淺談建筑光伏一體化的發(fā)展及其產(chǎn)品認證

王 冬 肖鵬軍 邱 娟 王精精

（中國建筑材料認證中心有限公司，北京 100024）

（國家建材工業(yè)太陽能光伏（電）產(chǎn)品質(zhì)檢中心，北京 100024）

1 引言

目前，石油、煤、天然氣等化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供應中約占87.7%，其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然氣占23.9%。雖然根據(jù)世界能源統(tǒng)計報告的數(shù)據(jù)顯示，世界能源儲量仍在繼續(xù)增加，但人類社會的能源消耗也是逐漸增長的。以目前的消耗速度，不需100年，世界的石油和天然氣等能源資源終將枯竭。能源的緊缺提出了對可再生能源的需求，而太陽能作為一種只要太陽光能照射到的地方都可以使用的能源受到廣泛的關注，它的使用已經(jīng)從最初在邊遠地區(qū)和缺電地區(qū)的使用，逐漸的轉(zhuǎn)移到發(fā)達國家城市的使用；從簡單的使用和安裝太陽電池板，到現(xiàn)在能夠把太陽電池板和建筑進行比較好的結合，使得太陽能光伏發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間。光伏發(fā)電不消耗化石能源資源和水資源，不產(chǎn)生污染，也沒有溫室氣體排放，既適合分散使用，也可以集中建設大型光伏發(fā)電站，為未來經(jīng)濟發(fā)展前景的可再生能源打下基礎。因此各國政府高度重視太陽能發(fā)電，并把太陽能發(fā)電作為未來首選發(fā)展方向。

2 太陽能發(fā)電的原理和太陽能電池的類型

2.1 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能發(fā)電基本原理就是“光生伏特效應”，簡稱“光伏效應”（Photovoltaic effect），是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。簡單的講就是太陽光照射在半導體PN結上，由于PN結勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，結果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。這就是光電效應太陽能電池的工作原理（如圖1所示）。光伏效應首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次是形成電壓過程。有了電壓，在合適條件下就會形成電流的回路。

圖1 太陽能發(fā)電基本原理

2.2 太陽能電池分類

根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池主要分為以下幾類：

（1）硅太陽能電池

硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和原子無序排列的非晶硅薄膜太陽能電池三種。目前實驗室單晶硅和多晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達到25%和20.5%。單晶硅規(guī)模生產(chǎn)時的效率已經(jīng)大于16%。單晶硅制造過程極其細致且緩慢，其內(nèi)部是規(guī)則的晶體結構，表現(xiàn)出可預測和均勻的行為特性。多晶硅制造工藝相對簡單，內(nèi)部晶界的存在阻礙了載流子的遷移，造成了有效的電子空穴復合點和P-N結短路，因此降低了電池的性能。非晶硅結構特征為短程有序而長程無序的α-硅，光電轉(zhuǎn)換效率最高已達到13%。，但生產(chǎn)中電池組件的穩(wěn)定效率僅為5.5%-7.5%。

（2）高效III-V族化合物薄膜太陽能電池

高效III-V族化合物材料種類繁多，最主要的是砷化鎵（GaAs）電池。 以砷化鎵（GaAs）為代表的III-V族化合物材料有很多優(yōu)點，比如它們具有直接帶隙的能帶結構，光吸收系數(shù)大，具有良好的抗輻射性和較小的溫度系數(shù)。砷化鎵（GaAs）電池，無論是單結電池還是多結疊層電池，其轉(zhuǎn)換效率都是迄今為止最高的。但是由于其價格昂貴，制備技術復雜，導致成本過高，因此除了空間應用外，GaAs電池地面應用很少。近年來，隨著疊層電池轉(zhuǎn)換效率的提高及聚光太陽電池技術的發(fā)展，聚光III-V族化合物太陽電池在地面應用越來越廣泛。

（3）銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池屬于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物半導體，具有黃銅礦的晶體結構，自20世紀70年代出現(xiàn)以來，發(fā)展迅速，目前已經(jīng)逐步產(chǎn)業(yè)化。由于CIGS是一種直接帶隙材料，其可見光的吸收系數(shù)高，因此非常適合太陽電池的薄膜化。CIGS吸收層厚度只需1.5-2.5微米，整個電池厚度為3-4微米。其具有穩(wěn)定性好、基本不衰減；弱光性好、抗輻照性能好、成本低、效率高等優(yōu)點。大面積電池組件轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)量根據(jù)各公司制備工藝不同而有所不同，一般在10%至15%范圍內(nèi)。CIGS電池是新一代太陽能電池的主流產(chǎn)品之一。

