董 力，王?？?，范新宇，張喜山

(1. 中國(guó)節(jié)能減排有限公司，北京 100011；2. 國(guó)能科環(huán)新能源有限責(zé)任公司，北京 100039； 3. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，沈陽(yáng) 110168；4. 國(guó)家能源集團(tuán)綠色能源與建筑研究中心，北京 102211)

0 引言

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)宣布：中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年9月22日至2021年4月22日，習(xí)近平主席至少在9次國(guó)際會(huì)議、3次國(guó)內(nèi)會(huì)議及考察福建省時(shí)的講話中先后闡述了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)、意義、政策、措施、行動(dòng)等內(nèi)容[1]，因此，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和已上升為國(guó)家戰(zhàn)略和基本國(guó)策。而建筑領(lǐng)域是中國(guó)碳排放“大戶”，2018年，中國(guó)建筑的全過(guò)程碳排放總量為49.3億t，占全國(guó)碳排放總量的比重為51.3%；其中，建筑運(yùn)行階段的碳排放量為21.1億t，占全國(guó)碳排放總量的比重為21.9%[2]。建筑領(lǐng)域的“降碳減排”不僅對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)至關(guān)重要，而且對(duì)推進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)和能源系統(tǒng)向低碳化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

建筑光伏一體化(BIPV)是將光伏發(fā)電產(chǎn)品融合到建筑材料和建筑構(gòu)件上的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)是在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面集成光伏組件，一方面，可通過(guò)光伏發(fā)電為建筑提供電力能源；另一方面，作為建筑結(jié)構(gòu)的功能部分，可取代部分傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，比如屋頂板、幕墻、窗戶、遮陽(yáng)棚等。BIPV技術(shù)可把建筑由能源消耗型的用戶轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉瓷a(chǎn)型的新興力量，通過(guò)光伏發(fā)電與建筑的融合，最大化利用清潔能源，且BIPV組件的發(fā)電過(guò)程充分利用建筑物屋頂和立面的垂直空間，不額外占用土地，降低了建筑能耗，進(jìn)而可減少建筑運(yùn)行階段的碳排放量。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)家能源集團(tuán)的彩色銅銦鎵硒(CIGS)光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于建筑光伏一體化(BIPV)的科技示范項(xiàng)目——海南省陵水縣珊瑚宮殿商業(yè)中心光伏示范建筑(下文簡(jiǎn)稱為“彩色CIGS-BIPV示范建筑”)的建設(shè)和運(yùn)行情況進(jìn)行了分析，研究了彩色光伏幕墻在商業(yè)建筑的布局、彩色光伏建筑外觀的設(shè)計(jì)表達(dá)、彩色CIGS-BIPV組件的設(shè)計(jì)制造、彩色CIGS-BIPV組件在光伏幕墻的排布、彩色CIGS-BIPV組件的構(gòu)造體系和光伏幕墻裝配方法等技術(shù)，對(duì)彩色CIGS-BIPV技術(shù)路線進(jìn)行了探索。

1 彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墻的設(shè)計(jì)

1.1 彩色CIGS-BIPV示范建筑的概況

本文研究的彩色CIGS-BIPV示范建筑屬于海南省陵水縣珊瑚宮殿地產(chǎn)項(xiàng)目，該地產(chǎn)項(xiàng)目由碧桂園集團(tuán)開(kāi)發(fā)，位于中國(guó)海南省海南島南端的海棠灣和清水灣之間，依山面海。彩色CIGS-BIPV示范建筑的本體為珊瑚宮殿商業(yè)中心，該商業(yè)中心位于珊瑚宮殿地產(chǎn)項(xiàng)目的核心區(qū)域，為地上4層、地下2層的商業(yè)綜合體建筑，其商業(yè)功能包括超市、商鋪、影院等；商業(yè)中心的占地面積為23482 m2，總建筑面積為51739 m2；商業(yè)中心分為3個(gè)體量，中部為商業(yè)步行街；建筑的總體風(fēng)格為現(xiàn)代風(fēng)格，外形呈不規(guī)則曲線，造型活潑。

1.2 光伏幕墻的布局設(shè)計(jì)

