CIGS-BIPV示范建筑的日发电性能分析

董 力

(1.中国节能减排有限公司，北京 100011；2.国能科环新能源有限责任公司，北京 100039)

0 引言

2018年，在中国，建筑运行阶段的能源消耗为1×109t标准煤，占能源消费总量的21.7%；建筑运行阶段排放的二氧化碳为21.1×108t，占碳排放总量的21.9%[1]。随着中国城镇化率持续快速提升[2]，建筑领域逐渐取代其他工业部门，成为能源消耗和碳排放大户。建筑领域的节能减碳，对实现碳达峰、碳中和目标，推进能源生产和消费向低碳化转型具有重要意义。

光伏发电具有不产生污染和噪音、无温室气体和有害气体排放等优势。建筑光伏一体化(BIPV)是将光伏产品融合到建筑材料和构件上。在建筑外围护结构表面集成的光伏组件，一方面可将光伏组件所发电力供建筑使用或输送到公共电网；另一方面光伏组件也可作为建筑结构不可分割的功能部分，取代部分传统建筑结构，比如：屋顶板、幕墙、窗户、遮阳棚等。BIPV是光伏产业与建筑行业紧密融合、建筑主动节能减碳的重要途径[3-4]。

国家能源集团与碧桂园集团在广东省的惠州市潼湖科技创新小镇合作打造了铜铟镓硒建筑光伏一体化(CIGS-BIPV)示范项目，该示范项目为铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件全覆盖式的BIPV示范建筑。本文对该示范项目中的示范建筑不同朝向立面上的CIGS薄膜光伏组件在夏季、冬季典型日的发电量特点和变化规律进行分析，以期为采用薄膜光伏组件的BIPV项目和低纬度沿海地区的光电建筑应用提供借鉴。

1 CIGS-BIPV示范建筑介绍

1.1 示范建筑概况

惠州市潼湖科技创新小镇位于深圳、东莞、惠州三市交界处，地处粤港澳大湾区的重要节点。本示范项目共包括3栋CIGS-BIPV示范建筑，分别为2#楼、6#楼和7#楼，均位于园区的核心位置。其中：2#楼为园区智慧控制中心，共5层，总建筑面积为3964 m2；6#楼和7#楼均是3层的办公楼，建筑面积分别为853 m2和991 m2。3栋示范建筑的方位均是以正南为0°向东偏转42.77°，即建筑物的四面朝向分别为东南(-42.77°)、西南(47.23°)、东北(-132.77°)、西北(137.23°)。2#楼和6#楼在建筑的东南侧、西南侧、东北侧这3个建筑立面安装CIGS薄膜光伏组件；7#楼在建筑的东南侧和西南侧安装CIGS薄膜光伏组件。3栋示范建筑在园区的位置如图1所示，CIGS薄膜光伏组件的安装效果图如图2所示。

图1 3栋示范建筑在园区的位置示意图Fig. 1 Schematic diagram of location of three demonstration buildings in the park

图2 CIGS薄膜光伏组件的安装效果图Fig. 2 Installation rendering of CIGS thin film PV modules

1.2 示范建筑所在地气候与太阳辐照资源

示范建筑位于23.08°N、114.20°E；地处东江中下游平原，靠近南海海域，海拔高度为42 m。所在地气候属于亚热带海洋季风气候区，冬暖夏热，年平均气温为22.0 ℃；雨量充沛，年均降雨量为1936.0 mm，干、湿季节分明，降水集中在3～9月，10月～次年2月多为晴朗天气。

以广泛应用于能源行业的气象软件Meteonorm提供的数据为基础，并利用距离项目所在地较近的气象站多年的观测记录数据对Meteonorm提供的数据进行修正，得到项目所在地的地面月均太阳辐照量数据，如图3所示。从图3可以看出：5～10月(夏秋季节)时，项目所在地的地面月均太阳辐照量处于较高水平，尤其在7月达到最大值；地面年总太阳辐照量约为4500 MJ/m2，稳定度为0.46，说明项目所在地的太阳能资源丰富、稳定[5]，适宜建设光伏发电系统。

图3 项目所在地的地面月均太阳辐照量Fig. 3 Average monthly solar radiation on the ground at the project site

1.3 示范建筑采用的光伏组件

在示范建筑立面安装的是CIGS薄膜光伏组件。CIGS薄膜太阳电池的吸收层是Cu(In,Ga)Se2四元化合物，属于直接带隙半导体，光吸收系数高达105cm-1，吸收层的厚度可低至1～2 μm。该类太阳电池的实验室最高光电转换效率已达23.35%[6]，其构造示意如图4所示，微观结构如图5所示。CIGS薄膜光伏组件具有弱光发电性好、温度系数低、抗衰减性强、安全性高、稳定耐用、便于维护、外观漂亮等特点，适合BIPV应用场景[7]。

