多材质屋顶光伏发电复合系统应用效果对比研究

多材质屋顶光伏发电复合系统应用效果对比研究

赵治文1,2,张时聪3,4,彭杨柳1,2,陈乃杰1,2

海南亿兴城建投资有限公司，海口，570300  海南亿隆城建投资有限公司，海口，570300

中国建筑科学研究院有限公司，北京，100013  4. 建科环能科技有限公司，北京，100013

摘要：应双碳目标的响应，建筑业能源消耗巨大，建筑光伏一体化将太阳能转换为电能供建筑使用，有利于减少碳排放。本文以海南首个自主研发“双碳”示范项目淇水湾旅游度假综合体为例，对比分析单晶硅、碲化镉和铜铟镓硒三种材质的发电效果。根据10～12月三个月电量监测数据可知，单晶硅材料发电量最大，其次是碲化镉，最后是铜铟镓硒。在海南省冬季，碲化镉的弱光性对发电量的影响明显，碲化镉发电量多于转换率更高的铜铟镓硒。发电量最大的单晶硅具有绝对优势，是最适合海南省屋顶光伏的材料之一。碲化镉具有的弱光性会大大提升其发电量，若利用好这一特性，在未来的光伏行业中具有深刻意义。

关键词：屋顶光伏；单晶硅；碲化镉；铜铟镓硒；零碳建筑

引言

2020年9月，中国首次提出了碳达峰的目标：力争2030年达碳达峰，2060年前实现碳中和。建筑行业作为碳排放占比三大巨头之一的行业，早就有所行动。近些年，绿色建筑、零碳建筑、生产性建筑等环境友好型建筑蓬勃发展。自然界中有着取之不尽用之不竭的能源，太阳能、风能、水能等。太阳能光伏发电是建筑领域应用最为广泛的技术。美国、日本和德国等较早开始利用光伏太阳能的国家，技术已相当成熟，应用广泛。我国也是发展迅速，2015年我国太阳能发电量已位居全球第二位。为达到碳中和的目标更应该将太阳能发电技术和建筑有机结合，太阳能供电，减少碳排放，建筑物能自给自足，实现碳中和目标。

我国已经有很多光伏建筑实例，如广东惠州碧桂园潼湖科技创新小镇、太原市某工厂内员工餐厅、慈溪天和家园小区屋顶光伏和西安市某高层建筑屋顶并网光伏等。海南省是我国最南端的一个省份，处于热带海岛地区，常年日照强度高，年辐射照度超过5000MJ/m2，年平均气温在22～26℃，太阳资源丰富。当海南省采用发电效率高于20%的高性能光伏系统时，既有建筑的屋顶光伏全年发电量可达116亿KWh[1]。这一可观的数据表明在海南省充分利用建筑光伏系统是实现碳中和的有效途径之一。

目前国内外广泛研究的各种材质的太阳能电池，单晶硅、碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的发电效率逐渐成为大家所瞩目的焦点，本文以海南省第一个零碳建筑淇水湾旅游度假综合体项目为例，研究对比三种不同材质单晶硅、碲化镉、铜铟镓硒光伏发电系统的发电量，并进行综合评价。

1.光伏发电系统

光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应将太阳能转换为电能的系统，其结构主要有光伏电池阵列、逆变器和控制器。光伏板接收太阳能，将太阳能转换为直流电能，然后直流电能通过逆变器转换为建筑物内可以使用的交流电，最后再经过控制器分配给各个用电器，若有储能设备多余的电量也可储存。更为胜者，在满足建筑物使用的同时，转换的更多电量还能汇入电网，为电网供电。图1是光伏发电系统原理图。

图1 光伏发电系统原理图

1.1单晶硅光伏发电系统

单晶硅材料最早用于光伏发电，可以追溯到1941年，奥尔在硅上发现光伏效应。因为其研发时间最长、最成熟，在市场上占有主导地位，占比达90%以上。单晶硅这么受欢迎的原因也是其转化率是较其他光伏材料最高的，实验室中理论光电转换效率为24.8%[2]。目前市场上的一线单晶硅光伏组件的光电转换效率在18%左右，美国Astropower公司采用制备的电池效率达12.2%[3]，北京市太阳能研究所制备的单晶硅电池，将光电转换效率提升到了19.8%[4]。

