碲化镉薄膜光伏组件的实际工程应用分析

张 曦，郑林达，吴佳铭，林俊光，马 聪，蒋玲波

(1. 浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省能源集团有限公司，杭州 310007； 3. 浙江省浙能房地产有限公司，杭州 310006；4.龙焱能源科技(杭州)有限公司，杭州 310018)

0 引言

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。碳中和是指CO2或温室气体(除CO2外，还有CH4、NOx、CF4和HFCs等)的净零排放，即人类社会活动引起的碳排放量与通过植树造林、节能减排等形式从空气中吸收的CO2量抵消[2]。

2019年，中国建筑全过程碳排放总量为49.97 亿t，占中国全社会碳排放总量的比重为50.6%。其中，建材生产阶段的碳排放量为27.7 亿t，占全社会碳排放总量的比重为28%；建筑施工阶段碳排放量为1.0 亿t，占比为1%；建筑运行阶段碳排放量为21.3 亿t，占比为21.6%[3]。2005～2019年间，全国建筑全过程碳排放总量由2005年的22.34 亿t，上升到2019年的49.97 亿t，提高了2.24倍，年均增长率为5.92%[3]。

光伏建筑一体化(building integrated PV，BIPV)是将光伏产品集成到建筑上的技术，是有效减少建筑运行阶段碳排放量的重要技术手段。光伏幕墙是BIPV的重要应用形式，目前的主流产品为碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池[4]，该产品具备透光性能，透光率越高，其光电转换效率越低[5]。本文介绍了国内外BIPV的应用现状，以某综合能源大厦项目为例，分析了BIPV项目在实际工程应用中的布局与设计、建设施工与调试等要点。

1 BIPV国内外应用现状

BIPV作为实现国家可持续发展清洁、低碳战略的有效措施，近年来国家和地方相继出台了多项政策对其加以支持。国务院《关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》(国发[2021]33号)提出，要积极推进既有建筑节能改造、建筑光伏一体化建设。上海市住房城乡建设管理委等出台了《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》(沪住建规范联[2020]2号)，支持可再生能源与建筑一体化示范项目，并对符合可再生能源与建筑一体化示范的项目进行补贴。

在“双碳”背景和鼓励政策加持下，BIPV作为最有市场潜力的分布式光伏应用形式，迎来了快速发展时期。中国北京世界园艺博览会的中国馆采用透光率为40%的彩色透光中空发电玻璃，安装面积约为1500 m2。哈尼梯田全球重要农业文化遗产保护传承学校采用388块红色仿陶板CdTe薄膜光伏组件，兼顾建筑外观要求的同时可发电供学校负载设备的日常使用。大同未来能源馆是中国首例已竣工的具备“正能建筑”水平的大型展馆，其建筑光伏幕墙的设计采用菱形亮银色金属格构及定制设计的银白色光伏组件，装机容量为1 MW。北京2022年冬奥会张家口冬奥村和国家跳台滑雪中心[6]、嘉兴光伏科技展示馆、浙江浙能智慧能源科技产业园综合展示馆和国家大剧院台湖舞美艺术中心等项目也均应用CdTe薄膜光伏组件技术。

此外，国外一些项目中也应用了CdTe薄膜光伏组件。例如，迪拜世界博览会的瑞典国家馆，建筑面积为2380 m2，在建筑立面和屋面应用标准不透光CdTe薄膜光伏组件。瑞典光伏小镇停车楼，外立面应用彩色透光CdTe薄膜光伏组件作为建筑外围护结构，安装透光率为30%的彩色透光CdTe薄膜光伏组件547片，尺寸为1200 mm×600 mm，其中红色108片、绿色237片、蓝色45片、紫色157片；总装机容量约为40 kW。

2 应用案例分析

本文以浙江省杭州市某综合能源大厦项目进行应用案例分析。该项目的总建筑面积约为137000 m2，供能面积约为88000 m2，覆盖办公、商业、酒店和数据中心等业态。该综合能源大厦效果图如图1所示。

图1 综合能源大厦效果图Fig. 1 Rendering of the comprehensive energy building

2.1 布局与设计

在建筑立面上光伏与建筑的结合主要表现为光伏幕墙，需要遵循适用、经济、绿色、美观的基本原则[7]。光伏幕墙的布局与设计原则主要为：

1)应优先考虑建筑的功能性和安全性要求，例如：建筑结构安全、光伏幕墙体系机构安全和消防安全等专业要求。

2)应考虑建筑的美观性，光伏幕墙的材料、颜色和尺寸应与建筑的外观设计充分融合，避免光污染，符合人体工程学要求等。

3)应考虑光伏幕墙的发电特性，并满足建筑所在区域在采光、日照、视觉、防眩光和光伏组件的通风等方面的要求。

4)应与电气、机电、景观等专业进行充分的设计交底，例如：充分考虑并网发电、设备通风和景观美化等设计要求对光伏幕墙布局与设计的影响。

在充分考虑上述光伏幕墙布局与设计原则的基础上，本项目的BIPV设计方案为：1)在综合能源大厦3个屋顶采光天窗处(中间为大堂采光天窗，两侧为庭院采光天窗)，采用透光率为70%的CdTe薄膜光伏组件，设计为光伏采光顶；2)将大楼屋顶钢架侧立面东、西、南面外侧设计为光伏幕墙，采用透光率为40%的CdTe薄膜光伏组件；3)屋顶钢架屋面采用不透光的CdTe薄膜光伏组件；4)C楼酒店屋顶布置光伏光热一体化(PV/T)系统试验平台。该项目的BIPV设计方案具体布置示意图如图2所示。

