. 7 Schematic diagram of aluminum alloy sub frame section， shadow of sub frame and junction box avoidance in the small frame structure form

本文設(shè)計開發(fā)了小單元構(gòu)造體系，即彩色CIGS-BIPV組件小單元與龍骨通過小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框固定。小單元構(gòu)造體系下，每個彩色CIGS-BIPV組件可以單獨拆卸與安裝，運行維護簡單。彩色CIGS-BIPV組件安裝時的橫剖節(jié)點示意圖如圖8所示，彩色CIGS-BIPV幕墻的裝配示意圖如圖9所示。

圖8 彩色CIGS-BIPV組件安裝時的橫剖節(jié)點示意圖(單位：mm)Fig. 8 Schematic diagram of cross sectional node of colored CIGS-BIPV module during installation (Unit: mm)

圖9 彩色CIGS-BIPV幕墻的裝配示意圖Fig. 9 Assembly diagram of colored CIGS-BIPV curtain wall

3.3 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建設(shè)效果

珊瑚宮殿商業(yè)中心共安裝彩色CIGS-BIPV組件1167塊，總裝機容量為89.0268 kW。不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的具體安裝數(shù)量如表2所示。

表2 不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的 具體安裝數(shù)量Table 2 Specific installation quantity of colored CIGS-BIPV modules in different colors

該彩色CIGS-BIPV示范建筑在2019年11月建設(shè)完成并通過驗收，之后投入運行且順利并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過1年多的連續(xù)運行發(fā)電，該示范建筑在各種氣候、環(huán)境乃至極端天氣下均可安全、可靠的運行。彩色CIGS-BIPV組件正常發(fā)電時，示范建筑的建設(shè)效果圖如圖10所示。

圖10 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建設(shè)效果圖Fig. 10 Photo of construction effect of colored CIGS-BIPV demonstration building

4 結(jié)論

本文通過對珊瑚宮殿商業(yè)中心彩色CIGSBIPV示范建筑的建設(shè)和運行情況進行研究，驗證了彩色CIGS-BIPV組件可以滿足建筑形象多樣化的需求，采用其打造的彩色CIGS-BIPV建筑具有很好的形象表達和更高的審美價值。該示范項目取得了以下成果：

1)開發(fā)出了彩色CIGS光伏發(fā)電技術(shù)在BIPV中的應(yīng)用技術(shù)，探索了彩色CIGS-BIPV模式的新型分布式能源技術(shù)路線；

2)設(shè)計了彩色CIGS-BIPV示范建筑方案，很好地表達出了示范建筑環(huán)境特征和文化特色的需要，實現(xiàn)了光伏幕墻發(fā)電效率、建筑形象色彩表達、建筑模數(shù)三者之間的平衡。

3)建立了彩色CIGS-BIPV組件的構(gòu)造體系，可滿足施工安裝需求，不影響光伏幕墻發(fā)電效率，且運行維護簡單。