10002125_薄膜太阳能电池光伏幕墙技术及市场趋势分析

薄膜太阳能电池光伏幕墙技术及市场趋势分析 杨世航，张撷秋，张成宇，刘壮 中易建集团 通讯作者：刘壮，博士。研究方向：薄膜太阳能，BIPV。Email：zyjupm018@163.com 光伏太阳能电池的规模化应用从集中式走向了分布式，作为建筑光伏一体化的重要应用场 景，光伏幕墙迎来了发展的机遇，而薄膜太阳能电池以其外观优美、温度系数小、阴影效应小 等优势，成为光伏幕墙用组件的优质选择。现代建筑对幕墙的美观、采光、节能、低碳和安全 性等方面提出了更高的要求，报告结合光伏薄膜模组的自身特点，分别从建筑需求、幕墙结构、 组件设计、能源利用和经济性等角度分析光伏幕墙设计的关键因素，从而实现满足光伏系统发 电量和建筑幕墙要求的优化设计。 幕墙作为建筑室内外沟通的桥梁，需要在建筑设计初期即合理考虑光伏模组带来的设计可 能性及安装集成挑战。首先，根据幕墙对室内采光的需求，可以结合使用不透光及半透光模组， 实现外观设计灵活性的同时满足室内采光需求。光伏模组可以结合建筑玻璃（包括 low-E 玻璃） 封装成双层/多层夹胶玻璃及制备成中空结构，通过隔热、隔音实现建筑的节能、静音等要求[1]。 此外，光伏模组可以通过改变盖板玻璃制备成不同的颜色、纹理，满足建筑的多样性设计需求。 光伏幕墙方案还需考虑光伏特性带来的额外要求，包括对幕墙阴影遮挡的控制、安装框架的布 局、光伏模组接线隐藏和安全合理的电气系统设计等。我们研发对象聚焦于中空玻璃与薄膜模 组技术的集成。 中空玻璃因其优良的隔音、隔热、美观等优点，广泛应用于建筑幕墙结构上。报告中我们 重点研究使用薄膜光伏模组制成光伏中空玻璃结构应用于建筑幕墙。光伏中空玻璃使用总厚度 约 6 毫米的双层夹胶碲化镉太阳能模组，通过常规的中空玻璃制备工艺与 6 毫米的钢化玻璃制 备成 6-12A-6 中空结构。为了测试结构能否满足建筑使用的需求，我们重点研究了光伏中空玻 璃作为幕墙结构单元的可靠性、隔热保温性能和外观优化（比如解决半透模组的摩尔纹现象） 等。 为了测试模组作为幕墙结构单元长期使用的可靠性，我们使用 IEC TS 62804-1:2015 测试 标准，将模组放置于恒温恒湿箱内进行了偏压 PID（电势诱导衰减）测试：测试气氛为双 85， 测试持续时间 168 小时[2]。并且为了充分模拟模组作为幕墙单元的现实环境，中空模组的四周 使用铜箔纸包裹用以替代幕墙结构中的框架等易导电结构。PID 加速实验结果显示，薄膜电池 模组外观完好，机械结构没有变化，中空结构内部也没有发现结露，具备足够的抗水汽渗透性 能。模组发电效率也基本不受影响，我们对比了 PID 实验前后及过程中的 I-V 效率曲线，模组 四周导电框架对电池的效率基本不产生影响，电池光电转换效率降低不到 3%，开路电压和电流 仅有轻微的降低，参照图 1 所示。 图 1. 光伏中空玻璃，薄膜模组 PID 测试前后 I-V 测试显示性能未发生明显变化。 进一步通过 EL（电致发光）测试，组件整体表面发光均匀，无暗区（图 2） ，证实了电池模 组并不会与幕墙的结构在电气上相互影响。此外，我们使用湿漏电流测试（1000V 试验 2min） 对比模组 PID 前后的绝缘性能，结果显示绝缘电阻值为 200MΩ 以上，远大于标准要求的 50MΩ，测试前后的绝缘性能也没有发生明显的变化，符合幕墙使用过程中的电气安全性能的要 求。 图 2. PID 测试前（上）后（下）EL 测试，组件整体表面发光均匀，无暗区。 中空玻璃具备良好的隔热性能，玻璃与玻璃之间留有一定的空间，通常会充有空气或者惰 性气体，从而在透光的同时限制了室内外的热交换[1]。使用薄膜模组替代外玻璃制备的光伏中 空玻璃可以通过幕墙的结构设计交替使用光伏中空玻璃和常规幕墙玻璃实现建筑物对光照的需 求，也可以使用半透薄膜组件透过一定百分比的光照。 使用不透光的模组时，我们对比了两块使用碲化镉薄膜模组封装的光伏中空玻璃和常规幕 墙玻璃（Low-E 玻璃）在晴天光照下的表面温度差异，环境温度为 28 度。我们将样品放置在户 外 2 小时后对比样品内外表面的温度差别，结果如表格 1 所示： Solar Façade 1 Solar Façade 2 常规幕墙玻璃 上表面温度（CdTe 面板或 Low-E 玻璃） 中间区域：52°C 边缘区域：50°C 中间区域：51°C 边缘区域：46°C 中间区域：33°C 边缘区域：33°C 下表面温度（超白 玻表面） 中间区域：40°C 边缘区域：39°C 中间区域：40°C 边缘区域：39°C 中间区域：32°C 边缘区域：32°C 表格 1. 碲化镉薄膜模组封装的光伏中空玻璃和常规幕墙玻璃（Low-E 玻璃）在晴天光照下 的表面温度对比。 我们发现常规的幕墙 Low-E 玻璃除了反射以外，其他光线均透射进室内，玻璃本身吸收热 量很少，玻璃表面温度并没有显著上升。光伏中空玻璃的上表面薄膜模组面由于吸收了大部分 光照，温度升至 46-52°C，但下表面玻璃的温度由于中空结构的隔热，温度稳定在 39-40°C，最 终下表面玻璃温度比使用 Low-E 玻璃的中空结构高 7°C 左右。 使用半透模组制备成幕墙玻璃可以直接满足建筑的光照需求，但经常遇到外立面在光照下 因半透模组中的周期结构出现摩尔纹现象。我们提出几个减少和消除摩尔纹现象的方案，从而 保证建筑幕墙的的美观性。 光伏幕墙的经济价值体现在和原有的幕墙建材的融合上。在仅替换部分幕墙玻璃的同时， 不额外增加框架成本，却利用大面积的幕墙空间实现了光伏发电量，赋予了光伏幕墙技术核心 的竞争力。光伏幕墙的产业化发展需要在技术，市场，商务方面交叉集成，跨界合作，打通产 业链。以建筑本体需求为基础，以光伏发电为优势[3]。解决安全，载荷，外观，U 值等方面的 一系列问题。中国在幕墙，光伏两个领域均具有市场优势与技术开发潜力，是光伏幕墙产业化 的最佳实施地。 参考文献： [1] Wikipedia, Insulated glazing. Wikipedia website (2018) https://en.wikipedia.org/wiki/Insulated_glazing [2] IEC, Photovoltaic (PV) modules - Test methods for the detection of potential-induced degradation, IEC TS 62804-1:2015 [3] G. Verberne, P. Bonomo, et. al., BIPV products for facades and roofs: a market analysis, 29th EU-PVSEC in Amsterdam, session 6DO.7, Thursday 25th, 2014.