示范建筑的外立面朝向多變，這對(duì)光伏幕墻的布局設(shè)計(jì)并不友好。光伏幕墻的布局設(shè)計(jì)需要達(dá)到光伏幕墻發(fā)電效率最大化、商業(yè)功能適用、建筑形象美觀三者之間的平衡。為達(dá)到這一平衡，通過(guò)日照分析軟件建立示范建筑外立面的日照情況模型，模擬分析示范建筑各外立面在不同季節(jié)、不同時(shí)段的日照情況。該示范建筑在典型日不同時(shí)段時(shí)的日照情況模擬圖如圖1所示。

根據(jù)圖1示范建筑的日照情況模擬結(jié)果，最終選擇太陽(yáng)輻照度較好、不影響建筑商業(yè)性表達(dá)、視覺(jué)效果顯著的建筑東南側(cè)外墻、西南側(cè)外墻及中部女兒墻采用光伏幕墻形式。光伏幕墻在該建筑上的布局位置(圖中綠色部分)示意圖如圖2所示。

1.3 光伏幕墻的色彩表達(dá)設(shè)計(jì)

由于彩色CIGS-BIPV示范建筑地處碧海藍(lán)天的地域環(huán)境，營(yíng)造海洋文化特色和繁華的商業(yè)氛圍是該建筑外觀設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。因此，以海洋和藍(lán)天為主題對(duì)該光伏幕墻進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了藍(lán)灰色系的光伏幕墻色彩表達(dá)方案。該方案以藍(lán)灰色進(jìn)行搭配，并降低色彩飽和度，形成3種偏藍(lán)色的冷灰組合，既突出了建筑本身的色彩特征，又與絢麗的商業(yè)廣告形成了圖底關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了建筑與商業(yè)招牌的整體性與協(xié)調(diào)性；同時(shí)，此方案還可以與建筑內(nèi)各層外露的立體綠化和諧共存，使整個(gè)彩色CIGS-BIPV示范建筑自然有機(jī)地融入地域環(huán)境中[3]。

該光伏幕墻由彩色CIGS-BIPV組件排布形成，主色調(diào)統(tǒng)一，多色彩結(jié)合，使其成為該示范建筑的特色之一，并有效提升了建筑的整體形象。彩色CIGS-BIPV示范建筑采用藍(lán)灰色系時(shí)的設(shè)計(jì)效果圖如圖3所示。

2 彩色CIGS-BIPV組件的開(kāi)發(fā)

2.1 彩色CIGS-BIPV組件的技術(shù)特點(diǎn)

CIGS薄膜太陽(yáng)電池的吸收層是Cu(In，Ga)Se2四元化合物，屬于直接帶隙半導(dǎo)體；該吸收層的光吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1量級(jí)、厚度可降至1～2 μm之間。CIGS薄膜太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到23.35 %[4]，是具有廣泛應(yīng)用前景的太陽(yáng)電池技術(shù)。

CIGS薄膜太陽(yáng)電池的原色為純黑色，但純黑色的光伏組件難以滿足建筑形象的多樣化需求。為此，國(guó)家能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)出了可以滿足建筑形象多樣化需求的彩色CIGS-BIPV組件。彩色CIGS-BIPV組件是通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝對(duì)該組件的封裝玻璃蓋板進(jìn)行著色，形成分布均勻的色點(diǎn)，再以CIGS薄膜太陽(yáng)電池本身的黑色作為底色，從而疊加形成多種色彩表達(dá)。

采用該技術(shù)制作的彩色CIGS-BIPV組件具有以下特點(diǎn)：

1)可通過(guò)印刷色點(diǎn)顏色的變化來(lái)調(diào)整彩色CIGS-BIPV組件的色相和飽和度；2)可通過(guò)印刷色點(diǎn)的疏密來(lái)控制彩色CIGS-BIPV組件的明暗度；3)可以利用RAL等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)色，從而實(shí)現(xiàn)彩色CIGS-BIPV組件的大規(guī)模量產(chǎn)。

2.2 彩色CIGS-BIPV組件參數(shù)

根據(jù)本彩色CIGS-BIPV示范建筑中光伏幕墻的色彩表達(dá)設(shè)計(jì)，國(guó)家能源集團(tuán)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件，實(shí)物圖如圖4所示；3種彩色CIGS-BIPV組件的主要參數(shù)如表1所示。

