基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場設計與研究

摘 要：近年來，隨著新能源汽車的保有量不斷增加，傳統停車場均面臨大量充電樁改造的問題，發展光-儲-充一體化的停車場已經成為一種趨勢。傳統的光-儲-充一體化項目一般是使用晶體硅光伏組件，但在城市環境中晶體硅光伏組件存在美觀性不足和安全隱患等問題，而碲化鎘發電玻璃由于具有建材、發電雙重屬性，且兼具美觀性與安全性，更加適用于城市環境。以位于成都天府軟件園C區的基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充智慧微電網示范項目為例，從停車場布局設計、BIPV車棚設計、光-儲-充一體化停車場電氣系統設計等方面，提出了一套基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場設計方法，致力于為城市提供清潔穩定能源的同時，美化城市環境。研究表明：基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場擁有良好的環境效益、經濟效益和社會效益，具有非常好的推廣價值。

關鍵詞：光-儲-充一體化；光伏建筑一體化；碲化鎘發電玻璃；停車場設計

中圖分類號：TM615" " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著“雙碳”目標的提出，近年來，光伏產業與新能源汽車產業飛速發展，成為社會關注的焦點。2020年10月，國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》明確提出：推動新能源汽車與能源融合發展，鼓勵“光儲充放”多功能綜合一體站建設[1]。在此大背景下，光-儲-充一體化微電網將成為實現光伏發電技術與新能源汽車充電技術融合的重要手段，也將是未來充電停車場設計的重要發展趨勢。

光-儲-充一體化技術是指將光伏發電、儲能系統、能量管理系統及充電系統進行整合，可為新能源汽車提供穩定清潔的能源，并通過智慧能源調度達到最佳經濟效益的1種技術。目前，大部分光-儲-充一體化項目采用晶體硅光伏組件，此類光伏組件的造型單調、缺乏美觀性，且存在一定的安全隱患，不適用于某些城市場景。碲化鎘發電玻璃作為光伏建筑一體化 （BIPV）技術的重要應用材料之一，既可以發電也可以當作建材使用，能與建筑完全融為一體；且其具有透光性好、材質多樣、發電效率高、安全性好等優點。2019年，碲化鎘發電玻璃作為綠色建材入選工信部頒布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》[2]。

基于碲化鎘發電玻璃的光伏建筑一體化技術與光-儲-充一體化技術的結合在國內尚處于前期探索階段，其研究與應用對于新建筑、新材料、新能源行業均具有重要意義。本文以位于成都天府軟件園C區的采用碲化鎘發電玻璃的光-儲-充智慧微電網示范項目為例，從停車場布局設計、BIPV車棚設計、光-儲-充一體化停車場電氣系統設計等方面，提出一套基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場設計方法。以期通過該項目的打造為未來光-儲-充一體化停車場項目建設提供新的思路與方向。

1" 碲化鎘發電玻璃的性能特點

1.1碲化鎘發電玻璃的結構

碲化鎘發電玻璃的結構一般包括玻璃襯底、透明導電氧化（TCO）層、硫化鎘窗口層、碲化鎘吸收層、背接觸層和背電極，具體如圖1所示。

1.2 碲化鎘發電玻璃的性能優勢

在復雜的城市環境中，相較于傳統的晶體硅光伏組件，碲化鎘發電玻璃在光-儲-充一體化項目中的應用具有明顯優勢，主要體現在弱光性好、安全性高、美觀性好及低碳環保4個方面。

1.2.1弱光性好

相較于晶體硅光伏組件，弱光性好是碲化鎘發電玻璃的一大優勢。碲化鎘是直接帶隙材料，其禁帶寬度為1.45 eV[3]，是與地面太陽光譜最匹配的太陽電池吸收層材料，能夠吸收全光譜光線，尤其對散射光的吸收更好。因此，其在夜晚燈光照度強、清晨和傍晚等弱光情況下均能發電。

1.2.2安全性高

在城市環境中，晶體硅光伏組件易受到周邊建筑、電線桿、樹葉等的遮擋而產生熱斑效應，存在安全隱患；而碲化鎘發電玻璃可以有效減少熱斑效應的發生，且其防火性能為A級，具有更高的安全性和穩定性，適用于人員密集的城市環境。

1.2.3美觀性好

碲化鎘發電玻璃可以通過TCO層、超薄背電極實現高透光率，且其外觀效果與普通玻璃無異，而晶體硅光伏組件無法達到類似效果，其美觀性大幅限制了其應用范圍。

通過近年來不斷的迭代與發展，碲化鎘發電玻璃不僅有多種色彩、紋理、透光率可供選擇，還可以根據使用場景定制不同的產品類型，目前國內已經研發出了發電墻、發電瓦、發電磚、發電畫等多種形式的產品。此外，碲化鎘發電玻璃還可以根據造型隨意切割，而晶體硅光伏組件卻無法實現這一點。由此可知，碲化鎘發電玻璃可以完美契合各種特色的建筑造型，更加適用于城市環境。

