CIS薄膜电池在大型建筑光伏一体化上的应用

No.10in2008(TotalNo.212，Vol.36)

建筑节能

■新能源与环境

NEWENERGY&ENVIRONMENT

ＣＩＳ薄膜电池在大型建筑光伏一体化上的应用

李相林

（深圳市瑞华建筑股份有限公司，深圳

５１８０４０）

摘要：作为最具潜力的第三代太阳能电池，ＣＩＳ（ＣＩＧＳ）薄膜电池受到国内外的广泛关注，但目前缺乏深入的应用研究。针对一个大型建

筑光伏一体化工程，讨论了应用ＣＩＳ薄膜电池的若干重要问题，包括电池板构件设计、安装方式、系统设计方法、监测及防雷设计等。

关键词：薄膜电池；

ＣＩＳ（ＣＩＧＳ）；建筑光伏一体化

文章编号：１６７３－７２３７（２００８）１０－００４６－０３

中图分类号：ＴＵ２０１．５文献标志码：Ａ

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣＩＳＴｈｉｎＦｉｌｍＳｏｌａｒＣｅｌｌｓｉｎｔｈｅＢＩＰＶＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＬａｒｇｅＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＰｒｏｊｅｃｔ

LIXiang-lin

（ＳｈｅｎｚｈｅｎＲｕｉｈｕａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：MoreattentionhasbeenpaidtothedevelopmentofCIS(CIGS)basedonsolarcells，whichisthemostpromisingsolarcellsinthetertiarygeneration.Somekeyissuesrelatingtothelargecommercialprojectofbuildingintegratedphotovoltaics(BIPV)werediscussed,in－cludingthestructureofCISsolarcells,thewayofinstallation,systemdesign,monitoringandthedesignoflightingarrester.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：thinfilmsolarcells;CIS(CIGS);BIPV

０引言

太阳能的广泛应用，是实现全球清洁能源可持续供给的有效途径之一。光伏发电与建筑物集成化（ＢＩＰＶ），已成为国内外广泛认同的太阳能利用的重要方式。

太阳能电池，是光伏发电系统的主要组成部件。为了得到低成本、性能良好的薄膜电池，铜铟硒（ＣｕＩｎＳｅ２，简称ＣＩＳ）薄膜电池，在国外得到迅速发展。在我国，对ＣＩＳ薄膜电池的研究，在近年来，也得到密切关注。但是，对大规模应用ＣＩＳ薄膜电池的ＢＩＰＶ，深入的应用报导很少见。本文在分析ＣＩＳ薄膜电池的基础上，结合某大型工程，开展有关重要的应用研究。

还时间在１年之内，远远低于晶体硅太阳电池。（５）电

池性能稳定，电池效率衰减小。（６）转换效率高。有数据显示转换效率为１７．７％（４０ｍｍ２面积），是薄膜太阳电池的世界纪录。

２

２．１

大规模应用ＣＩＳ薄膜电池的ＢＩＰＶ

光伏系统概况

１ＣＩＳ薄膜电池性能简介

ＣＩＳ薄膜电池，是多元化合物半导体中最有代表性的光伏器件。由于它具有高的转换效率、低的制造成本以及性能稳定而成为国际光伏界研究的热点之一，可能成为下一代的商品化薄膜太阳电池，具有如下显著的特点：（１）吸收层薄膜是一种直接带隙材料，光吸收率高达１０５量级，最适于太阳电池薄膜化，电池厚度可以做到２￣３μｍ，降低了昂贵的材料消耗。（２）铜铟硒薄膜的禁带宽度为１．０４ｅＶ，这就为太阳电池最佳带隙的优化提供了新的途径。（３）抗辐射能力强，用作空间电源具有很强的竞争力。（４）制造成本低，年产１．５ＭＷ，其成本是晶体硅太阳电池的１／３￣１／２，能量偿

