董 力

(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)

0 引言

2018年，在中國(guó)，建筑運(yùn)行階段的能源消耗為1×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費(fèi)總量的21.7%；建筑運(yùn)行階段排放的二氧化碳為21.1×108t，占碳排放總量的21.9%[1]。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化率持續(xù)快速提升[2]，建筑領(lǐng)域逐漸取代其他工業(yè)部門(mén)，成為能源消耗和碳排放大戶。建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)向低碳化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

光伏發(fā)電具有不產(chǎn)生污染和噪音、無(wú)溫室氣體和有害氣體排放等優(yōu)勢(shì)。建筑光伏一體化(BIPV)是將光伏產(chǎn)品融合到建筑材料和構(gòu)件上。在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面集成的光伏組件，一方面可將光伏組件所發(fā)電力供建筑使用或輸送到公共電網(wǎng)；另一方面光伏組件也可作為建筑結(jié)構(gòu)不可分割的功能部分，取代部分傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)，比如：屋頂板、幕墻、窗戶、遮陽(yáng)棚等。BIPV是光伏產(chǎn)業(yè)與建筑行業(yè)緊密融合、建筑主動(dòng)節(jié)能減碳的重要途徑[3-4]。

國(guó)家能源集團(tuán)與碧桂園集團(tuán)在廣東省的惠州市潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)合作打造了銅銦鎵硒建筑光伏一體化(CIGS-BIPV)示范項(xiàng)目，該示范項(xiàng)目為銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件全覆蓋式的BIPV示范建筑。本文對(duì)該示范項(xiàng)目中的示范建筑不同朝向立面上的CIGS薄膜光伏組件在夏季、冬季典型日的發(fā)電量特點(diǎn)和變化規(guī)律進(jìn)行分析，以期為采用薄膜光伏組件的BIPV項(xiàng)目和低緯度沿海地區(qū)的光電建筑應(yīng)用提供借鑒。

1 CIGS-BIPV示范建筑介紹

1.1 示范建筑概況

惠州市潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)位于深圳、東莞、惠州三市交界處，地處粵港澳大灣區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)。本示范項(xiàng)目共包括3棟CIGS-BIPV示范建筑，分別為2#樓、6#樓和7#樓，均位于園區(qū)的核心位置。其中：2#樓為園區(qū)智慧控制中心，共5層，總建筑面積為3964 m2；6#樓和7#樓均是3層的辦公樓，建筑面積分別為853 m2和991 m2。3棟示范建筑的方位均是以正南為0°向東偏轉(zhuǎn)42.77°，即建筑物的四面朝向分別為東南(-42.77°)、西南(47.23°)、東北(-132.77°)、西北(137.23°)。2#樓和6#樓在建筑的東南側(cè)、西南側(cè)、東北側(cè)這3個(gè)建筑立面安裝CIGS薄膜光伏組件；7#樓在建筑的東南側(cè)和西南側(cè)安裝CIGS薄膜光伏組件。3棟示范建筑在園區(qū)的位置如圖1所示，CIGS薄膜光伏組件的安裝效果圖如圖2所示。

圖1 3棟示范建筑在園區(qū)的位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of location of three demonstration buildings in the park

圖2 CIGS薄膜光伏組件的安裝效果圖Fig. 2 Installation rendering of CIGS thin film PV modules

1.2 示范建筑所在地氣候與太陽(yáng)輻照資源

示范建筑位于23.08°N、114.20°E；地處東江中下游平原，靠近南海海域，海拔高度為42 m。所在地氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ蠹撅L(fēng)氣候區(qū)，冬暖夏熱，年平均氣溫為22.0 ℃；雨量充沛，年均降雨量為1936.0 mm，干、濕季節(jié)分明，降水集中在3～9月，10月～次年2月多為晴朗天氣。

以廣泛應(yīng)用于能源行業(yè)的氣象軟件Meteonorm提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并利用距離項(xiàng)目所在地較近的氣象站多年的觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)對(duì)Meteonorm提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到項(xiàng)目所在地的地面月均太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖3可以看出：5～10月(夏秋季節(jié))時(shí)，項(xiàng)目所在地的地面月均太陽(yáng)輻照量處于較高水平，尤其在7月達(dá)到最大值；地面年總太陽(yáng)輻照量約為4500 MJ/m2，穩(wěn)定度為0.46，說(shuō)明項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能資源豐富、穩(wěn)定[5]，適宜建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 項(xiàng)目所在地的地面月均太陽(yáng)輻照量Fig. 3 Average monthly solar radiation on the ground at the project site