硅资源丰富，在地壳中，它是第二丰富的元素，仅次于氧。但它极少以单质的形式存在，常以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。所以硅材料易取材，制备方式多样，使用寿命长。不过制备单晶硅成本高，需要在厚度350～450μm的高质量硅上制得，厚度比较厚，易碎，易产生隐形裂纹，且制备工艺复杂，这也是薄膜电池兴起的原因之一。图2是淇水湾项目单晶硅太阳能电池实拍图。

图2 单晶硅屋顶光伏发电系统

1.2碲化镉光伏发电系统

碲化镉（CdTe）属于非晶硅类的薄膜太阳能电池。碲化镉外观为黑色块状物，不溶于水，在硝酸中分解。CdTe可以通过掺入不同杂质获取n型或p型半导体材料，具有很高的光吸收系数（>5×105 /cm）。

碲化镉的禁带宽度约为1.45eV，其拥有与太阳能光谱相匹配且大大高于硅材料的吸收系数等特性，适合制备高效薄膜太阳能电池，理论转换转化率达28%。1982年，kodak实验室制出现阶段碲化镉太阳能电池原型；20世纪90年代，开始批量生产，但发展缓慢，市场份额率只占了1%左右；2016年，美国第一太阳能生产的碲化镉太阳能电池转换效率已经达到22.1%。我国学者吴选之在2004年制备出的碲化镉太阳能电池转换效率达到了16.5%。其带领的龙焱能源在2014年制备的碲化镉组件产品转换效率已达到13%

[5]。

碲化镉结构上是多晶态。多晶薄膜和非晶薄膜在性质上有重要的不同点：结构稳定，不存在光致变化效应；能隙和单晶的相近与晶粒尺寸、晶粒间界势垒有关；晶界势垒会影响载流子输运，也会影响到掺杂效果[6]。图3为项目碲化镉屋顶发电系统，碲化镉薄膜较晶硅材料可以做得很薄，最薄可达到2μm。图2和图3对比，可以很明显的看出来碲化镉厚度要比单晶硅薄得多。而且碲化镉观赏性更强色彩均匀，美观大方。大面积碲化镉光伏组件色彩均匀、美观、整体感强，可用于美观性较强的建筑。在光伏市场上，它已经成为占据主流硅基太阳能电池产品的竞争对手。根据文献[7]研究结果表明，碲化镉薄膜太阳能电池本质上适合于弱光强辐照度下的发电。

图3 碲化镉屋顶光伏发电系统

1.3铜铟镓硒光伏发电系统

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池也是具有市场潜力。铜铟镓硒材料是从铜铟硒化物发展而来的，CIGS的组成材料CuInSe2和CuGaSe2属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物，以四方黄铜矿晶体结构呈现出来[8]。1953年首次制出的单晶CuInSe2基太阳电池，转换率就已经达12%，1976年，制出的多晶CIS薄膜太阳能电池，转换率为4%～5%，几年后CIS薄膜太阳电池转换率达11.2%，CuInSe2薄膜电池转换率为3.6%。1998年商业化的CIGS太阳电池首次投入生产，几十年发展后CIGS薄膜太阳能电池实验室光电转换率最高可达22.9%，十分接近晶硅类材料转换率[9]。2018年，我国国内小面积铜铟镓硒电池的效率提升至21.49%[10]。不过，实际使用中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[11]。

CIGS是一种直接带隙材料，具有较高的吸收系数，近１μm厚的薄膜就能吸收大部分太阳光谱，使用它可以较单晶硅和碲化镉材料做得更薄，在幕墙光伏应用广泛。铜铟镓硒材料形式较美观、色彩尺寸均可定制，易形成功能性和艺术性兼具构件。

2.项目概况

海南省属于独特的热带海岛地区，本文所研究的淇水湾旅游度假综合体项目建设地点为海南省文昌市龙楼镇，位于海南省东北部，东经：110.20672度、北纬：20.05211度，地理位置优越，当地太阳资源丰富，常年四季温暖，阳光充足，雨量充足，长夏无冬。年光照为1750～2650小时，太阳总辐射4500～5800MJ/m2，光照率为50%～60%，光温充足，光合潜力高。年降水量在1000毫米～2600毫米之间，年平均降水量为1639毫米。年平均气温为22～27℃，7至8月为平均温度最高月份，气温为大概在25～29℃。该项目是海南首个自主研发“双碳”示范项目，总建筑面积2.24万m2，通过系统性的节能减碳设计，实现节能30%以上。预计每年清洁能源发电量为91万kwh，百分之百满足建筑全年用电后，还可实现电力上网12.89万kwh。预计每年可减少530t CO2排放，可减少112 t标准煤的燃烧，达到了零碳零能耗目标。

