建筑设计中铜铟镓硒光伏幕墙的应用

摘要：介绍了铜铟镓硒薄膜光伏技术的特点、光伏幕墙的参考标准。以某光伏建筑一体化示范项目为例，详述了铜铟镓硒光伏幕墙的实施方法、电气规范等。针对光伏建筑一体化推广过程中面临的问题，提出了产品多样化、实用化的对策。

关键词：铜铟镓硒；光伏幕墙；建筑设计；施工标准

1引言

铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏电池具有光电转化效率较高、长周期衰减较小、弱光发电性能好等特点，CIGS电池组件采用双玻或三玻结构，外观色彩一致性好，有抗遮挡效应，维护简单。作为一种新型建材[1]，可替代玻璃幕墙成为“光伏幕墙”。光伏电池与光伏幕墙相关技术标准的实施，为光伏建筑的设计应用和推广提供了依据。

2铜铟镓硒薄膜光伏技术现状

2.1技术特点

铜铟镓硒薄膜光伏组件目前的最高光电转化效率17.6%，常规转化率14.6%，常规组件采用类似“三明治”结构，表层和底层为玻璃基材，中间为可发电的CIGS薄膜层。单块CIGS标准组件的尺寸为1200mm×600mm，采用双玻结构，厚度7mm，功率为105Wp。根据应用需要，组件的厚度和颜色可定制，定制的彩色CIGS组件由于表面玻璃采用了着色技术，导致光吸收率下降，发电功率降低。

2.2技术应用

实际应用中，光伏组件常见的安装位置有屋顶和建筑立面两种。按光伏组件与建筑物的结合方式，又分为附着式（BAPV）和一体化方式（BIPV）。当光伏组件用在建筑物立面时，根据原有墙体的形式，多采用龙骨结合组件副框的安装方式[2]，这种施工工艺模块化程度高、施工速度快、安全可靠。CIGS组件开路电压UOC=97.8V，短路电流ISC=1.45A，与晶硅组件相比，开路电压UOC高，而短路电流ISC小，在应用中要选择合适的逆变器、连接器等配套设备。

3铜铟镓硒在光伏幕墙上的应用

3.1铜铟镓硒光伏幕墙的参考标准

光伏幕墙一般参考普通建筑幕墙的相关标准，如JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》、GB50009-2012《建筑结构荷载规范》等。针对CIGS的应用特点，19CJ92-1《建筑铜铟镓硒薄膜光伏系统设计与安装》设计参考图集详细描述了光伏幕墙应用中系统、楼层节点、阳角节点、窗边节点、通风等的设计，以及光伏幕墙竖向龙骨、变形缝节点，不同材质交接节点的处理方式、要求等。19CD202-5《建筑铜铟镓硒薄膜光伏系统电气设计与安装》参考图集对涉及建筑CIGS光伏系统电气设计与施工的相关内容进行了统一，重点描述了电气设计流程、并网与独立光伏系统容量设计、光伏发电系统效率系数、对地绝缘等方面的要求。上述两项参考图集的颁布为光伏幕墙，尤其是铜铟镓硒光伏幕墙的设计与应用提供了依据。

3.2铜铟镓硒光伏幕墙的实施

国家能源集团打造的惠州潼湖科技创新小镇项目，利用光伏幕墙解决了楼宇的外观设计和基本功能，同时解决了建筑的能耗问题，并为绿色建筑认证提供了基本保证。该小镇的2#楼、6#楼、7#楼三栋建筑，综合考虑朝向、遮挡等因素后，光伏幕墙的设计布置情况见表1。位于立面的光伏幕墙构造示意如图1，结合幕墙施工要求，竖向龙骨通过预制埋件稳固在墙体上，起到空间分隔和承重的作用，横向龙骨通过连接件与竖向龙骨连接。光伏组件的尺寸和排布图决定了组件的安装间隔。CIGS光伏组件通过铝合金扣条压接在龙骨上，调整位置后，扣条与龙骨间涂结构胶固定。根据幕墙安装技术要求[3]，CIGS光伏组件采用定制的合金型材边框，边框与组件之间胶粘连接固定成型。光伏幕墙与其他部位建筑材料的接口处，考虑到组件的电气发热特性，应采用防火材料封堵，形成防火隔离，本应用案例是在厚硅酸钙板中间夹防火岩棉。结合光伏幕墙与建筑墙体之间的空气腔，光伏组件的通风散热采用自然通风+机械通风方式，空气腔的下部设置了通风百叶，机械通风根据组件背面的温度阈值进行开启判断。光伏组件阵列安装在有光照的建筑屋顶和墙面[4]，直接吸收太阳能，夏天避免了屋顶、墙面因阳光直射造成的温度过高，起到降低空调负荷、改善室内环境的作用。