（4）染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽電池的原理主要是模仿綠色植物光合作用，把自然界中的光能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型太陽電池，主要由導電基底材料（透明導電電極）、納米多孔半導體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和對電極。自1991年染料敏化太陽電池取得突破性進展以來，染料敏化太陽電池已經(jīng)成為十分活躍的研究領域。其成本低、效率高。技術門檻相對較低。目前染料敏化太陽電池有三個應用方向：折疊式移動戶外充電設備、室內(nèi)用充電電池、家庭用屋頂或墻壁用電池。

（5）硅異質(zhì)結光伏電池（HIT）

HIT太陽能電池是一種利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太陽能電池。這種太陽能電池按單位面積計算的發(fā)電量保持著世界領先水平，通過在P型氫化非晶硅和N型氫化非晶硅與N型硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜,改變了PN結的性能。因而使轉(zhuǎn)換效率達到20.7%，開路電壓達到719 mV，并且全部工藝可以在200℃以下實現(xiàn)。HIT光伏電池具有制備工藝溫度低、轉(zhuǎn)換效率高、高溫特性好等特點。

單個太陽能電池能夠?qū)⑻栞椛淠苤苯愚D(zhuǎn)換成電能，但是其發(fā)電能力很小，因此工廠將太陽能電池按照一定串并連方式聯(lián)結并封裝，就形成了太陽能光伏組件。目前市場上見到的太陽能產(chǎn)品大部分是太陽能光伏組件。

3 光伏建筑一體化（BIPV）

3.1 光伏建筑一體化的概念

太陽能電池在建筑上的應用一般分為兩種方式，一類是將光伏方陣依附于建筑物上，充分利用現(xiàn)有建筑物的空閑空間，將建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用，一般將這類光伏系統(tǒng)稱之為支架式光伏建筑（Building Attached photovoltaic，簡稱BAPV）。光伏系統(tǒng)跟這個房子沒多大關系，只是借用了房屋屋頂或立面的面積（見圖2屋頂）。組件與屋頂整合可以最大限度的接受太陽光的照射，還可以兼做屋頂?shù)恼陉柊寤蛘咦龀赏L隔熱屋面，減少屋頂夏天的熱負荷。組件與屋頂?shù)臉嬙熳龇ㄓ袃煞N方式，一種是兼為屋頂防水構造層次的部分，這時必須要求光伏組件系統(tǒng)具有良好的防水性能，另外一種是單獨作為構造層次位于防水層之上，后者對于屋頂防水具有保護功能，可以延長防水層的使用壽命。

另一類是光伏方陣與建筑的集成（見圖2），比如光伏組件與屋頂、幕墻、遮陽系統(tǒng)等結合或集成，光伏組件作為建筑物的構件，變成了建筑物不可分割的一部分，一般將這類光伏系統(tǒng)稱之為光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，簡稱BIPV）。由于房屋屋頂或立面有較多的受光面積，同時便于安裝，光伏方陣與建筑的結合不占用額外的地面空間,因此光伏采光頂或幕墻在國外得到了廣泛應用。

光伏建筑一體化是應用太陽能發(fā)電的一種新概念，它將各種類型的太陽能光伏組件與建筑有機的結合，具有減少建筑能耗、節(jié)約占地，提高發(fā)電效率，減少輸電線路的投資和損失，替代或部分替代建筑材料等優(yōu)點。它不是簡單地將光伏組件和建筑疊加，而是根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀、實用的總體要求，將太陽能光伏組件作為一種新型節(jié)能的建筑材料融入建筑領域，使其真正成為建筑的有機組成部分。

圖2 光伏方陣依附于建筑物上（BAPV）

圖3 光伏方陣與建筑的集成（BIPV）

光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)可分為三類：一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標準接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流；另一類是獨立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池；第三類是混合光伏系統(tǒng)，即獨立發(fā)電+并網(wǎng)發(fā)電的組合形式。

3.2 光伏建筑一體化的發(fā)展

德國、美國、法國、澳大利亞、英國等發(fā)達國家擁有相當先進的太陽能建筑應用技術并大規(guī)模應用。在德國和美國，對太陽能建筑的研究、設計優(yōu)化、還是材料、房屋部件結構的產(chǎn)品開發(fā)、應用，以及形成商業(yè)運作的房地產(chǎn)開發(fā)，均處于世界領先地位，并在形成了完整的太陽能建筑產(chǎn)業(yè)化體系。1990年原西德在世界上率先推出“1000屋頂計劃”，到2000年又推出了10萬屋頂計劃。2009年，德國屋頂光伏項目占德國每年新增裝機的80%。美國于1997年開始實施百萬陽光屋頂計劃，計劃到2010年完成10萬套。法國、澳大利亞荷蘭等國家也陸續(xù)制定了本國的屋頂計劃。近幾年來在發(fā)達國家已有相當發(fā)展水平的“零能房屋”，即完全由太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到了清潔、無污染，代表了21世紀太陽能建筑的發(fā)展趨勢。隨著光伏發(fā)電領域的技術不斷進步，許多國家（如美國、德國）都制定了太陽能在國家總能源消耗中的所占比例應超過20%的計劃。