2.1屋顶光伏发电系统的组成

本项目屋顶应用单晶硅、碲化镉薄膜、铜铟镓硒薄膜三种光伏发电系统，如图4所示，单晶硅光伏发电系统共有824块2256mm×1133mm，敷设面积为2895m2，装机容量为453.2kWp；碲化镉薄膜光伏发电系统共有453块1200mm×600mm，敷设面积326m2，装机容量为45.3kWp；铜铟镓硒薄膜光伏发电系统共有42块1650mm×650mm，敷设面积为45m2，装机容量为6.3kWp；屋顶光伏总装机容量为504.8kWp。

图4 屋顶光伏全景图

2.2各材质发电量情况

该项目于9月正式投入使用，本文收集该项目10～12月发电数据。对该屋顶光伏系统进行监测记录，结果如表1所示。总体上来看，单晶硅材质发电量最多达108686 kw•h，其次是碲化镉10400 kw•h，最后是铜铟镓硒材料1354kw•h。但是，因为使用的三种材料的装机容量和安装面积相差较大，本文以kw•h/m2进行对比分析三种材料发电性能。

表1 10～12月 三种材质屋顶光伏总发电量

从得到的数据来看，单晶硅Si材料的转换率最高，其发电量最大。碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）发电量相差不大。因为铜铟镓硒材料的转换率高于碲化镉，理论上来说，铜铟镓硒材料的平均发电量应该大于碲化镉材料，但是由于碲化镉弱光性的特性，两者发电量相当。由此可见，若利用好碲化镉的弱光性，碲化镉材料发电量会大幅增加。

表2 10～12月 三种材质屋顶光伏发电量对比

若将三个月分开比较分析如表2所示，10月发电量最多，后面两月逐次减少。根据气象天气网站显示文昌市10月平均最高气温为27℃，11月平均最高气温为26℃，12月平均最高气温为20℃。发电量与气温变化趋势相同，温度降低，发电量有一定程度的减少。海南省从11月进入冬季，从监测数据上显示，冬季发电量除供建筑物用电外，还能有多余的点上网供电和储能。由此可以推断，海南省其他月份发电量是绰绰有余，建筑完美到达“零碳”目标。

图6 三种材质发电量对比图

由上述图像可知，再结合气象数据，10～12月温度逐渐降低，太阳辐射量减弱，三种材质在三个月内发电量逐次减少。其中单晶硅Si 11月发电量较10月下降了22.98%，12月发电量较11月下降了16.48%；碲化镉CdTe 11月发电量较10月下降了17.19%，12月发电量较11月下降了18.35%；铜铟镓硒CIGS 11月发电量较10月下降了19.67%，12月发电量较11月下降了14.65%。单晶硅材料对于温度的敏感度更强，虽然该材料发电量最大，但是受温度影响较大，特别是冬季温度不太高，发电效率大幅减弱。而碲化镉材料的弱光性虽然使发电时间延长，但发电量增加不多，单晶硅依旧发电量最多。铜铟镓硒材料虽然美观，但是用于屋顶光伏发电有些大材小用，屋顶对于建筑物整体美观影响不大，三种材质对比下来，铜铟镓硒发电量并未有很大优势。

2.3 环境效益和社会效益

该项目是海南省零碳建筑的示范性项目，应保证建筑在运维阶段发电量和碳排放量相抵消，甚至光伏发电量更大，才能达到零碳标准。根据上述数据，系统10月～12月净发电量为120440kw•h。根据《中国电力行业现状深度分析与发展前景研究报告（2022-2029年）》所得出的数据，现阶段我国供电煤耗率为304.8g / (kw•h)，该系统在三个月内节约了36.71 t标准煤。

根据文献[12]的数据可知，燃煤发电每kw•h 1.09元的环境成本，所以该项目3个月供节约了13.12万元环境成本，那么一年52.48万元，十年524.8万元。建筑物的使用周期长，光伏设备使用寿命也长，如此计算下来，环境成本也节约了一大笔钱。

社会快速发展的同时，也对自然界产生了一定的影响。目前许多国家已提出碳中和的目标，中国作为负责任的大国主动扛起保卫地球的责任，于2020年提出碳中和的目标。建筑业是中国能源消耗三大交通、工业和建筑之一，要从建筑出发实现零碳。该项目自运行期开始，2022年10月～12月光伏总发电量为153654 kw•h，其中屋顶光伏占比120440 kw•h，占整个项目发电的78.38%。达到零碳目标还供电上网57925 kw•h，为海南省光伏发电项目起了示范性作用，有力地鼓励了企业使用光伏系统供电，促进碳中和目标的实现。