1.3 示范建筑采用的光伏組件

在示范建筑立面安裝的是CIGS薄膜光伏組件。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，光吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1，吸收層的厚度可低至1～2 μm。該類太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)23.35%[6]，其構(gòu)造示意如圖4所示，微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。CIGS薄膜光伏組件具有弱光發(fā)電性好、溫度系數(shù)低、抗衰減性強(qiáng)、安全性高、穩(wěn)定耐用、便于維護(hù)、外觀漂亮等特點(diǎn)，適合BIPV應(yīng)用場(chǎng)景[7]。

圖4 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的構(gòu)造示意圖Fig. 4 Structural diagram of CIGS thin film solar cell

圖5 CIGS薄膜太陽(yáng)電池的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 5 Microstructure of CIGS thin film solar cell

應(yīng)用于BIPV建筑的CIGS薄膜光伏組件既要滿足光伏發(fā)電需求，又要滿足建筑的形式需要，還要符合幕墻建筑材料的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。此外，還需要考慮此類光伏組件的安裝、防火、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等一系列問(wèn)題。本示范項(xiàng)目中的示范建筑均選用國(guó)家能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件，該類光伏組件采用4 mm厚鋼化玻璃(蓋板)+0.75 mm厚EVB膠膜+3 mm厚浮法玻璃(背板)的結(jié)構(gòu)，已通過(guò)了中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(3C)，達(dá)到了作為建筑材料和建筑幕墻的標(biāo)準(zhǔn)。N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的正視圖和側(cè)視圖如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下該類光伏組件的主要技術(shù)參數(shù)及其規(guī)格分別如表1、表2所示。

圖6 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的正視圖和側(cè)視圖Fig. 6 Front view and side view of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

表1 STC下N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of N-G1012E097 CIGS thin film PV module under STC

表2 N-G1012E097型CIGS薄膜光伏組件的規(guī)格Table 2 Specifications of N-G1012E097 CIGS thin film PV module

2 示范建筑的典型日發(fā)電量

3棟示范建筑自2018年11月建成并投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行安全可靠、發(fā)電穩(wěn)定。本文僅以2#樓為例對(duì)該建筑的東南側(cè)、西南側(cè)和東北側(cè)建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電量情況進(jìn)行分析。2#樓的東南側(cè)、西南側(cè)和東北側(cè)建筑立面除去功能性門(mén)窗位置和易被遮擋的首層墻面外，其余位置均安裝了CIGS薄膜光伏組件，且3個(gè)建筑立面分別面對(duì)較開(kāi)闊的綠地、廣場(chǎng)、主街道，基本不受其他建筑物陰影遮擋的影響?？紤]到季節(jié)、天氣因素，以及設(shè)備、儀表記錄數(shù)據(jù)的完整性，選擇2019年中全天有日照的初夏季節(jié)的5月12日和初冬季節(jié)的11月22日作為典型日，分析2#樓的東南側(cè)、西南側(cè)和東北側(cè)這3個(gè)建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件在1天內(nèi)各發(fā)電時(shí)段的發(fā)電量情況。

2.1 5月12日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電情況

以5 min為一個(gè)發(fā)電量記錄時(shí)間間隔，記錄5月12日全天發(fā)電時(shí)段2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件單位面積發(fā)電量，具體如圖7所示。

圖7 5月12日2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發(fā)電量Fig. 7 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on May 12

從圖7中可以看出：東南側(cè)、西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件開(kāi)始發(fā)電后，在發(fā)電量為各自峰值發(fā)電量約40%的時(shí)刻，發(fā)電量有相對(duì)明顯的躍升。為分析CIGS薄膜光伏組件全天發(fā)電量的集中度，將各建筑立面發(fā)電量超過(guò)其當(dāng)天峰值發(fā)電量40% 的部分定義為主要發(fā)電時(shí)段，各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量情況如表3所示。

表3 5月12日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量情況Table 3 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on May 12

對(duì)項(xiàng)目所在地當(dāng)天的氣象信息進(jìn)行查詢，結(jié)果如表4所示。

表4 5月12日項(xiàng)目所在地的氣象信息Table 4 Meteorological information of location on May 12

結(jié)合圖7、表3、表4可以發(fā)現(xiàn)：

1)示范建筑東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在日出19 min后最早開(kāi)始發(fā)電，而西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在日落前16 min最后結(jié)束發(fā)電，整個(gè)示范建筑全天的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)為12.62 h。

