齊鵬飛 謝春梅 王焜 潘妃敏 楊萬(wàn)

（1. 中山瑞科新能源有限公司 中山 528437；2. 青海省創(chuàng)業(yè)發(fā)展孵化器有限公司 西寧 810000；3. 青海明陽(yáng)新能源有限公司 西寧 817000）

0 引言

我國(guó)“十四五”規(guī)劃中，強(qiáng)調(diào)碳中和及綠色生態(tài)的建立，倡導(dǎo)更合理的能源配置，未來(lái)將進(jìn)一步推動(dòng)綠色能源及節(jié)能減排的發(fā)展。另外，我國(guó)提出了“2030年碳達(dá)峰”和“2060年碳中和”的目標(biāo)，從具體細(xì)化到各領(lǐng)域來(lái)看，我國(guó)建筑碳排放量占總碳排放量的1/3以上，每年我國(guó)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(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，解決建筑碳減排將是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑。而太陽(yáng)能作為一種新型能源，具有安全、可再生的特點(diǎn)，是未來(lái)最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色環(huán)保能源。光伏建筑一體化可以有效利用太陽(yáng)能代替其他高碳排放能源，將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與建筑物結(jié)合，利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)優(yōu)先提供建筑自身用電，或可以向電網(wǎng)供電，緩解電網(wǎng)電力供需緊張的壓力，具有極大的社會(huì)效益。

1 光伏建筑一體化現(xiàn)狀

2019年和2020年全球光伏建筑一體化裝機(jī)總量分別達(dá)1.15 GW和2.3 GW，約占全球光伏總裝機(jī)量的1%，仍處于大規(guī)模發(fā)展前的起步階段，未來(lái)發(fā)展空間巨大。歐洲和中國(guó)為主要的光伏建筑一體化市場(chǎng)，據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)光電建筑專委會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)2020年光伏建筑一體化裝機(jī)容量已達(dá)709 MW，總安裝面積為377.4萬(wàn)m2，約占全球光伏建筑一體化總裝機(jī)量的70%。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為光伏發(fā)電與建筑設(shè)計(jì)一體化技術(shù)的應(yīng)用提供了更為豐富的技術(shù)手段，使得傳統(tǒng)模式下難以完成的光伏發(fā)電任務(wù)具備了更大的可行性，將光伏構(gòu)件作為建筑材料便是其中重要路徑之一。我國(guó)新增建筑面積不斷擴(kuò)大，光伏建筑一體化市場(chǎng)潛力巨大；也有不少地區(qū)政策相繼出臺(tái)，鼓勵(lì)光伏建筑一體化項(xiàng)目的落地。光伏建筑一體化是將建筑物與太陽(yáng)能CdTe薄膜電池組件實(shí)現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合，不是兩者普通的疊加，而是以環(huán)保、節(jié)能、美觀實(shí)用為原則，在滿足建筑使用的條件下，實(shí)現(xiàn)綠色建筑的目標(biāo)，有效助力“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的達(dá)成。

2 光伏建筑一體化應(yīng)用示范

2.1 工程概況

CdTe薄膜電池組件建筑一體化應(yīng)用示范項(xiàng)目位于青海省西寧市，當(dāng)?shù)毓庹召Y源豐富，水平面接收太陽(yáng)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?？萍即髲B建筑相結(jié)合，在建筑物層間安裝CdTe薄膜電池組件代替玻璃，構(gòu)成了光伏建筑一體化示范項(xiàng)目。本項(xiàng)目在多個(gè)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(jī)容量為281.838 kWp。CdTe薄膜電池組件經(jīng)日光照射后，產(chǎn)生直流電，通過(guò)串并聯(lián)后接入逆變器，經(jīng)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)允許的交流電后接入電網(wǎng)，所發(fā)電量自發(fā)自用，余電上網(wǎng)。

2.2 CdTe薄膜電池組件選型

CdTe薄膜電池組件主要是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到直流電能的轉(zhuǎn)換，是光伏系統(tǒng)的發(fā)電單元。本項(xiàng)目對(duì)太陽(yáng)能電池組件選擇主要從幾方面進(jìn)行考慮：

①?gòu)慕ㄖ镎w外觀和實(shí)用性出發(fā)，外觀符合建筑物設(shè)計(jì)要求，光伏建筑一體化設(shè)計(jì)會(huì)使得建筑更富有生機(jī)，環(huán)保綠色的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)建筑與自然的結(jié)合。

②太陽(yáng)能電池組件的強(qiáng)度滿足建筑結(jié)構(gòu)的要求，固定組件的方式及安全性符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；保證建筑物安全使用。

③太陽(yáng)能電池組件適用條件應(yīng)符合高寒高海拔地區(qū)使用，當(dāng)?shù)刈贤饩€強(qiáng)度較強(qiáng)，空氣較稀薄，晝夜溫差較大，對(duì)太陽(yáng)能組件使用環(huán)境要求較高，需保證其壽命及安全運(yùn)行。

