建筑設計中銅銦鎵硒光伏幕墻的應用

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摘要：介紹了銅銦鎵硒薄膜光伏技術的特點、光伏幕墻的參考標準。以某光伏建筑一體化示范項目為例，詳述了銅銦鎵硒光伏幕墻的實施方法、電氣規(guī)范等。針對光伏建筑一體化推廣過程中面臨的問題，提出了產(chǎn)品多樣化、實用化的對策。

關鍵詞：銅銦鎵硒；光伏幕墻；建筑設計；施工標準

1引言

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏電池具有光電轉化效率較高、長周期衰減較小、弱光發(fā)電性能好等特點，CIGS電池組件采用雙?；蛉＝Y構，外觀色彩一致性好，有抗遮擋效應，維護簡單。作為一種新型建材[1]，可替代玻璃幕墻成為“光伏幕墻”。光伏電池與光伏幕墻相關技術標準的實施，為光伏建筑的設計應用和推廣提供了依據(jù)。

2銅銦鎵硒薄膜光伏技術現(xiàn)狀

2.1技術特點

銅銦鎵硒薄膜光伏組件目前的最高光電轉化效率17.6%，常規(guī)轉化率14.6%，常規(guī)組件采用類似“三明治”結構，表層和底層為玻璃基材，中間為可發(fā)電的CIGS薄膜層。單塊CIGS標準組件的尺寸為1200mm×600mm，采用雙玻結構，厚度7mm，功率為105Wp。根據(jù)應用需要，組件的厚度和顏色可定制，定制的彩色CIGS組件由于表面玻璃采用了著色技術，導致光吸收率下降，發(fā)電功率降低。

2.2技術應用

實際應用中，光伏組件常見的安裝位置有屋頂和建筑立面兩種。按光伏組件與建筑物的結合方式，又分為附著式（BAPV）和一體化方式（BIPV）。當光伏組件用在建筑物立面時，根據(jù)原有墻體的形式，多采用龍骨結合組件副框的安裝方式[2]，這種施工工藝模塊化程度高、施工速度快、安全可靠。CIGS組件開路電壓UOC=97.8V，短路電流ISC=1.45A，與晶硅組件相比，開路電壓UOC高，而短路電流ISC小，在應用中要選擇合適的逆變器、連接器等配套設備。

3銅銦鎵硒在光伏幕墻上的應用

3.1銅銦鎵硒光伏幕墻的參考標準

光伏幕墻一般參考普通建筑幕墻的相關標準，如JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》、GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》等。針對CIGS的應用特點，19CJ92-1《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)設計與安裝》設計參考圖集詳細描述了光伏幕墻應用中系統(tǒng)、樓層節(jié)點、陽角節(jié)點、窗邊節(jié)點、通風等的設計，以及光伏幕墻豎向龍骨、變形縫節(jié)點，不同材質(zhì)交接節(jié)點的處理方式、要求等。19CD202-5《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)電氣設計與安裝》參考圖集對涉及建筑CIGS光伏系統(tǒng)電氣設計與施工的相關內(nèi)容進行了統(tǒng)一，重點描述了電氣設計流程、并網(wǎng)與獨立光伏系統(tǒng)容量設計、光伏發(fā)電系統(tǒng)效率系數(shù)、對地絕緣等方面的要求。上述兩項參考圖集的頒布為光伏幕墻，尤其是銅銦鎵硒光伏幕墻的設計與應用提供了依據(jù)。

3.2銅銦鎵硒光伏幕墻的實施

國家能源集團打造的惠州潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)項目，利用光伏幕墻解決了樓宇的外觀設計和基本功能，同時解決了建筑的能耗問題，并為綠色建筑認證提供了基本保證。該小鎮(zhèn)的2#樓、6#樓、7#樓三棟建筑，綜合考慮朝向、遮擋等因素后，光伏幕墻的設計布置情況見表1。位于立面的光伏幕墻構造示意如圖1，結合幕墻施工要求，豎向龍骨通過預制埋件穩(wěn)固在墻體上，起到空間分隔和承重的作用，橫向龍骨通過連接件與豎向龍骨連接。光伏組件的尺寸和排布圖決定了組件的安裝間隔。CIGS光伏組件通過鋁合金扣條壓接在龍骨上，調(diào)整位置后，扣條與龍骨間涂結構膠固定。根據(jù)幕墻安裝技術要求[3]，CIGS光伏組件采用定制的合金型材邊框，邊框與組件之間膠粘連接固定成型。光伏幕墻與其他部位建筑材料的接口處，考慮到組件的電氣發(fā)熱特性，應采用防火材料封堵，形成防火隔離，本應用案例是在厚硅酸鈣板中間夾防火巖棉。結合光伏幕墻與建筑墻體之間的空氣腔，光伏組件的通風散熱采用自然通風+機械通風方式，空氣腔的下部設置了通風百葉，機械通風根據(jù)組件背面的溫度閾值進行開啟判斷。光伏組件陣列安裝在有光照的建筑屋頂和墻面[4]，直接吸收太陽能，夏天避免了屋頂、墻面因陽光直射造成的溫度過高，起到降低空調(diào)負荷、改善室內(nèi)環(huán)境的作用。