2)上午時(shí)段，東南側(cè)、東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電量曲線大致呈拋物線形，東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的開(kāi)始發(fā)電時(shí)刻、最大發(fā)電量時(shí)刻、主要發(fā)電時(shí)段均早于東南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件。下午時(shí)段，東南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電量在12:40～14:30時(shí)段較平穩(wěn)，然后大致呈線性下降；東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電量整體呈線性下降。西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時(shí)段的發(fā)電量較小，但呈線性上升趨勢(shì)；而下午時(shí)段的發(fā)電量曲線大致呈拋物線形。

3) 5月12日是初夏季節(jié)，太陽(yáng)的白晝運(yùn)行軌跡接近在示范建筑正東西方向。2#樓東南側(cè)、東北側(cè)立面全天接收太陽(yáng)輻照量的變化相近，西南側(cè)立面全天接收太陽(yáng)輻照量的變化與東南側(cè)及東北側(cè)立面接收的太陽(yáng)輻照量均大致呈鏡像關(guān)系。各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件全天發(fā)電量的變化關(guān)系與立面接收的太陽(yáng)輻射量變化成正比。

4)東南側(cè)、東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發(fā)電時(shí)段均集中在12:00前的4.5 h左右，均可產(chǎn)生超過(guò)其全天發(fā)電量72%的發(fā)電量。西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發(fā)電時(shí)段在午后至日落前(12:45～17:45)的5 h左右，可產(chǎn)生其超過(guò)全天發(fā)電量77%的發(fā)電量。全天內(nèi)這3個(gè)建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發(fā)電量基本相同，發(fā)電量的平均差為0.01。

5)各建筑立面安裝的CIGS光伏組件的發(fā)電量曲線有所跳躍，尤其是下午個(gè)別時(shí)段有較大的跌落，這是由于天氣、云量等影響太陽(yáng)輻照量的短時(shí)氣象因子發(fā)生變化造成的。

2.2 11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電情況

以5 min為一個(gè)發(fā)電量記錄時(shí)間間隔，記錄11月22日全天發(fā)電時(shí)段2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發(fā)電量，具體如圖8所示。

將各建筑立面發(fā)電量超過(guò)其當(dāng)天發(fā)電量峰值40%的時(shí)段定義為主要發(fā)電時(shí)段，11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量情況如表5所示。

對(duì)項(xiàng)目所在地當(dāng)天的氣象信息進(jìn)行查詢，結(jié)果如表6所示。

圖8 11月22日2#樓各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發(fā)電量Fig. 8 Power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each facade of building 2# on November 22

表5 11月22日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量情況Table 5 Daily power generation of CIGS thin film PV modules installed on each building facade on November 22

表6 11月22日項(xiàng)目所在地的氣象信息Table 6 Meteorological information of project location on November 22

結(jié)合圖8、表5、表6可以發(fā)現(xiàn)：

1)示范建筑東南側(cè)、東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在日出11 min后最早開(kāi)始發(fā)電，西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在日落前3 min最后結(jié)束發(fā)電，建筑全天的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)為10.70 h。

2)東南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在開(kāi)始發(fā)電30 min后的07:20出現(xiàn)一個(gè)小的發(fā)電量極值，然后發(fā)電量有所下降；后1 h(07:25～08:20)發(fā)電量整體呈現(xiàn)較低的平穩(wěn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；08:25時(shí)光伏組件的發(fā)電量急劇增大，隨后以上升拋物線形狀平滑增加，在09:40左右達(dá)到峰值，然后以下降拋物線的形狀降低。西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在開(kāi)始發(fā)電時(shí)呈線性緩慢增加趨勢(shì)，并從09:50開(kāi)始發(fā)電量以上升拋物線形狀增長(zhǎng)，在15:30左右達(dá)到其峰值，然后以曲率更大的下降拋物線形狀降低。東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在初始發(fā)電的約3 h內(nèi)，發(fā)電量曲線呈現(xiàn)馬鞍形，2個(gè)發(fā)電量極大值分別出現(xiàn)在07:40和08:40左右，隨后發(fā)電量呈現(xiàn)平緩的拋物線形。