1.2.4低碳環保

碲化鎘發電玻璃因結構簡潔、生產工藝簡單、原材料消耗少等優勢，其全生命周期內的碳排放量非常低。而晶體硅光伏組件因生產工藝復雜、產業鏈冗長，以PERC晶體硅光伏組件為例，其在全生命周期內的碳排放量約為600" gCO2eq/W，而碲化鎘發電玻璃的碳排放量約為366 gCO2eq/W[4]。由此可見，碲化鎘發電玻璃是一種更為綠色、低碳的光伏產品，在“雙碳”大背景下，其未來的應用發展可期。

1.3碲化鎘發電玻璃的發展現狀

目前，國內可以實現碲化鎘發電玻璃量產的大型廠家主要有3家，分別為龍焱能源科技（杭州）有限公司、成都中建材光電材料有限公司及中山瑞科新能源有限公司；而國外可以實現碲化鎘發電玻璃量產的只有美國的FirstSolar公司[5]。對國內外企業生產的碲化鎘發電玻璃性能進行對比，對比結果如表1所示。

2" 項目案例

2.1項目背景

成都天府軟件園C區光-儲-充智慧微電網示范項目屬于舊停車場改造項目，對園區中56個停車位進行加設充電樁的改造，整體改造面積為2345 m2，旨在打造中國西南地區首個光-儲-充一體化停車場。項目所在地位于天府大道中段與天華二路道路的交界口，由于天府大道是成都市最重要的城市干道，因此該項目對于最后展示的效果有很高的要求，而如何在城市核心區打造一座集形象、安全、綠色、效益為一體的停車場，是本項目需要解決的核心問題。

2.2 停車場現狀

2.2.1周邊環境復雜

停車場周邊樹木高大，路燈破損嚴重，原瀝青路面上的植草磚導致停車位起拱，嚴重影響停車場的使用。項目設計時既需要考慮與周圍建筑風格的協調、對整體環境的改善，同時也要考慮建筑、樹木、電線桿遮擋對光伏組件的影響。

2.2.2人流車流密集

辦公園區內的人員密集，尤其是上下班高峰期，所以停車場的安全性非常重要。整個辦公園區對于充電車位的需求量較大，停車場現有充電車位無法滿足園區需求，且整個辦公園區的停車位緊張，白天基本無空置車位。因此，如何保證在不影響停車場正常使用且保證經濟效益的前提下，合理加設充電樁也是本項目需考慮的重點。

2.3解決方案

2.3.1光-儲-充一體化停車場空間與布局設計

1）停車場功能分區。在保留改造區域原有停車位布局的基礎上，將停車區域劃分為快充區和慢充區。快充區一共35個停車位，通過增加車閘與石墩進行單獨管理、單獨計費，確保需要快充的車輛有充裕的充電車位，不至于被其他慢充車輛占據車位，從而使園區獲得更大的經濟效益；慢充區一共21個停車位，優先供園區內充電車輛使用，必要時也可以提供給非充電車輛使用。

2）停車場車輛進出方式設計。停車場西側與南側均緊鄰園區主要車道，快充區內的道路調整為順時針單向行駛車道，一共設置1個出口與1個入口；而慢充區保留雙向行駛車道，既能保證對快充區的單獨管理，也符合汽車行駛習慣，且不會影響園區內主路的車輛通行。

3）停車場景觀設計。景觀設計的原則是：通過精致的設計提升該區域的整體品質與科技美感，在此基礎上主要從以下4部分進行設計與提升。

①對于停車位部分，將原有的起拱的植草磚停車位更換為混凝土停車位，并根據車位類型賦予不同的藍色，對停車場進行美化。

②對于原瀝青路面，在原瀝青路面上增加彩色熱熔標線，作為行車導向標識，同時也將該區域與外部道路進行空間劃分，如圖2所示。

③在不影響停車位布置的前提下盡量多設置綠化區域，本項目基本以3～4個停車位為間隔布置綠化帶，植被以低矮的灌木結合草本植物，既能提升景觀品質，又不影響車輛停車與通行，如圖3所示。

