云南地区某光伏幕墙系统的发电性能研究

云南师范大学太阳能研究所 ■ 王强

0 引言

光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)技术是将光伏组件与建筑表面的建材进行有机结合，将建筑的外观、采光、光伏发电等需求融合在一起，符合绿色节能理念[1]。利用光伏发电原理的光伏幕墙就是采用了“光伏建筑一体化”的设计理念，其可将所发电力供给建筑内部的部分用电，在一定程度上缓解了城市在用电高峰期用电紧张的问题[2]。影响光伏组件性能并造成其发电量衰减的因素有很多，除辐照度、温度等外界因素外，还包括积灰腐蚀造成的透光率下降、热斑损伤、安装组件时造成的隐裂等硬件因素。而对于BIPV系统发电性能衰减的原因需要进行综合分析，除了研究其安装朝向、安装角度[3]、选取的材料[4]、日辐照度等因素外，还需要分析环境温度、积灰量[5]等因素。

因此，本文对昆明地区某示范楼安装的光伏幕墙系统进行了监测实验，对其南立面安装的约120 kWp的双玻单晶硅组件[6]与西立面安装的约20 kWp的铜铟镓硒(CIGS)薄膜组件的发电量情况进行了统计分析，并分析了发电量衰减的原因，以期为光伏幕墙系统的设计与应用提供实验数据与指导。

1 光伏幕墙系统概况

该项目大楼位于云南省昆明市呈贡区，地理坐标为 102°51′ E、24°51′ N，海拔高度为1952.72 m，属于温带高原型湿润季风气候。

在大楼南立面安装了双玻单晶硅组件光伏幕墙(下文简称“c-Si幕墙系统”)，组件安装角度为85°，幕墙高为26.076 m、宽为60 m、组件距离地面80 cm；组件共计720块，总功率为122.4 kWp。该立面的光伏幕墙系统采用1台100 kW和1台20 kW的三相并网逆变器匹配双玻单晶硅组件以构成并网系统，2台逆变器的交流电输出经过1台200 kVA的配电柜，接入AC 400V电网的并网点。

大楼西立面安装了2块CIGS薄膜组件光伏幕墙(下文简称“CIGS幕墙系统”)，均为高24 m、宽8 m， CIGS薄膜组件共228块，组件安装角度为90°，总功率为18.40 kWp。该立面的光伏幕墙系统采用3台XTH8000-48双向逆变器和1台20 kW并网逆变器，以及24块2 V 1000 AH的太阳能专用蓄电池构成微网系统，为地下停车场的照明系统供电。当白天有光照时，光伏幕墙系统产生电能，通过双向逆变器逆变给蓄电池充电的同时给负载供电，不足部分直接从公共电网取电；当晚上没有太阳光时，自动切换到蓄电池供电。CIGS幕墙系统由1套光伏监控软件系统对其发电状态进行记录和时刻检测。

表1为整个光伏幕墙系统的整体装机情况，图1为光伏幕墙系统的外观图。

表1 整个光伏幕墙系统的装机情况

图1 光伏幕墙系统的外观图

c-Si幕墙系统中，双玻单晶硅组件由超白钢化平面玻璃(厚6 mm)、PVB胶膜(厚2.28 mm)、125 mm×125 mm单晶硅高效电池、普通钢化平面玻璃(厚6 mm)组成。其中，前表面材料选取了低铁的超白钢化平面玻璃，其透光率达91%以上，可确保单晶硅太阳电池对太阳辐射的接收，同时能够满足建筑对于玻璃强度等特性的需求。用于组件中间层进行封装的材料为太阳能专用的PVB胶膜，该胶膜有着优良的粘结性、韧性和弹性，有一定的抗冲击能力，可有效防止冲击物的冲击，即便玻璃产生破损，碎片也会被黏在PVB胶膜上，从而避免因玻璃破碎而发生伤人的情况；与此同时，PVB胶膜还具有老化缓慢、高透过率的性能。所有玻璃均进行了二次均质热处理，可大幅降低钢化玻璃的自爆几率，同时确保组件发电量的衰减在2年内低于2%，25年内低于20%。这种光伏组件的使用寿命高达25～30年，既可以提高建筑物的安全系数，又可以确保光伏幕墙系统在运行过程中的稳定性与可靠性。

2 光伏幕墙系统的运行情况

本文采集了整个光伏幕墙系统13个月的实际发电量，并对其工作运行过程中的性能进行了研究。南立面c-Si幕墙系统的累计发电量为84541 kWh，西立面CIGS幕墙系统的累计发电量为15052.1 kWh。

为了对比2种光伏组件在光伏幕墙系统应用中的表现，对不同立面幕墙系统的发电性能进行了比较。考虑到2种幕墙系统的电池类型、安装朝向及安装功率均不同，研究中将幕墙系统发电功率归一化为单位功率发电量(kWh/kW)，以较好地表示出其发电能力。图2为2种幕墙系统13个月的单位功率累计发电量统计。

图2 2种幕墙系统各月的单位功率累计发电量

由图2可知，南立面c-Si幕墙系统13个月的单位功率累计发电量为699.78 kWh/kW，而西立面CIGS幕墙系统的单位功率累计发电量为818.05 kWh/kW。