收稿日期：２００８－０８－１６；修回日期：２００８－０８－２１

在该建筑的中央采光顶的两侧，每侧分布了３排

光电玻璃板块，光伏方阵朝向为北偏西４５°，光伏方阵的倾角为７°，中央高度为４０．００ｍ（以水平地面为基准），电池板分布在采光顶的中空玻璃中，保证了采光顶的装饰外形。电池板采用的铜铟硒光电池芯片，电池板数量为３２４６块，保证了建筑的光伏发电、保温、隔声、采光、遮阳、美观为一体的建筑要求，由此构成ＢＩＰＶ光伏屋面。如图１。

图１建筑中央采光顶光伏系统室内图

Ｆｉｇ．１Ｖｉｅｗｆｒｏｍｂｅｌｏｗｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔ

２．２光伏系统建筑构造

２．２．１光伏建筑一体化的电池板构件设计

电池板构件包含电池芯片、超白玻璃、夹胶

４６

ＬＯＷ－Ｅ玻璃、空气层、接线盒、引出导线、玻璃边框等组成，玻璃构件从室外往内依次为：８ｍｍ超白玻＋光电池板芯片＋３０Ａ空气层＋８ＬＯＷ－Ｅ玻

玻璃全部为钢化安璃＋１．５２ＰＶＢ＋８ｍｍ（夹胶玻璃），

全玻璃，保证构件的安全性，电池芯片间采用密封拼接，每块构件的２块或３块电池芯片采用串联形式，采用对插连接的方式，避免了电池板在合片时对电池芯片的损坏，能保证连接的可靠性。如图２，３。

２．３太阳能光伏系统设计

２．３．１基本参数环境温度：太阳能电池板－３０℃￣８５℃；所处经纬度：东

北纬３９°２３＇￣４１°０５＇；经１１°５２＇￣１１７°３２＇，

日照时间：年２２００ｈ左右；

４９００ＭＪ／ｍ２；年总辐照量：

１３０ｋｍ／ｈ；环境最大风速：

安装条件：建筑屋面一体化；基本风压：W０＝０．５０ｋＮ／ｍ２。２．３．２光伏系统分类

本工程的光伏系统为不可逆流无储能的并网光伏发电系统。光伏系统原理方框图，见图６。本工程太阳能光伏发电系统的整体结构图如下图７所示。

电池板按位置分为３０个子系统电池板方阵，每

图２光电玻璃板块图

Ｆｉｇ．２ＤｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＣＩＳｍｏｄｕｌｅ

图６

光伏系统原理方框图

Ｆｉｇ．６ＴｈｅｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄＢＩＰＶｓｙｓｔｅｍ

图３电池板连线图

Ｆｉｇ．３ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＣＩＳｍｏｄｕｌｅ

２．２．２光电玻璃板块安装方式

在中央采光顶的两侧，安装方式采用压块式的安装方式，即保证了建筑的外观效果，又保证了采光顶的安全及使用功能，如图４，５。

图７光伏发电系统的整体结构图

Ｆｉｇ．７Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｉｓｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ

个子系统均由太阳能光伏方阵、汇线盒、直流配电柜、

逆变器、交流配电柜及若干动力电缆构成；分别布置在地下的配电室内，采用多点并网，系统总安装功率为２４３．４５ｋＷｐ。如图８。

图４玻璃板块安装节点详图Ｆｉｇ．４ＴｈｅｗａｙｏｆＣＩＳｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ

图５光电玻璃板块分布剖面图图８本工程光伏系统简图

Ｆｉｇ．５ＴｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣＩＳｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍＦｉｇ．８ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｔｈｉｓＢＩＰＶｓｙｓｔｅｍ