表1 3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

圖4 3種藍(lán)灰色系的彩色CIGS-BIPV組件實(shí)物圖Fig. 4 Photo of three kinds of colored CIGS-BIPV modules in blue-gray system

3 彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑中的應(yīng)用

3.1 彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計(jì)

由于不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的光電轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)參數(shù)不同，若將不同技術(shù)參數(shù)的彩色CIGS-BIPV組件串聯(lián)在1個(gè)光伏組串中，光伏組串整體的發(fā)電效率會(huì)受制于其中光電轉(zhuǎn)換效率最低的彩色CIGS-BIPV組件，形成木桶效應(yīng)。因此，在該彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計(jì)需要與光伏組串的連接方式相協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)光伏幕墻發(fā)電效率的最大化。

基于此，彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計(jì)采用條帶式排布方案，該方案主要包括以下內(nèi)容：

1)將相同顏色、相同技術(shù)參數(shù)的彩色CIGSBIPV組件串聯(lián)在同一個(gè)光伏組串，以提高光伏幕墻的發(fā)電效率；

2)同一個(gè)光伏組串內(nèi)，同色的彩色CIGSBIPV組件緊鄰排布，包括橫向、豎向、斜向或面區(qū)，便于安裝，并可節(jié)約連接電纜；

3)以光伏組串為單位進(jìn)行色彩錯(cuò)位排布，以滿足彩色CIGS-BIPV示范建筑外觀的色彩變化和視覺(jué)表達(dá)；

4)光伏組串的排布需考慮建筑形式的要求，并注意光伏組串排布與建筑模數(shù)之間的關(guān)系，以平衡彩色CIGS-BIPV組件的發(fā)電功能和建筑形式的要求。

彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑不同外墻上的排布設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 彩色CIGS-BIPV組件在示范建筑中的排布設(shè)計(jì)圖Fig. 5 Layout design of colored CIGS-BIPV modules in the demonstration building

彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGSBIPV組件與電氣系統(tǒng)的連接方式如圖6所示。

圖6 在彩色CIGS-BIPV示范建筑中，彩色CIGS-BIPV組件與電氣系統(tǒng)的連接方式圖Fig. 6 Connection mode diagram between colored CIGS-BIPV modules and electrical system in the colored CIGS-BIPV demonstration building

a. 東南側(cè)建筑外墻墻面的彩色CIGS-BIPV組件的排布設(shè)計(jì)(單位：mm)

3.2 光伏幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式大致可分為明框式、隱框式(包括全隱框式和半隱框式)、全玻式和點(diǎn)支式[5]。除全玻式和點(diǎn)支式結(jié)構(gòu)形式外，其他幾種結(jié)構(gòu)形式都是通過(guò)副框和壓塊的方式將玻璃板塊固定在玻璃幕墻的龍骨上。

BIPV組件可以看做是能發(fā)電的玻璃板塊。采用明框式結(jié)構(gòu)形式時(shí)，是將BIPV組件鑲嵌在副框內(nèi)部，作為扣蓋部分的型材會(huì)在BIPV組件上產(chǎn)生陰影，從而會(huì)影響整個(gè)光伏幕墻的發(fā)電效率。采用隱框式結(jié)構(gòu)形式時(shí)，是采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠將BIPV組件粘結(jié)固定在副框上；但該結(jié)構(gòu)形式一方面存在結(jié)構(gòu)密封膠與BIPV組件之間有效粘結(jié)強(qiáng)度的問(wèn)題，另一方面存在結(jié)構(gòu)密封膠與BIPV組件的發(fā)電薄膜接觸會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)誘導(dǎo)衰減(PID)效應(yīng)，從而導(dǎo)致光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率降低的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，按照國(guó)家有關(guān)玻璃幕墻安全防護(hù)的規(guī)定，人員密集、流動(dòng)性大的商業(yè)中心、公共文化體育設(shè)施等場(chǎng)所嚴(yán)禁采用全隱框式玻璃幕墻[6]，從而限制了全隱框式結(jié)構(gòu)形式的使用范圍。

綜上所述，結(jié)合BIPV組件的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了新型鋁合金副框來(lái)連接、固定BIPV組件，形成一種介于明框式與隱框式之間的小邊框結(jié)構(gòu)形式[7]。該結(jié)構(gòu)形式具有以下特點(diǎn)：