图4 CIGS薄膜太阳电池的构造示意图Fig. 4 Structural diagram of CIGS thin film solar cell

图5 CIGS薄膜太阳电池的微观结构Fig. 5 Microstructure of CIGS thin film solar cell

应用于BIPV建筑的CIGS薄膜光伏组件既要满足光伏发电需求，又要满足建筑的形式需要，还要符合幕墙建筑材料的相关规范和标准。此外，还需要考虑此类光伏组件的安装、防火、运输、储存等一系列问题。本示范项目中的示范建筑均选用国家能源集团开发的N-G1012E097型CIGS薄膜光伏组件，该类光伏组件采用4 mm厚钢化玻璃(盖板)+0.75 mm厚EVB胶膜+3 mm厚浮法玻璃(背板)的结构，已通过了中国强制性产品认证(3C)，达到了作为建筑材料和建筑幕墙的标准。N-G1012E097型CIGS薄膜光伏组件的正视图和侧视图如图6所示，标准测试条件(STC)下该类光伏组件的主要技术参数及其规格分别如表1、表2所示。

图6 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏组件的正视图和侧视图Fig. 6 Front view and side view of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

表1 STC下N-G1012E097型CIGS薄膜光伏组件的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of N-G1012E097 CIGS thin film PV module under STC

表2 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏组件的规格Table 2 Specifications of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

2 示范建筑的典型日发电量

3栋示范建筑自2018年11月建成并投运以来，运行安全可靠、发电稳定。本文仅以2#楼为例对该建筑的东南侧、西南侧和东北侧建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的发电量情况进行分析。2#楼的东南侧、西南侧和东北侧建筑立面除去功能性门窗位置和易被遮挡的首层墙面外，其余位置均安装了CIGS薄膜光伏组件，且3个建筑立面分别面对较开阔的绿地、广场、主街道，基本不受其他建筑物阴影遮挡的影响。考虑到季节、天气因素，以及设备、仪表记录数据的完整性，选择2019年中全天有日照的初夏季节的5月12日和初冬季节的11月22日作为典型日，分析2#楼的东南侧、西南侧和东北侧这3个建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件在1天内各发电时段的发电量情况。

2.1 5月12日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的发电情况

以5 min为一个发电量记录时间间隔，记录5月12日全天发电时段2#楼各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件单位面积发电量，具体如图7所示。

图7 5月12日2#楼各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的单位面积发电量Fig. 7 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on May 12

从图7中可以看出：东南侧、西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件开始发电后，在发电量为各自峰值发电量约40%的时刻，发电量有相对明显的跃升。为分析CIGS薄膜光伏组件全天发电量的集中度，将各建筑立面发电量超过其当天峰值发电量40% 的部分定义为主要发电时段，各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的日发电量情况如表3所示。

表3 5月12日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的日发电量情况Table 3 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on May 12

对项目所在地当天的气象信息进行查询，结果如表4所示。

表4 5月12日项目所在地的气象信息Table 4 Meteorological information of location on May 12

结合图7、表3、表4可以发现：

1)示范建筑东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件在日出19 min后最早开始发电，而西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在日落前16 min最后结束发电，整个示范建筑全天的发电时长为12.62 h。

2)上午时段，东南侧、东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的发电量曲线大致呈抛物线形，东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的开始发电时刻、最大发电量时刻、主要发电时段均早于东南侧安装的CIGS薄膜光伏组件。下午时段，东南侧安装的CIGS薄膜光伏组件的发电量在12:40～14:30时段较平稳，然后大致呈线性下降；东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的发电量整体呈线性下降。西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在上午时段的发电量较小，但呈线性上升趋势；而下午时段的发电量曲线大致呈抛物线形。

3) 5月12日是初夏季节，太阳的白昼运行轨迹接近在示范建筑正东西方向。2#楼东南侧、东北侧立面全天接收太阳辐照量的变化相近，西南侧立面全天接收太阳辐照量的变化与东南侧及东北侧立面接收的太阳辐照量均大致呈镜像关系。各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件全天发电量的变化关系与立面接收的太阳辐射量变化成正比。

4)东南侧、东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的主要发电时段均集中在12:00前的4.5 h左右，均可产生超过其全天发电量72%的发电量。西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件的主要发电时段在午后至日落前(12:45～17:45)的5 h左右，可产生其超过全天发电量77%的发电量。全天内这3个建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的单位面积发电量基本相同，发电量的平均差为0.01。

5)各建筑立面安装的CIGS光伏组件的发电量曲线有所跳跃，尤其是下午个别时段有较大的跌落，这是由于天气、云量等影响太阳辐照量的短时气象因子发生变化造成的。

2.2 11月22日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的发电情况

以5 min为一个发电量记录时间间隔，记录11月22日全天发电时段2#楼各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的单位面积发电量，具体如图8所示。

将各建筑立面发电量超过其当天发电量峰值40%的时段定义为主要发电时段，11月22日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的日发电量情况如表5所示。