为深入分析2种幕墙系统的发电量情况，本文开展了全年、全天，以及不同辐照度等方面的测试与比对。

为了对比在不同辐照度时2种幕墙系统的发电情况，采集了项目所在地典型的较高日辐照度和较低日辐照度时幕墙系统的发电数据，并进行了分析与对比，选择的辐照度是水平面上的实测值。图3、图4分别为水平面日辐照度为10 MJ/m2和20 MJ/m2时，c-Si幕墙系统、CIGS幕墙系统分别在8月和12月的同一天的累计发电情况。其中，图3b和图3c分别是图3a中早晨和傍晚时段(图3a中画圈部分)的发电情况放大图；图4b和图4c分别是图4a中早晨和傍晚时段的发电情况放大图。图3、图4均为全天的累计发电量，因此，图中如果曲线呈现水平状，则表示幕墙系统不再发电；只有曲线有增量才表示幕墙系统仍然有发电量，曲线的斜率越大，则发电量越大。

图3 日辐照度为10 MJ/ m2时，2种幕墙系统的全天累计发电量情况

对比图3和图4可以看出，辐照度对幕墙系统发电性能的影响显著，特别是在冬季时段，不论是c-Si幕墙系统还是CIGS幕墙系统，冬季的单位功率累计发电量都很好地体现出发电量与辐照度成正比的特性；冬季时段内，安装朝南的c-Si幕墙系统较安装朝西的CIGS幕墙系统有更高的发电量，而夏季时段则完全不同，安装朝西的CIGS幕墙系统有更高的发电量。2种幕墙系统全天累计发电量均为冬季时段优于夏季时段。再更进一步分析2种幕墙系统早晚时段的发电情况可以看到，由于安装朝向的原因，早晨时段，安装朝南的c-Si幕墙系统较早发电，且发电量快速增加，但在傍晚约17:00后，其发电量几乎不再增加；然而无论日辐照度为10 MJ/m2还是20 MJ/m2，安装朝西的CIGS幕墙系统的可持续发电时间均较安装朝南的c-Si幕墙系统约延后1 h，即使是在夏季的傍晚，该系统也能有很好的表现。

图4 日辐照度为20 MJ/ m2时2种幕墙系统全天累计发电量情况

3 结果分析

3.1 气候因素对光伏幕墙系统发电情况的影响

昆明全年太阳辐照度约为5500 MJ/m2，海拔高度为1895 m，大气稀薄，使得水平面上的太阳辐照度充足且全年分布均匀，平均日辐照度高达21.379 MJ/m2/d，非常适合利用太阳能。由于昆明的地理位置位于 102°10′～103°40′E、24°23′～26°22′N，因此，光伏组件的最佳安装倾角约为25°。

此外，昆明气候干、湿季分明。5～10月为湿季，降水量约占全年的85%；11月～次年4月为干季，降水量仅约占全年的15%。图5为10月～次年10月2种幕墙系统的全年归一化月发电量。

图5 2种幕墙系统的全年归一化月发电量

由图5可以看出，尽管夏季温度较高，但是湿季显著降低了光伏幕墙系统的发电量；特别是对于安装朝南的c-Si幕墙系统，影响非常显著，该幕墙系统在干季和湿季的发电量差距较大，最大值相差近50%；而对于安装朝西的CIGS幕墙系统而言，尽管干、湿季也对其存在一定影响，但全年的波动仅在20%以内，有较稳定的发电表现。

3.2 安装朝向和安装角度对光伏幕墙系统发电性能的影响

光伏组件的最大输出功率Pmax和太阳辐照度It的关系式为：

式中，T为光伏组件的温度；Ppeak为标准测试条件(It=1000 W/m2，T=25 ℃)下光伏组件的最大功率；-0.0047为组件的峰值功率温度系数，均由组件生产商准确测试并提供。

当仅考虑光伏幕墙的安装朝向对发电性能的影响时，经计算，安装朝西的CIGS幕墙系统的月发电量数据的波动范围与日照时数的波动范围基本一致；而安装朝南的c-Si幕墙系统的月发电量数据的波动范围却与日照时数的波动范围明显不符，这主要是由于太阳高度角的变化所产生的影响。

对比测试结果也可以发现，c-Si幕墙系统在运行中受安装倾角的影响显著，特别是在夏季时段或辐照度较高时，其发电能力大为减弱。另一方面，安装朝西的CIGS幕墙系统对安装倾角影响的敏感度弱于c-Si幕墙系统，尽管其夏季时段的发电量也明显低于冬季时段，但相差程度不大。

3.3 电池弱光性能对光伏建筑构件的作用

如前文所述，2种幕墙系统中组件的安装角度分别为85°和90°，显然与最佳安装倾角的差距甚大，导致光伏组件上的直接辐射量减少。此外不容忽视的是，从图3c和图4c可以看出，在傍晚时段，安装朝西的CIGS幕墙系统以其较优异的弱光性能可持续发电，使该光伏幕墙系统在全年有较好的发电性能。

4 结论

本文研究的光伏幕墙系统是BIPV的充分应用，既体现了光伏发电在发电性能上的优势，又保证了建筑对于美观、光线、换气等一系列的需求，具有建筑空间最大利用率、发电即用、补充能源等优势。对该光伏幕墙系统的运行数据进行分析与研究后，得到了如下结论：

1)双玻单晶硅组件和GIGS薄膜组件均能很好地满足建筑设计的要求，实现了光伏建筑一体化，达到了节能、美观的目的。

2) c-Si幕墙系统的发电量对安装倾角、辐照度的变化非常敏感。

3) CIGS幕墙系统对安装倾角的敏感度不高，能够有较稳定的发电表现，具有广泛应用于BIPV的巨大潜力。

4)对于昆明这样干、湿季分明、辐照度强的地域，垂直安装的光伏发电系统在冬季能够有较好的表现，而在夏季不能获得较好的发电性能。

综上所述，随着BIPV技术的日益成熟，基于BIPV技术的光伏幕墙系统将有更加广阔的应用前景。