④本項目將停車場原燈光全部替換，增加光伏路燈、景觀方燈與條形地燈，并在多處布置LOGO景觀燈，打造夜間科技氛圍感，如圖4所示。

2.3.2 BIPV車棚設計

1）碲化鎘發電玻璃產品的選擇。本項目分別從發電量和尺寸兩個角度進行碲化鎘發電玻璃產品的選擇。①在發電量方面，由于碲化鎘發電玻璃會隨著透光度的增加而減少發電量，且彩色碲化鎘發電玻璃的發電量低于黑色碲化鎘發電玻璃的發電量，因此，本項目最終選擇黑色不透明的碲化鎘發電玻璃。②在尺寸方面，目前，國內碲化鎘發電玻璃的標準尺寸有1200 mm×600 mm和1600 mm×1200 mm兩種，碲化鎘發電玻璃的尺寸越大，其背框構件材料越少，經濟性越好；同時，碲化鎘發電玻璃的膠縫越少，BIPV車棚呈現的美觀性也越好。因此，本項目最終選用1600 mm×1200 mm尺寸的碲化鎘發電玻璃。

2）車棚造型與結構設計。本項目車棚造型是整個項目的形象展示重點，旨在打造輕盈、現代、科技感的整體形象。車棚的邊界設計通過折線柔性化處理，打破傳統車棚生硬呆板的形象，使其與周邊建筑群協調共生，與景觀融為一體。車棚的立面通過模塊化三角面的拼接，呈現出“Y”字造型，展現出立體感與科技感。

車棚采用雙層結構，下部為雙向懸挑鋼結構，上部為鋪設了碲化鎘發電玻璃的龍骨鋼結構，碲化鎘發電玻璃既可以發電，又能作為車棚屋頂建材，與車棚結構一體化設計。車棚的外觀圖如圖5所示。

車棚的“Y”字造型可將屋頂雨水收集到車棚中線天溝處，再沿每根柱子中心集水管排至排水系統。車棚上碲化鎘發電玻璃的傾角設計為13°，經過實踐發現，該角度既可以有效排放雨水，也可以利用雨水對碲化鎘發電玻璃表面進行清潔。車棚的“Y”字造型剖面示意圖如圖6所示。

3）碲化鎘發電玻璃安裝節點設計。碲化鎘發電玻璃在車棚頂部安裝時可參考框架式玻璃的安裝方式，每兩塊碲化鎘發電玻璃之間預留一定的縫隙，并利用硅酮密封膠和泡沫條進行密封，防止漏水。碲化鎘發電玻璃與背框緊密粘貼，背框與支撐結構通過螺釘連接，支撐結構與車棚下部主體鋼結構焊接。為防止碲化鎘發電玻璃變形破裂，背框中間增加了加強筋。

4）車棚的位置與范圍。由于周圍環境較為復雜，陰影遮擋會對碲化鎘發電玻璃的發電效率造成較大影響。停車場東側的樹木十分茂盛，樹徑10 m左右，樹高12 m左右，東側樹木對車棚的遮擋非常嚴重，若將樹木全部移栽，對園區景觀影響較大，但停車場西側的樹木較少，場地較為開闊，因此車棚最好靠近西側區域布置。通過對現場環境進行日照模擬分析后發現，僅西側兩排車位基本無陰影遮擋，適合布置BIPV車棚。綜上考慮，車棚的布置范圍確定為西側兩排車位的上方，東側不布置車棚。現場環境的日照模擬分析結果如圖7所示。

2.3.3光-儲-充一體化停車場的電氣系統設計

1）光伏發電系統設計。本光伏發電系統一共使用200塊功率為260 W的碲化鎘發電玻璃，單塊碲化鎘發電玻璃尺寸為1600 mm×1200 mm，總裝機容量為52 kW；在車棚東西兩側各布置100塊碲化鎘發電玻璃。

項目所在地的年水平面太陽總輻照量為937 kWh/m2，屬于中國太陽能資源不豐富的地區之一，結合日照條件與碲化鎘發電玻璃方位角，在上述碲化鎘發電玻璃安裝情況下，利用PVsyst軟件對BIPV車棚的首年發電量進行預測，預測結果如表2所示。

由表2可知：該車棚的首年發電量為40831 kWh。碲化鎘發電玻璃的電壓較高、電流較低，開路電壓為160～230 V，工作電流為1～4 A。由于碲化鎘發電玻璃的電壓較高，因此光伏組串串聯的碲化鎘發電玻璃數量較少，本項目將5塊碲化鎘發電玻璃串成1個光伏組串。由于光伏方陣的出線電流較低，在其直流側增加匯流設備，然后各組串單元通過DC/AC逆變器接入光-儲-充智慧微電網箱變。

2）儲能系統設計。儲能系統是指集成儲能電池、儲能變流器（PCS）、能量管理系統與消防溫控等單元的一體化系統[6]，其一般集成于小型集裝箱內。本項目通過計算設置了儲能容量為150 kWh的梯次電池儲能箱，通過對儲能電量進行優化配置，為各種使用場景提供電能。