本項(xiàng)目使用夾膠中空CdTe薄膜電池組件，組件通過(guò)顏色配置（黑色）能滿足建筑物設(shè)計(jì)要求，具有弱光效應(yīng)好、溫度系數(shù)相對(duì)低、對(duì)光線入射角和溫度不敏感等優(yōu)勢(shì)；高度滿足立面安裝要求；“熱斑效應(yīng)”影響小；抗局部遮擋和落灰；避免CdTe薄膜電池組件因?yàn)闊岚咴斐善渌绊?，發(fā)電量也相對(duì)較高。在玻璃幕墻內(nèi)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(tǒng)隔音、降噪、隔熱效果的同時(shí)，具備光伏發(fā)電功能，最大限度利用太陽(yáng)能光照資源，有針對(duì)性地達(dá)到綠色節(jié)能的良性效果。

2.3 組串設(shè)計(jì)

對(duì)逆變器而言，逆變器轉(zhuǎn)換效率受電壓的影響，過(guò)低或者過(guò)高都會(huì)導(dǎo)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(dāng)時(shí)，逆變器的轉(zhuǎn)換效率最高，發(fā)電效率最佳。本項(xiàng)目使用0.4 kV并網(wǎng)，組件標(biāo)準(zhǔn)條件下額定電壓為94.4 V；綜合考慮項(xiàng)目地理?xiàng)l件、溫度、項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)CdTe薄膜電池組件排布情況和逆變器參數(shù)、效率等；同時(shí)根據(jù)高寒高海拔地區(qū)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(yáng)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(fā)電量損失，不同立面的組件不能形成一個(gè)組串；根據(jù)建筑物立面太陽(yáng)能電池組件排布情況，本項(xiàng)目每個(gè)組串的組件數(shù)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(dǎo)致組件功率也有不同。為不互相影響發(fā)電量和日后對(duì)本項(xiàng)目發(fā)電量采集與總結(jié)，本項(xiàng)目使用多臺(tái)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(yáng)能電池受到光強(qiáng)以及環(huán)境等外界因素的影響，其輸出功率是變化的，光強(qiáng)比較強(qiáng)發(fā)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(yáng)能電池，使之運(yùn)行在最大功率點(diǎn)上。

2.4 發(fā)電量模擬及探討

2.4.1 青海省西寧市光資源情況

項(xiàng)目地位于東經(jīng)101.84°，北緯36.58°；當(dāng)?shù)毓赓Y源數(shù)據(jù)取自Meteonorm 7.2氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，見(jiàn)表1。

表1 青海省西寧市光照資源情況

2.4.2 總體模擬數(shù)據(jù)情況

依據(jù)項(xiàng)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(shè)模型對(duì)發(fā)電量進(jìn)行模擬，如圖1所示。

圖1 建筑排布整體模型圖

通過(guò)模擬，得到各立面發(fā)電情況數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。

圖2 項(xiàng)目各立面年均發(fā)電量

由模擬數(shù)據(jù)可知，南立面年均發(fā)電量為75073.02 kWh，北立面年均發(fā)電量為19903.83 kWh，東立面年均發(fā)電量為55669.03 kWh，西立面年均發(fā)電量為53712.81 kWh，本項(xiàng)目預(yù)測(cè)年均總發(fā)電量為20.4萬(wàn)kWh。

由于各立面輻照度不一樣，各立面發(fā)電數(shù)據(jù)相差較大，南、北、東、西各面通過(guò)發(fā)電量計(jì)算的發(fā)電效率分別為86.38%、73.81%、85.72%、84.50%；且四個(gè)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(shí)間見(jiàn)表2。

表2 各立面平均有效峰值日照時(shí)間

本項(xiàng)目各立面單瓦功率預(yù)測(cè)發(fā)電量如圖3所示。

圖3 各立面單瓦功率年發(fā)電量

通過(guò)項(xiàng)目模擬預(yù)測(cè)發(fā)電量，本項(xiàng)目南立面發(fā)電量較高，經(jīng)濟(jì)效益較高。青海省西寧市輻照度較強(qiáng)，根據(jù)QX/T 89－2008《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》，以太陽(yáng)能年總輻射量為指標(biāo)，按照太陽(yáng)能年輻射總量從高到低，對(duì)太陽(yáng)能的豐富程度劃分為4個(gè)等級(jí)，具體如表3所示?？芍搮^(qū)域太陽(yáng)能資源豐富程度等級(jí)為資源“很豐富帶”，適合建設(shè)光伏項(xiàng)目。

表3 中國(guó)太陽(yáng)輻射資源區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

從本項(xiàng)目發(fā)電量模擬數(shù)據(jù)來(lái)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(fā)電量相對(duì)高。但北面太陽(yáng)輻射損失較大，接收的太陽(yáng)輻射較小，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，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(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，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(chǎn)生電能，減輕高峰時(shí)電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)能有效調(diào)節(jié)室內(nèi)采光、溫度等。通過(guò)將光伏建筑一體化應(yīng)用在大樓中，不僅能夠起到節(jié)能環(huán)保的作用，還能夠?yàn)楫?dāng)?shù)靥峁┣鍧嵉碾娔芤约霸鎏盹L(fēng)景的作用。但是這種系統(tǒng)還面對(duì)許多問(wèn)題，如初期投入高、安裝及維護(hù)難度高、組件形狀不一、建筑物凹凸造型等影響，都需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量使這些優(yōu)缺點(diǎn)達(dá)到平衡，選擇合適的系統(tǒng)設(shè)備。我們堅(jiān)信，光伏建筑一體化在不久的將來(lái)能成為建筑節(jié)能及綠色建筑領(lǐng)域的重要表現(xiàn)形式和組成部分。