3.3光伏幕墙的电气规范

光伏幕墙的电气系统采用低压用户侧并网发电，按照“自发自用，余电上网”模式运行，结合用电负荷分布，就近接入、平衡消纳，用电负荷与发电的高峰期基本一致。本应用案例未设置储能装置，逆变器将直流转换为交流，接入用户侧电网。交流配电系统电气示意图如图2。图2中，电气开关柜选用固定隔离式400V开关柜，开关柜的每路进线对应一个并网逆变器的输出，并通过开关QA1、QA2、QA3、……QAn等控制对应并网逆变器的接入和断开。根据CIGS的特性，在每个并网逆变器中设置了隔离变压器，经母线汇流后，再接入建筑的低压配电系统，并配置了电能表等。根据JGJ/T365-2015《太阳能光伏玻璃幕墙电气设计规范》、T/CECS630-2019《建筑铜铟镓硒薄膜光伏系统》[5]等，光伏系统安装结束并初步验收合格后，首先要对光伏组串、汇流箱、逆变器、监测系统等分别进行调试，并注意汇流箱内组串的投、退顺序，应保证工序有效衔接。对于铜铟镓硒光伏系统，还要注意光伏组件的直流侧设置负极功能接地。夏季和白天等用电高峰时段，一般太阳辐照充足，光伏发电量大，除提供建筑自身用电外，光伏幕墙的多余电量还可以向电网供电，一定程度上缓解了高峰期的电力供需矛盾。

4光伏建筑设计应用面临的问题及对策

4.1光伏建筑一体化的推广

随着建筑设计师接受程度的提高，光伏幕墙及光电建筑越来越多的被采用，建筑设计应更好的融合光伏电池组件的特点。光伏技术的进步，特别是光电转换效率的提升，为光伏建筑一体化的应用推广带来了新机遇。随着绿色建筑标准的推行，对建筑的能耗要求进一步降低，具有发电作用的光伏幕墙将建筑从能源的消耗者转为能源的生产者，对于绿色建筑的评级带来积极作用。

4.2产品的多样化

建筑光伏的应用对于组件产品规格的多样化提出了新要求，一方面，建筑设计对于光伏组件的色彩、透光度、耐热、抗酸碱、安全等要求进一步多样化，对产品的适用性要求也有提高；另一方面，光伏组件在建筑中的应用场景要不断扩展，深入研究光伏组件与建筑设计结合的情况，使光伏建筑从展示性向实用性过渡；再就是目前光伏幕墙的设计实施参照现有建筑电气、幕墙玻璃及光伏组件等标准[6]，光伏组件建材适应性的规范和标准也有待深化。

5结语

光伏幕墙替代传统幕墙和砌体维护墙体，既满足建筑外立面的封闭、美化及实用功能，又可为建筑提供清洁能源。在能源环保与绿色建筑评价的双重压力下，铜铟镓硒光伏技术在建筑设计中的应用，可以更有效的利用太阳能，将成为我国建筑业发展的重要方向之一。铜铟镓硒光伏幕墙相关施工标准的建立与完善，对于光伏幕墙技术的推广将带来显著的指导作用。

参考文献

[1]龙文志.太阳能光伏建筑一体化[J].中国建筑金属结构,2009(7):36-44.

[2]施光辉,杨正虎,张家维,等.100kWp光伏幕墙并网系统性能分析[J].太阳能,2018(1):67-70.

[3]李永亮.新疆吐鲁番中控楼光伏幕墙设计与施工要点[J].建筑技术开发,2017(21):23-24.

[4]李星魁,宋晓帆.天津某光伏玻璃幕墙实例介绍与分析[J].建筑节能,2016(8):72-74.

[5]张树君.《建筑铜铟镓硒薄膜光伏系统应用技术规程》简介[J].建设科技,2019(8):90-93.

[6]余国保,罗多,王晓丹,等.光伏建筑一体化技术应用与展望[J].太阳能,2015(3):62-66.

作者：王亮 郭辉 单位：中国节能减排有限公司北京建筑光伏科技分公司