2.2 建设施工与调试

由于BIPV项目完全从属于建设属性，项目的完成效果需要满足建筑功能、安全和美观等的要求。本项目BIPV设计方案中光伏幕墙和光伏采光顶采用的CdTe薄膜光伏组件规格的参数如表1所示。

与传统建筑幕墙和采光顶的施工安装相比，本项目增加了光伏电气线路的施工安装，施工重点是电气线路规范、隐蔽，满足建筑外观要求的同时保证电气安全。

图2 BIPV设计方案具体布置示意图Fig. 2 Schematic of specific layout of the BIPV design scheme

表1 BIPV设计方案中采用的CdTe薄膜光伏组件的规格参数表Table 1 Specifications and parameters of CdTe thin film PV modules used in BIPV design scheme

本项目光伏电气线路的布置主要是利用幕墙、采光顶的横纵梁结构系统设置可启型腔用于走线。并遵循建筑电气中关于线槽内线缆截面积的有关规定，电缆填充率不超过40%。光伏组件由于有较多的光伏连接器，光伏连接器应放置在可启型腔或线槽内，以便于后期检修更换，光伏连接器截面积不应超过走线空间截面积的75%。同时应考虑结构系统的安全性，光伏线缆可通过穿线孔进入梁柱型腔，并采用护圈对穿线孔进行保护，穿线孔大小只需满足光伏线缆可经过，不需要考虑光伏连接器是否可以经过，以免对幕墙结构系统造成影响；且应对结构系统安全性进行校核。

本项目光伏幕墙的光伏接线盒采用侧边安装，出线位置在幕墙系统横梁处。每块光伏组件出线在横梁处穿孔，进入横梁可启型腔后，进行横向串联连接；横向串联连接完毕后，通过立柱型腔进入屋顶部桥架进行汇集。光伏幕墙侧视图如图3所示，俯视图如图4所示。

图 3 光伏幕墙侧视图Fig. 3 Side view of PV curtain wall

图4 光伏幕墙俯视图Fig. 4 Vertical view of PV curtain wall

本项目采光顶的光伏接线盒采用侧边安装，出线位置在幕墙系统横、纵梁处。每块光伏组件出线在横、纵梁处穿孔，进入横梁可启型腔后，进行串联连接；串联连接完毕后，进入屋顶部桥架进行汇集。光伏采光顶侧视图如图5所示。

图5 光伏采光顶侧视图Fig. 5 Side view of PV skylight

本项目光伏幕墙和光伏采光顶布线均遵循隐蔽布线原则，同时在金属型腔内布线，需做好必要的金属型材、线槽接地工作，应完全满足建筑电气安全要求，达到传统建材的施工安装标准。

2.3 调试

在光伏幕墙的设备和系统安装工作完成并验收合格，所有装饰工作完毕并清扫干净，空调或通风装置安装完毕并投入运行后，光伏幕墙进入系统调试阶段。

光伏幕墙的调试工作应符合GB 50794—2012《光伏发电站施工规范》等相关标准和规范的相关要求。在CdTe薄膜光伏组件组串测试、逆变器调试、二次系统调试及其他电气设备调试过程中应重点关注电压偏差、电流偏差和温度异常等情况，并做好相应记录。

2.4 节能分析

本项目中CdTe薄膜光伏组件总安装面积为3056 m2，含不同规格尺寸共1486块。由于异形尺寸组件无法串联发电，扣除异形尺寸后，并网光伏组件数量约为1327块，总装机容量为321.62 kWp，预计年发电量为24.18 万kWh。BIPV设计方案的发电量测算如表2所示。

表 2 BIPV设计方案的发电量测算Table 2 Calculation of power generation of BIPV design scheme

根据GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》中评价方法和指标，经测算，本项目年发电量为24.18 万kWh，节约标准煤约为68.90 t，减排CO2量约为170.18 t，减排SO2量约为1.38 t，减排粉尘量约为0.69 t。该项目的节能减排测算表如表3所示。

表 3 节能减排测算表Table 3 Calculation table of energy saving and emission reduction

3 存在的问题及展望

光伏与建筑相结合是未来光伏应用中最重要的场景之一，具有巨大的市场发展空间。在“双碳”背景下，BIPV即将进入加速发展期，BIPV存量市场潜力接近10万亿元，在合理渗透率下，年新增市场规模超过1000亿元[8]。

尽管市场空间巨大，基于CdTe薄膜光伏组件的BIPV项目仍存在产品尺寸较单一[9]、异形尺寸组件无法串联发电和项目经济性较差等问题。希望随着CdTe薄膜技术的不断进步及产品性能不断提升，能够为市场提供高良品率、低成本和多种规格尺寸的产品，在更多应用场景中应用，成为光伏产业的主力军。

4 结论

在遵循适用、经济、绿色、美观和安全的基本原则下，采用CdTe薄膜光伏组件作为建筑的光伏幕墙，既满足了建筑物照明、通风等基本需求，又能够将传统的用能建筑转变为产能建筑，在节能减排方面表现优异，具有良好的示范意义。在“双碳”背景下，光伏幕墙的应用与推广前景广阔。