1)由專用的雙面貼來(lái)粘貼BIPV組件和副框，BIPV組件的發(fā)電薄膜不接觸副框，從而可避免PID效應(yīng)的產(chǎn)生；

2)副框邊緣按照BIPV組件的特性來(lái)設(shè)計(jì)，避開(kāi)了BIPV組件的發(fā)電薄膜區(qū)域，并進(jìn)行倒角處理，因此邊框不會(huì)產(chǎn)生陰影遮擋；

3)副框的形狀和尺寸實(shí)現(xiàn)了接線盒避位；

4)副框采用定距壓塊連接的構(gòu)造，滿足了光伏幕墻的受力要求，同時(shí)還可以吸收安裝誤差和平面變形；

5)由于副框與BIPV組件的玻璃側(cè)面和邊緣不發(fā)生剛性接觸，因此使BIPV組件在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中能得到很好地保護(hù)。

小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框截面和副框陰影、接線盒避位示意圖如圖7所示。

圖7 小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框截面和 副框陰影、接線盒避位示意圖Fig. 7 Schematic diagram of aluminum alloy sub frame section， shadow of sub frame and junction box avoidance in the small frame structure form

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了小單元構(gòu)造體系，即彩色CIGS-BIPV組件小單元與龍骨通過(guò)小邊框結(jié)構(gòu)形式的鋁合金副框固定。小單元構(gòu)造體系下，每個(gè)彩色CIGS-BIPV組件可以單獨(dú)拆卸與安裝，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。彩色CIGS-BIPV組件安裝時(shí)的橫剖節(jié)點(diǎn)示意圖如圖8所示，彩色CIGS-BIPV幕墻的裝配示意圖如圖9所示。

圖8 彩色CIGS-BIPV組件安裝時(shí)的橫剖節(jié)點(diǎn)示意圖(單位：mm)Fig. 8 Schematic diagram of cross sectional node of colored CIGS-BIPV module during installation (Unit: mm)

圖9 彩色CIGS-BIPV幕墻的裝配示意圖Fig. 9 Assembly diagram of colored CIGS-BIPV curtain wall

3.3 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建設(shè)效果

珊瑚宮殿商業(yè)中心共安裝彩色CIGS-BIPV組件1167塊，總裝機(jī)容量為89.0268 kW。不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的具體安裝數(shù)量如表2所示。

表2 不同顏色的彩色CIGS-BIPV組件的 具體安裝數(shù)量Table 2 Specific installation quantity of colored CIGS-BIPV modules in different colors

該彩色CIGS-BIPV示范建筑在2019年11月建設(shè)完成并通過(guò)驗(yàn)收，之后投入運(yùn)行且順利并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過(guò)1年多的連續(xù)運(yùn)行發(fā)電，該示范建筑在各種氣候、環(huán)境乃至極端天氣下均可安全、可靠的運(yùn)行。彩色CIGS-BIPV組件正常發(fā)電時(shí)，示范建筑的建設(shè)效果圖如圖10所示。

圖10 彩色CIGS-BIPV示范建筑的建設(shè)效果圖Fig. 10 Photo of construction effect of colored CIGS-BIPV demonstration building

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)珊瑚宮殿商業(yè)中心彩色CIGSBIPV示范建筑的建設(shè)和運(yùn)行情況進(jìn)行研究，驗(yàn)證了彩色CIGS-BIPV組件可以滿足建筑形象多樣化的需求，采用其打造的彩色CIGS-BIPV建筑具有很好的形象表達(dá)和更高的審美價(jià)值。該示范項(xiàng)目取得了以下成果：

1)開(kāi)發(fā)出了彩色CIGS光伏發(fā)電技術(shù)在BIPV中的應(yīng)用技術(shù)，探索了彩色CIGS-BIPV模式的新型分布式能源技術(shù)路線；

2)設(shè)計(jì)了彩色CIGS-BIPV示范建筑方案，很好地表達(dá)出了示范建筑環(huán)境特征和文化特色的需要，實(shí)現(xiàn)了光伏幕墻發(fā)電效率、建筑形象色彩表達(dá)、建筑模數(shù)三者之間的平衡。

3)建立了彩色CIGS-BIPV組件的構(gòu)造體系，可滿足施工安裝需求，不影響光伏幕墻發(fā)電效率，且運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。