赵笑昆,张增光,王新宇

(1.神华(北京)光伏科技研发有限公司,北京 102211；2. 北京市纳米结构薄膜太阳能电池工程技术研究中心, 北京 102211)

0 引言

随着我国经济飞速发展,人民生活水平不断提升,能源消耗日益增加。建筑领域消耗了社会大量资源和能源,其中房屋建筑用钢和水泥分别占全国总产量的50%和60%以上,建筑全生命周期能量消耗约占全国的50%。建筑的使用和运行过程中,也消耗的大量的能源。据中国建筑节能协会能耗统计专委会测算,2015年中国建筑能源消费总量为8.57亿吨标准煤,占全国能源消费总量的20%,建筑总面积达到613亿平方米。其中,北方城镇采暖面积和能耗分别为129亿平方米和1.93亿吨标准煤,采暖能耗强度为14.9千克标准煤/平方米。北方地区供暖季的PM2.5浓度贡献度约占全年的30%[1]。从紧迫的能源节约利用和环境保护现状来看,减少建筑能源消耗,开发绿色节能建筑刻不容缓。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,光伏发电技术可利用太阳能电池实现光能直接转换为电能,在全世界范围内获得广泛应用。将太阳能光伏组件安装于建筑上,可以有效利用太阳能,就近为建筑提供电力,有效的减少电网用电,大大减轻公共电网的压力[2-3]。美国、欧洲均启动了“百万屋顶计划”,德国和日本也分别启动了“十万屋顶计划”和“七万屋顶计划”,获得了巨大成功[4-5]。近年来,将光伏组件直接作为建筑材料应用于建筑,即光伏建筑一体化(BIPV)获得了快速发展。BIPV 并不是光伏与建筑的简单相加,而是是光伏系统依附在建筑物上的一种新技术、新形式,主体是建筑,而客体是光伏组件,是建筑设计与太阳能技术的有机结合[6]。

光伏组件作为建筑材料,应用于光伏建筑一体化中,需能够承受各种高温、低温、雨雪冰雹等各种恶劣气候的影响,保证足够安全性,需同时满足光伏产品的性能要求和建筑材料产品的性能要求[7-8]。然而目前,组件和建材的检测是分离的,组件应用于建筑的安全性方面分析和报告更为少见[9-12]。本文将分析光伏组件的安全性指标,以及建筑领域要求的安全性指标,将两者结合,系统分析组件的安全性能指标及检测方法。

1 光伏组件建筑材料适应性

当前,实现产业化并进入光伏市场并用于光伏电站的太阳能组件可分为晶硅组件和薄膜组件两大类,如图1所示。晶硅组件一般由衬板、晶硅电池片、封装材料、盖板玻璃封装而成,其中电池片可以是单晶硅或多晶硅,如图1(a-b)所示。薄膜组件则是由基板玻璃、玻璃上镀薄膜电池、封装材料、盖板玻璃分装而成,其中薄膜电池有非晶硅(a-Si)、铜铟镓硒(CIGS) 、碲化镉(CdTe)等,如图1(d-e)。晶硅组件和薄膜组件均可应用于光伏建筑一体化,单晶硅组件和多晶硅组件由于转换效率高,目前在电站领域占据主导地位。然而,CIGS等薄膜光伏电池组件,由于其独特的材料特性和电池结构,弱光发电性能好,灰尘、云层、环境遮挡阴影条件下发电性能高,在实际不利的使用环境中发电量高于晶硅组件[13]。因此,在在光伏建筑一体化的应用中,薄膜光伏组件可能成为主流组件。

图1 太阳能光伏组件

太阳能光伏组件作为建筑材料,应用于光伏建筑一体化中,需要符合光伏和建筑的一系列性能和标准的要求。首先,组件要满足发电功率、电压、电流、温度系数等光伏电池的性能要求。其次,作为建筑材料装于建筑的外立面或屋顶,表面需能够长时间承受自然气候不利因素的影响,如日晒、雨淋、风沙等不利因素的侵蚀。再次,表面需能够承受偶然的但是不可避免的人和动物的撞击、建筑楼宇异物掉落的撞击,以及火灾等事故的影响。最后也是最重要的,组件再发生以上事故时,对人们的机械、电气伤害应因可能避免,或最大限度的降低。