3.结论

本文通过三个月内对海南省项目三种材质屋顶光伏进行监测分析，总结各种光伏的特点、效率以及优缺点等性能以及对海南省的适用性。根据三个月监测数据得到，单晶硅材料发电量最大，总发电量为49728 kw•h；其次是碲化镉，总发电量为38561 kw•h；最后是铜铟镓硒，总发电量为32151 kw•h。单晶硅适用于海南省光伏发电。

首先，由上文数据可知，单晶硅依旧具有强大优势，发电量远远大于其他两种材质，不过对于温度变化比较敏感。但是本文监测数据仅为10月～12月，这三个月温度降低，变化较大。然而以全年来看海南省年平均温度为22～27℃，其温度适宜单晶硅发电。其次，碲化镉的弱光性会大大影响发电量。根据上文可知，碲化镉的转换率低于铜铟镓硒，而最终总发电量却高于铜铟镓硒，说明碲化镉的弱光性增加了发电量。弱光性也就是指太阳能板在阳光强度没有那么强的时候，比较弱的时候也能将太阳能光转化为电能，就大大增加了发电量。最后，因为碲化镉材料比铜铟镓硒材料薄，美观性好，市场中常用于幕墙光伏。但是在应用于屋顶光伏中，铜铟镓硒没有明显优势。

单晶硅作为最早研发出来的太阳能材料，占据市场主流，制作工艺成熟，转换率高，具有绝对的优势。本文的研究中，单晶硅应用于海南省的屋顶光伏发电量也是十分突出。碲化镉的弱光性在海南省冬季具有明显优势，发电量大于转换率高的铜铟镓硒，具有很大的潜力。若好好利用碲化镉材料的弱光性，对于光伏行业具有深刻意义，对薄膜电池也有积极影响。本项目由于监测时间较短且为冬季较特殊，后续可针对海南省全年碲化镉的弱光性展开研究。

参考文献

[1]张蕊,刘常平,杜鑫,李国辉,陈旺,陈曦.基于典型案例分析的海南省既有建筑光伏应用发电潜力研究[J].建设科技,2022(19):36-40.DOI:10.16116/j.cnki.jskj.2022.19.008.

[2]申翔. 建筑屋顶光伏发电系统的研究与应用[D].广西大学,2021.DOI:10.27034/d.cnki.ggxiu.2021.000584.

[3]刘长青. 单晶硅太阳能电池的光伏特性及传热过程的研究[D].广西大学,2008.

[4]王英连.晶硅太阳电池的研究现状与发展前景[J].科技创新与应用,2018(25):62-63+66.

[5]张兆龙,时方晓,曲汝丹,舒云佳,杨坤麟. 薄膜太阳能电池的研究和应用进展[C]//.第十五届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）.[出版者不详],2018:45-48.

[6]冯良桓,蔡亚平,张静全,武莉莉,黎兵,李卫,雷智,蔡伟,郑家贵. 碲化镉薄膜太阳电池技术和产业化进展[C]//.第十届中国太阳能光伏会议论文集：迎接光伏发电新时代.,2008:47-50.

[7]CdTe solar cell performance under low-intensity light irradiance[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2016, 144:472-480.

[8]A simple model for the photocurrent density of a graded band gap CIGS thin film solar cell [J] . Nima E. Gorji,Ugo Reggiani,Leonardo Sandrolini.  Solar Energy . 2011 (3)

[9]曲晶晶,张林睿,宋雪梅,张永哲,汪浩,严辉.铜铟镓硒基薄膜太阳电池的研究进展[J].稀有金属,2020,44(03):313-327.DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY18090030.

[10].2019年中国光伏技术发展报告(1)[J].太阳能,2020(01):25-32.

[11]王亮,郭辉.铜铟镓硒光伏幕墙在建筑设计中的应用[J].信息技术与标准化,2020(09):83-85.

[12]孙可.几种类型发电公司环境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(03):23-26.DOI:10.16189/j.cnki.nygc.2004.03.008.

※课题项目：海南省住房和城乡建设厅“海南城乡建设领域碳达峰碳中和的目标、策略和技术路径研究”（编号：20220125640050004）；海南亿兴城建投资有限公司“光电建筑技术研究与试点项目应用”（CGDG-2021-JS-03）