４７

２．３．３光伏系统配置说明

（１）光电池板：本系统采用铜铟硒薄膜太阳电池，本工程使用的是进口铜铟镓硒太阳电池组件，其性能参数如表１。

表１系统采用铜铟硒薄膜太阳电池性能

Ｔａｂｌｅ１ＭａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅＣＩＳｓｏｌａｒｃｅｌｌ

标称功率工作电压开路电压工作电流短路电流尺寸／ｍｍ６７Ｗ

３５．０Ｖ

４５．０Ｖ

１．９１Ａ

２．２０Ａ

１２００×６００

本工程的光伏系统是光伏建筑一体化设计，电池板是放在采光顶的中空玻璃之中，电池板上面的玻璃为超白玻璃，超白玻璃是一种低铁、高透玻璃，超白玻璃的光学参数对光伏发电的影响较大，南站选用了８ｍｍ厚的超级白玻璃，性能参数如表２。

表２系统采用超级白玻璃性能

Ｔａｂｌｅ２Ｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｕｐｅｒｗｈｉｔｅｇｌａｓｓｆｏｒｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔ

Ｕ值可见光可见光太阳能紫外光

规格

／［Ｗ／（ｍ２·Ｋ）］透光率反射率直接穿透穿透率８ｍｍ

９１％

８％

８８％

５．７

８５．４％

（２）汇线盒：使用光伏方阵汇线盒共３０个，即每个

光伏子系统配置１个；汇线盒内置ＵＫ３５的接线端

分组隔板及直流断路器等相关附件。每一个独立子、

连接都配有１个直流熔断器。如果其中一串发生故障，这使得工程人员很容易检测到哪一串发生故障并能够追踪原因，减少了很多不必要的麻烦。汇线盒接线图如图９。

室的逆变器的连接线，以上连接线均为直流连接线。适当的电缆尺径选取基于２个因素：电流强度与电路电压损失，计算公式为：线损＝电流×电路总线长×线缆电压因子。本工程线损因子选为２％。２．３．４监测系统设计

光伏系统的监测系统主要工程是对光伏发电系统进行实时监测，能有效地反映光伏发电系统运行情况；整个ＢＩＰＶ光伏系统的监测系统主要由国外公司生产的ＳｕｎｎｙＷｅｂＢｏｘ、逆变器，传感器、ＰＣ、显示屏、通信电缆等组成。２．３．５防雷设计

本系统防雷分为防直击雷、防感应雷。（１）防直击雷设计：本系统屋面太阳能光伏屋面得金属支架及其他金属构件均应与屋面避雷带或防雷引下线可靠连接。

（２）防感应雷设计：为防止感应雷给系统设备造成损坏，本设计拟在以下处安装防雷保护装置：

①地下一层直流配电柜：为保护逆变器不受直流系统引入的感应雷破坏，在直流配电柜内安装直流防雷器。

②地下一层交流配电柜：为保护逆变器不受市电引入感应雷破坏，在交流配电柜内安装防雷器。

３结语

应用ＣＩＳ薄膜电池的光伏建筑一体化的电池板构件设计、光电玻璃板块安装方式、光伏系统的设计

关键配置的选择、监控系统等设计等，这些应用方法、

研究的结论，对推动大型先进薄膜电池ＢＩＰＶ系统的发展很有意义。

参考文献

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图９汇线盒接线图

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Ｆｉｇ．９Ｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｒｉｎｇｆｏｒｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｊｕｎｃｔｉｏｎｓ

（３）直流配电柜：柜子内主要由断路器和防雷器组成。

（４）逆变器：采用由德进口太阳能光伏并网逆变器，即每个子系统配置１台的光伏并网逆变器。

（５）交流配电柜：柜子内主要由断路器、测量计量表及防雷器等附件组成。

（６）动力电缆线：采用低烟无卤交联聚乙烯绝缘乙

太阳能光伏发电系统采用的电烯护套耐火电力电缆。

缆线包括组件间的串并联连接线，组件到汇线盒的连接线，汇线盒到防雷装置的连接线，防雷装置到配电４８

作者简介：李相林（１９７３），男，工程师，主要从事光伏发电与建筑一体化系统研发工作（ｌｉｘｌｉｎ２００８＠１６３．ｃｏｍ）。