2 光伏建筑一体化安全性

首先讨论光伏领域的性能指标及要求,表1列出了太阳能光伏组件应满足的标准。国际电工委员会(IEC)制定了IEC 61215和IEC 61730。IEC 61215规定了光伏组件应满足的光伏性能指标,IEC 61215-1的1-4节分别对晶硅、CdTe、非晶硅和Cu (In,GA) (S,Se)2组件提出专项要求。IEC 61730规定了光伏组件安全性能的指标。UL 1703为组件安全规范,适用于美国及北美地区。GB/T 18911为国标地面用薄膜光伏组件标准,等同采用IEC 61646∶1996,GB/T 9535为国标地面用晶体硅光伏组件晶硅组件,等效采用IEC 1215-1993,GB/T 20047.1为光伏(PV)组件安全鉴定,等同采用IEC 61730-1∶2004。IEC 61215和IEC 61730为最新的国际通用标准,是光伏组件进入市场应满足的最基本的标准。目前国内外光伏组件厂家均采用最新的IEC 61215和IEC 61730测试组件,并向认证机构申请认证。

表1 太阳能光伏组件标准

接下来,将从电气、机械、防火三个角度,结合光伏和建筑的性能指标,讨论光伏建筑一体化的安全性

2.1 电气安全性

表2列出了太阳能光伏组件应满足电气方面安全性的性能指标。可接触性、切割敏感性、等电位连续性、冲击电压试验、绝缘性能、湿漏电流、接线端稳健性等7项指标,根据IEC 61730规定,为光伏组件作为电站材料的安全性基本要求。根据组件的具体结构,个别指标不做要求。光伏组件应用于建筑时,其防雷设计应作为建筑电气防雷设计的一部分,表3列出了建筑防雷设计的有关标准及要求。GB 50057规定,建(构)筑物防雷设计,应在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律,以及被保护物的特点等的基础上,详细研究并确定防雷装置的形式及其布置。

表2 太阳能光伏组件电气安全性指标

表3 建筑防雷设计标准及要求

2.2 机械安全性

表4列出了太阳能光伏组件应满足机械方面安全性的指标。螺钉连接性能、接线端稳健性分别表征螺钉和接线端子的连接性能,抗剥落性能、搭接剪切强度考察组件不同层间粘结性能,机械荷载性能考察组件实际应用时能够承受的静态机械荷载的能力,破损量反映组件应用中发生破损时,掉落玻璃等碎片的量,确保对人的伤害尽可能低。表5列出了太阳能组件作为建筑材料,应满足安全性能要求。可以看到,建筑领域标准较多,针对某个特定性能,不同标准均有规定,且存在互相引用。抗风压性能在多个标准均有规定,对于光伏组件的测试可按照GB/T 7106进行。抗水平荷载性能和抗垂直荷载性能可按JG/T 342测试。耐撞击性能由GB/T 21086规定,但是测试对象是整个幕墙,而对光伏组件可按GB 29551标准测试耐落球冲击剥离性能和霰弹袋冲击性能。抗软重物体撞击性能模拟人或动物对组件的撞击,测试与霰弹袋冲击性能类似,抗硬重物体撞击性能模拟物体对组件的撞击,测试与落球冲击剥离性能类似,这两项性能可按JG/T 342测试。光伏组件应用于建筑时,建筑的抗震设计依据GB 50011根据光伏组件特点设计。

表4 太阳能光伏组件机械安全性能指标

表5 建筑材料机械安全性指标

2.3 防火安全性

表6列出了太阳能光伏组件防火安全性方面的性能指标。温度性能和可燃性表征组件组成材料的火灾性能,热斑耐久性、旁路二极管热性能、反向电流过载性能评估组件实际应用条件下对光照造成高温的火灾性能,火灾试验评估组件应对外部货源条件下防火的能力。光伏组件作为建材应用于建筑时,组件的防火性能应与建筑的防火设计结合起来,表7整理了与光伏组件有关的建筑领域的防火要求。幕墙的防火设计应符合GB 50016的有关规定。光伏组件应满足所替代部位建筑材料或建筑构件燃烧性能分级的要求,光伏组件的燃烧性能可按GB 8624测定。

表6 太阳能光伏组件火灾性能指标

表7 建筑材料防火要求

3 结论

(1)晶硅和薄膜组件均可应用于光伏建筑一体化,薄膜组件由于其材料特性在不利条件下发电量更高,更有利于建筑应用。光伏组件作为建筑材料,需同时符合光伏和建筑的要求；

(2)光伏组件应用于光伏建筑一体化,应检测绝缘性能、湿漏电流、等7项电气指标,光伏组件防雷设计应作为建筑电气防雷设计的一部分；

(3)光伏组件应用于光伏建筑一体化,应根据组件的具体结构检测机械荷载、抗剥落性等7项机械指标,根据组件在建筑的应用位置相应检测抗风压性能、耐撞击性能等安全性能；建筑抗震设计应考虑光伏组件特点设计；

(4)光伏组件应用于光伏建筑一体化,应检测组件温度性能、可燃性、热斑耐久性等6项性能,光伏组件应满足所替代部位建筑材料或建筑构件燃烧性能分级的要求。