3) 11月22日是初冬季節(jié)，太陽(yáng)直射點(diǎn)在示范建筑的南側(cè)，太陽(yáng)直射輻射在建筑南側(cè)立面的入射角(太陽(yáng)直射方向與建筑立面法線的夾角)為1年中的較小值，因此，建筑南側(cè)立面可接收到1年中較大的太陽(yáng)直射輻射時(shí)長(zhǎng)和太陽(yáng)輻照量[8-9]。東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在除日出后3 h內(nèi)的部分時(shí)段可接收到以較大入射角照射的太陽(yáng)直射輻射外，全天大部分時(shí)間段都是背對(duì)著太陽(yáng)直射，太陽(yáng)直射輻射被遮擋，以接收散射輻射為主。東南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時(shí)段的發(fā)電量先增大后減小，之后又快速增大；東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在上午時(shí)段的發(fā)電量呈馬鞍形曲線；這是由于太陽(yáng)運(yùn)行軌跡與建筑方位共同造成該建筑立面上安裝的CIGS薄膜光伏組件先接收到太陽(yáng)直射輻射，然后太陽(yáng)直射輻射被遮擋，之后又接收到太陽(yáng)直射輻射所導(dǎo)致的。

4)東南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的主要發(fā)電時(shí)段在上午至午后(08:25～13:10)，接近5 h；西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件主要發(fā)電時(shí)段在中午至日落前的46 min(11:20～16:50)，時(shí)長(zhǎng)為5.5 h。東南側(cè)、西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在主要發(fā)電時(shí)段產(chǎn)生了占其總發(fā)電量約90%的發(fā)電量；東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的整體發(fā)電量偏小，發(fā)電時(shí)段不集中。東南側(cè)、西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件全天的單位面積發(fā)電量基本相同，且分別是東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的3.0倍和3.1倍。

5)各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的發(fā)電量曲線均較為平滑，原因是當(dāng)天白晝時(shí)間的天氣、云量等短時(shí)氣象因子穩(wěn)定。

2.3 2個(gè)典型日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件發(fā)電量對(duì)比

在5月12日和11月22日，東南側(cè)、西南側(cè)、東北側(cè)3個(gè)建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件的單位面積發(fā)電量對(duì)比如圖9所示。

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)：

1)東南側(cè)和西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件在5月12日和11月22日時(shí)的發(fā)電量曲線形狀類似。此外，相較于11月22日，5月12日的白晝時(shí)間更長(zhǎng)，光伏組件的發(fā)電時(shí)間開(kāi)始的較早、結(jié)束的較晚，11月22日光伏組件的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)比5月12日時(shí)的約少2 h；但這2個(gè)建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件在11月22日的發(fā)電量曲線的峰值更高，上升、下降斜率更大，其發(fā)電量均是5月12日時(shí)的1.2倍左右。

圖9 2個(gè)典型日各建筑立面安裝的CIGS薄膜光伏組件單位面積發(fā)電量對(duì)比Fig. 9 Comparison of power generation per unit area of CIGS thin film PV modules installed on each building facade of two typical days

2)對(duì)于東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件，其在5月12日的發(fā)電時(shí)間開(kāi)始的較早，結(jié)束的較晚，發(fā)電量峰值高，發(fā)電時(shí)長(zhǎng)比其在11月22日時(shí)約長(zhǎng)2 h，發(fā)電量是11月22日時(shí)的2.5倍。

3 結(jié)論

本文以惠州市潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)的銅銦鎵硒建筑光伏一體化(CIGS-BIPV)示范項(xiàng)目為例，對(duì)該示范項(xiàng)目中示范建筑不同朝向立面上安裝的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏組件在夏季、冬季典型日的發(fā)電量特點(diǎn)和變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

1)初夏的5月12日，安裝在東南側(cè)、西南側(cè)、東北側(cè)的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量大體相當(dāng)。西南側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件與東南側(cè)及東北側(cè)安裝的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量曲線均大致呈鏡像關(guān)系。

2)初冬的11月22日，安裝在東南側(cè)、西南側(cè)的CIGS薄膜光伏組件的日發(fā)電量大體相當(dāng)，均是安裝在東北側(cè)的CIGS薄膜光伏組件的約3倍。太陽(yáng)運(yùn)行軌跡和建筑方位造成東南側(cè)、東北側(cè)立面上安裝的光伏組件在部分時(shí)段斷續(xù)接收到太陽(yáng)直射輻射，造成其發(fā)電量曲線有高低交替的變化。

3)安裝在東南側(cè)、西南側(cè)的CIGS薄膜光伏組件在11月22日的高效率發(fā)電時(shí)長(zhǎng)比5月12日的更長(zhǎng)，發(fā)電量更大；安裝在東北側(cè)的CIGS薄膜光伏組件在5月12日的發(fā)電量是其在11月22日的2.5倍。