对项目所在地当天的气象信息进行查询，结果如表6所示。

图8 11月22日2#楼各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的单位面积发电量Fig. 8 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on November 22

表5 11月22日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的日发电量情况Table 5 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on November 22

表6 11月22日项目所在地的气象信息Table 6 Meteorological information of project location on November 22

结合图8、表5、表6可以发现：

1)示范建筑东南侧、东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件在日出11 min后最早开始发电，西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在日落前3 min最后结束发电，建筑全天的发电时长为10.70 h。

2)东南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在开始发电30 min后的07:20出现一个小的发电量极值，然后发电量有所下降；后1 h(07:25～08:20)发电量整体呈现较低的平稳增长的趋势；08:25时光伏组件的发电量急剧增大，随后以上升抛物线形状平滑增加，在09:40左右达到峰值，然后以下降抛物线的形状降低。西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在开始发电时呈线性缓慢增加趋势，并从09:50开始发电量以上升抛物线形状增长，在15:30左右达到其峰值，然后以曲率更大的下降抛物线形状降低。东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件在初始发电的约3 h内，发电量曲线呈现马鞍形，2个发电量极大值分别出现在07:40和08:40左右，随后发电量呈现平缓的抛物线形。

3) 11月22日是初冬季节，太阳直射点在示范建筑的南侧，太阳直射辐射在建筑南侧立面的入射角(太阳直射方向与建筑立面法线的夹角)为1年中的较小值，因此，建筑南侧立面可接收到1年中较大的太阳直射辐射时长和太阳辐照量[8-9]。东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件在除日出后3 h内的部分时段可接收到以较大入射角照射的太阳直射辐射外，全天大部分时间段都是背对着太阳直射，太阳直射辐射被遮挡，以接收散射辐射为主。东南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在上午时段的发电量先增大后减小，之后又快速增大；东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件在上午时段的发电量呈马鞍形曲线；这是由于太阳运行轨迹与建筑方位共同造成该建筑立面上安装的CIGS薄膜光伏组件先接收到太阳直射辐射，然后太阳直射辐射被遮挡，之后又接收到太阳直射辐射所导致的。

4)东南侧安装的CIGS薄膜光伏组件的主要发电时段在上午至午后(08:25～13:10)，接近5 h；西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件主要发电时段在中午至日落前的46 min(11:20～16:50)，时长为5.5 h。东南侧、西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在主要发电时段产生了占其总发电量约90%的发电量；东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的整体发电量偏小，发电时段不集中。东南侧、西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件全天的单位面积发电量基本相同，且分别是东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的3.0倍和3.1倍。

5)各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的发电量曲线均较为平滑，原因是当天白昼时间的天气、云量等短时气象因子稳定。

2.3 2个典型日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件发电量对比

在5月12日和11月22日，东南侧、西南侧、东北侧3个建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件的单位面积发电量对比如图9所示。

从图9中可以发现：

1)东南侧和西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件在5月12日和11月22日时的发电量曲线形状类似。此外，相较于11月22日，5月12日的白昼时间更长，光伏组件的发电时间开始的较早、结束的较晚，11月22日光伏组件的发电时长比5月12日时的约少2 h；但这2个建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件在11月22日的发电量曲线的峰值更高，上升、下降斜率更大，其发电量均是5月12日时的1.2倍左右。

图9 2个典型日各建筑立面安装的CIGS薄膜光伏组件单位面积发电量对比Fig. 9 Comparison of power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each building facade of two typical days

2)对于东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件，其在5月12日的发电时间开始的较早，结束的较晚，发电量峰值高，发电时长比其在11月22日时约长2 h，发电量是11月22日时的2.5倍。

3 结论

本文以惠州市潼湖科技创新小镇的铜铟镓硒建筑光伏一体化(CIGS-BIPV)示范项目为例，对该示范项目中示范建筑不同朝向立面上安装的铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏组件在夏季、冬季典型日的发电量特点和变化规律进行了分析，得到了以下结论：

1)初夏的5月12日，安装在东南侧、西南侧、东北侧的CIGS薄膜光伏组件的日发电量大体相当。西南侧安装的CIGS薄膜光伏组件与东南侧及东北侧安装的CIGS薄膜光伏组件的日发电量曲线均大致呈镜像关系。

2)初冬的11月22日，安装在东南侧、西南侧的CIGS薄膜光伏组件的日发电量大体相当，均是安装在东北侧的CIGS薄膜光伏组件的约3倍。太阳运行轨迹和建筑方位造成东南侧、东北侧立面上安装的光伏组件在部分时段断续接收到太阳直射辐射，造成其发电量曲线有高低交替的变化。

3)安装在东南侧、西南侧的CIGS薄膜光伏组件在11月22日的高效率发电时长比5月12日的更长，发电量更大；安装在东北侧的CIGS薄膜光伏组件在5月12日的发电量是其在11月22日的2.5倍。