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. 青海省創業發展孵化器有限公司 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”規劃中，強調碳中和及綠色生態的建立，倡導更合理的能源配置，未來將進一步推動綠色能源及節能減排的發展。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，因此如何實現建筑節能，解決建筑碳減排將是實現碳中和的重要途徑。而太陽能作為一種新型能源，具有安全、可再生的特點，是未來最有發展潛力的綠色環保能源。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，將太陽能光伏系統與建筑物結合，利用太陽能發電來優先提供建筑自身用電，或可以向電網供電，緩解電網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%，仍處于大規模發展前的起步階段，未來發展空間巨大。歐洲和中國為主要的光伏建筑一體化市場，據中國光伏行業協會光電建筑專委會發布的數據來看，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%。

現代科學技術的快速發展，為光伏發電與建筑設計一體化技術的應用提供了更為豐富的技術手段，使得傳統模式下難以完成的光伏發電任務具備了更大的可行性，將光伏構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薄膜電池組件實現有機的結合，不是兩者普通的疊加，而是以環保、節能、美觀實用為原則，在滿足建筑使用的條件下，實現綠色建筑的目標，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，當地光照資源豐富，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薄膜電池組件與青海科技大廈建筑相結合，在建筑物層間安裝CdTe薄膜電池組件代替玻璃，構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薄膜電池組件經日光照射后，產生直流電，通過串并聯后接入逆變器，經光伏逆變器將直流電轉換為電網允許的交流電后接入電網，所發電量自發自用，余電上網。

2.2 CdTe薄膜電池組件選型

CdTe薄膜電池組件主要是實現太陽能到直流電能的轉換，是光伏系統的發電單元。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，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，環保綠色的設計理念體現建筑與自然的結合。

②太陽能電池組件的強度滿足建筑結構的要求，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使用，當地紫外線強度較強，空氣較稀薄，晝夜溫差較大，對太陽能組件使用環境要求較高，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、溫度系數相對低、對光線入射角和溫度不敏感等優勢；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，發電量也相對較高。在玻璃幕墻內部植入雙玻璃CdTe薄膜電池組件替代普通材料，使建筑幕墻在具備傳統隔音、降噪、隔熱效果的同時，具備光伏發電功能，最大限度利用太陽能光照資源，有針對性地達到綠色節能的良性效果。

2.3 組串設計

對逆變器而言，逆變器轉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，逆變器的轉換效率最高，發電效率最佳。本項目使用0.4 kV并網，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、項目現場CdTe薄膜電池組件排布情況和逆變器參數、效率等；同時根據高寒高海拔地區的氣候條件、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。為減少發電量損失，不同立面的組件不能形成一個組串；根據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。為不互相影響發電量和日后對本項目發電量采集與總結，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境等外界因素的影響，其輸出功率是變化的，光強比較強發出的電就多，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101.84°，北緯36.58°；當地光資源數據取自Meteonorm 7.2氣象數據庫，見表1。

表1 青海省西寧市光照資源情況

2.4.2 總體模擬數據情況

依據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，得到各立面發電情況數據，見圖2。

圖2 項目各立面年均發電量

由模擬數據可知，南立面年均發電量為75073.02 kWh，北立面年均發電量為19903.83 kWh，東立面年均發電量為55669.03 kWh，西立面年均發電量為53712.81 kWh，本項目預測年均總發電量為20.4萬kWh。

由于各立面輻照度不一樣，各立面發電數據相差較大，南、北、東、西各面通過發電量計算的發電效率分別為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電量如圖3所示。

圖3 各立面單瓦功率年發電量

通過項目模擬預測發電量，本項目南立面發電量較高，經濟效益較高。青海省西寧市輻照度較強，根據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。可知，該區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劃標準

從本項目發電量模擬數據來看，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，從經濟性出發，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生電能，減輕高峰時電網的負擔，同時能有效調節室內采光、溫度等。通過將光伏建筑一體化應用在大樓中，不僅能夠起到節能環保的作用，還能夠為當地提供清潔的電能以及增添風景的作用。但是這種系統還面對許多問題，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缺點達到平衡，選擇合適的系統設備。我們堅信，光伏建筑一體化在不久的將來能成為建筑節能及綠色建筑領域的重要表現形式和組成部分。