3）能量管理系統設計。能量管理系統通過控制中心數據采集和管理，并通過監視、控制和優化設備的功能配置，保障停車場的高效穩定運行、減小能源消耗，從而保證經濟效益最大化[7]。為了使停車場的購電成本最低，本項目設置了多場景使用模式，能量管理系統可根據場景的變化迅速切換到光伏發電、儲能系統、充電樁協同下的最優運行模式[8]。

4）充電樁設計。充電樁是通過掃碼與用戶進行交互的設備，其包含了智能監控和智能計量功能，將計量信息上傳至能量管理系統，能量管理系統根據充電樁的電量狀況向光伏發電系統或儲能系統發送充電信號，從而為充電樁提供經濟、穩定的能源。本項目為56個車位安裝了充電樁，并配置了1臺1250 kVA和1臺500 kVA的充電箱變。充電樁分為直流快充充電樁與交流慢充充電樁兩種。其中，直流快充充電樁共配置33臺120 kW直流充電樁與2臺480 kW液冷超級充電樁（5 min+200 km續航），交流慢充充電樁共配置4臺V2G充放電終端充電樁、10臺20 kW終端充電樁與7臺7 kW交流充電樁。

2.4" 應用效果分析

1）形象效果。BIPV車棚的設計充分發揮了碲化鎘發電玻璃作為BIPV材料的優勢，打破了傳統車棚先做屋面再加設光伏組件的做法，不僅節省了車棚屋面成本，同時讓整個造型更加現代、簡潔、極具視覺沖擊力。每當夜晚來臨，彩色停車位、燈光、互動顯示屏等細節設計將整個片區的科技氛圍感體現得淋漓盡致，吸引了大量人群到此拍照、打卡，具有成功的形象效果。

2）經濟效益。本BIPV車棚的預計首年發電量約為40831 kWh，25年預測總發電量為96.74萬kWh。根據GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》的規定，薄膜光伏組件的首年衰減率應低于5%，之后每年衰減應低于0.7%。由此計算得出25年之后碲化鎘發電玻璃發電效率仍為其初始發電效率的80%以上，既可以繼續發電，也可以當作建材繼續使用，為園區帶來持續穩定的收益。

3）減碳成效。由于碲化鎘發電玻璃的結構簡單、生產工藝簡單、原材料消耗少，從生產到投運后全生命周期的碳排放量均非常低。通過25年數據分析發現，該BIPV車棚25年的碳減排量為964 t，可折合310 t標準煤，可降低約3 t的SO2排放量、降低約4 t的NOx排放量。

3" 結論

本文以位于成都天府軟件園C區的基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充智慧微電網示范項目為例，從停車場布局設計、BIPV車棚設計、光- 儲-充一體化停車場電氣系統設計等方面，提出了一套基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場設計方法，結果顯示：基于碲化鎘發電玻璃的光-儲-充一體化停車場擁有良好的環境效益、經濟效益和社會效益，具有非常好的推廣價值。

本文結合案例分析得出通過合理的停車場空間與布局設計、車棚設計、電氣系統設計，并充分利用碲化鎘發電玻璃的材料特性，可以為城市打造帶來更加安全、實用、美觀的光-儲-充一體化停車場，既可以解決城市的新能源汽車充電問題，又提了城市環境品質，一舉多得。

[參考文獻]

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[2] 工業和信息化部.重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）[EB/OL].（2019-12-03）. https：//www.miit.gov.cn/cms_files/filemanager/oldfile/miit/n1146295/n1652858/n1652930/n4509627/c7552898/part/7553598.pdf.

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Design and research on PV-storage-charging integrated

parking lot based on CdTe power glass

Li Shiqiu，Jiang Rui，Qing Peng，Liu Lin

（Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute Co.， Ltd，Chengdu 610000，China）

Abstract： In recent years，with the continuous increase in the number of new energy vehicles，traditional parking lots are facing the problem of a large number of charging pile renovations. The development of PV-storage-charging integrated parking lot has become a trend. Traditional PV-storage-charging integrated parking lot projects generally use crystalline silicon PV modules，but in urban environments，crystalline silicon PV modules have problems such as insufficient aesthetics and safety hazards. CdTe power generation glass，due to its dual properties of building materials and power generation，and its combination of aesthetics and safety，is more suitable for urban environments. This paper takes the demonstration project of a PV-storage-charging smart microgrid based on CdTe power glass located in Zone C of Chengdu Tianfu Software Park as an example. From the aspects of parking lot layout design，BIPV carport design，and PV-storage-charging integrated parking lot electrical system design，a set of PV-storage-charging integrated parking lot design methods based on CdTe power glass is proposed，aiming to provide clean and stable energy for the city while beautifying the urban environment. Research has shown that the PV-storage-charging integrated parking lot based on CdTe power glass has good environmental，economic，and social benefits，and has great promotion value.

Keywords： PV-storage-charging integrated；BIPV；CdTe power glass；parking lot design