3.3光伏幕墻的電氣規(guī)范

光伏幕墻的電氣系統(tǒng)采用低壓用戶側并網(wǎng)發(fā)電，按照“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式運行，結合用電負荷分布，就近接入、平衡消納，用電負荷與發(fā)電的高峰期基本一致。本應用案例未設置儲能裝置，逆變器將直流轉換為交流，接入用戶側電網(wǎng)。交流配電系統(tǒng)電氣示意圖如圖2。圖2中，電氣開關柜選用固定隔離式400V開關柜，開關柜的每路進線對應一個并網(wǎng)逆變器的輸出，并通過開關QA1、QA2、QA3、……QAn等控制對應并網(wǎng)逆變器的接入和斷開。根據(jù)CIGS的特性，在每個并網(wǎng)逆變器中設置了隔離變壓器，經(jīng)母線匯流后，再接入建筑的低壓配電系統(tǒng)，并配置了電能表等。根據(jù)JGJ/T365-2015《太陽能光伏玻璃幕墻電氣設計規(guī)范》、T/CECS630-2019《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)》[5]等，光伏系統(tǒng)安裝結束并初步驗收合格后，首先要對光伏組串、匯流箱、逆變器、監(jiān)測系統(tǒng)等分別進行調(diào)試，并注意匯流箱內(nèi)組串的投、退順序，應保證工序有效銜接。對于銅銦鎵硒光伏系統(tǒng)，還要注意光伏組件的直流側設置負極功能接地。夏季和白天等用電高峰時段，一般太陽輻照充足，光伏發(fā)電量大，除提供建筑自身用電外，光伏幕墻的多余電量還可以向電網(wǎng)供電，一定程度上緩解了高峰期的電力供需矛盾。

4光伏建筑設計應用面臨的問題及對策

4.1光伏建筑一體化的推廣

隨著建筑設計師接受程度的提高，光伏幕墻及光電建筑越來越多的被采用，建筑設計應更好的融合光伏電池組件的特點。光伏技術的進步，特別是光電轉換效率的提升，為光伏建筑一體化的應用推廣帶來了新機遇。隨著綠色建筑標準的推行，對建筑的能耗要求進一步降低，具有發(fā)電作用的光伏幕墻將建筑從能源的消耗者轉為能源的生產(chǎn)者，對于綠色建筑的評級帶來積極作用。

4.2產(chǎn)品的多樣化

建筑光伏的應用對于組件產(chǎn)品規(guī)格的多樣化提出了新要求，一方面，建筑設計對于光伏組件的色彩、透光度、耐熱、抗酸堿、安全等要求進一步多樣化，對產(chǎn)品的適用性要求也有提高；另一方面，光伏組件在建筑中的應用場景要不斷擴展，深入研究光伏組件與建筑設計結合的情況，使光伏建筑從展示性向?qū)嵱眯赃^渡；再就是目前光伏幕墻的設計實施參照現(xiàn)有建筑電氣、幕墻玻璃及光伏組件等標準[6]，光伏組件建材適應性的規(guī)范和標準也有待深化。

5結語

光伏幕墻替代傳統(tǒng)幕墻和砌體維護墻體，既滿足建筑外立面的封閉、美化及實用功能，又可為建筑提供清潔能源。在能源環(huán)保與綠色建筑評價的雙重壓力下，銅銦鎵硒光伏技術在建筑設計中的應用，可以更有效的利用太陽能，將成為我國建筑業(yè)發(fā)展的重要方向之一。銅銦鎵硒光伏幕墻相關施工標準的建立與完善，對于光伏幕墻技術的推廣將帶來顯著的指導作用。

參考文獻

[1]龍文志.太陽能光伏建筑一體化[J].中國建筑金屬結構,2009(7):36-44.

[2]施光輝,楊正虎,張家維,等.100kWp光伏幕墻并網(wǎng)系統(tǒng)性能分析[J].太陽能,2018(1):67-70.

[3]李永亮.新疆吐魯番中控樓光伏幕墻設計與施工要點[J].建筑技術開發(fā),2017(21):23-24.

[4]李星魁,宋曉帆.天津某光伏玻璃幕墻實例介紹與分析[J].建筑節(jié)能,2016(8):72-74.

[5]張樹君.《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)應用技術規(guī)程》簡介[J].建設科技,2019(8):90-93.

[6]余國保,羅多,王曉丹,等.光伏建筑一體化技術應用與展望[J].太陽能,2015(3):62-66.

作者：王亮 郭輝 單位：中國節(jié)能減排有限公司北京建筑光伏科技分公司