我國BIPV系統(tǒng)的研究與開發(fā)也已取得了很大的發(fā)展。根據(jù)我國制定的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃預測：到2020年光伏建筑并網(wǎng)發(fā)電量要占到光伏總發(fā)電量的62.5%（見圖4）。由于我國建筑光伏一體化起步較晚，因此目前在國內(nèi)還處于示范階段。

圖4 中國到2020年的光伏發(fā)電市場份額預測

4 BIPV組件設計要求

應用于建筑光伏一體化系統(tǒng)的光伏組件可以是單晶硅、多晶硅、薄膜電池等各種電池組件，這些光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求，同時還要兼顧建筑的基本功能要求。具體要求如下：

（1）安全性能要求

光伏組件的安全性能主要表現(xiàn)在兩個方面：一是結構設計、選用材料是否符合使用要求；二是光伏組件本身是否滿足安全性能要求。

（2）長期可靠性設計要求

當光伏組件應用于建筑之后，尤其是應用于幕墻時，組件的長期可靠性要滿足要求。

（3）產(chǎn)業(yè)化要求

產(chǎn)業(yè)化要求就是組件的標準化、通用化、模塊化，產(chǎn)品規(guī)格的統(tǒng)一才能保證設計的有據(jù)可依，同時可以提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。

（4）發(fā)電應用能力

BIPV的應用不能僅僅是一個概念，而是要切實的應用到日常生活中。因此，確保光伏組件能正常發(fā)電，并在發(fā)電基礎上得到充分有效的利用。

（5）建筑節(jié)能

作為綠色和節(jié)能的代表，太陽能光伏組件應用在建筑上時，必需滿足原有建筑該部位的節(jié)能要求。

（6）防火性能

由于光伏組件有熱斑效應，在發(fā)電的過程中會伴隨著發(fā)熱，熱量集聚到一定程度后可能會引起周圍易燃物的燃燒。此外，光伏組件作為屋面材料或安裝在現(xiàn)有屋面之上時，這些組件可能暴露在火災中，因此需要滿足一定的防火等級。

5 BIPV的相關認證

目前世界上還沒有一個專門針對BIPV系統(tǒng)的相關認證，現(xiàn)有的認證體系都是針對光伏組件的產(chǎn)品認證，主要有以下幾種：

（1）依據(jù)IEC標準的認證

主 要 是 依 據(jù)IEC 61215、IEC 61646、IEC 61730等太陽能相關標準對組件進行測試，根據(jù)測試結果頒布認證證書。歐洲眾多的認證機構一般將IEC系列標準作為光伏組件認證最主要的技術依據(jù)，開展IEC光伏組件認證的機構有德國萊茵TUV和VDE、荷蘭KIWA、法國BV、西班牙APPLUS、意 大 利RINA等 等，其 中，TUV認 證的知名度最高。

（2）依據(jù) UL標準的認證

在北美市場上銷售的電子、電器等產(chǎn)品都需要取得安全方面的認證。因此出口到北美的光伏組件，需要按照UL1703作安全測試。可以按照UL 1703開展光伏組件認證的機構有美國保險商實驗室UL、加拿大標準協(xié)會CSA、天祥Intertek等。

（3）金太陽認證

“金太陽認證”是在國家認證認可監(jiān)督管理委員會的領導下，在國家發(fā)改委、世界銀行、全球環(huán)境基金“建立中國太陽能光伏產(chǎn)品認證體系”項目的支持下，對中國太陽能光伏類產(chǎn)品權威的認證。通過認證的產(chǎn)品允許貼有“金太陽”認證標志。除國內(nèi)市場的認可外，金太陽認證得到世界銀行項目的廣泛認可。

（4）CCC強制認證

國家認證認可監(jiān)督管理委員會于2009年發(fā)布的《安全玻璃類強制性產(chǎn)品認證實施規(guī)則 安全玻璃產(chǎn)品》將光伏夾層玻璃作為特殊的夾層玻璃納入了強制性產(chǎn)品認證的范圍。當光伏夾層玻璃使用在建筑物的幕墻、頂棚等部位時，玻璃的安全性能應滿足《建筑安全玻璃管理規(guī)定》，即光伏夾層玻璃需要通過國家強制性產(chǎn)品認證（CCC認證）。該認證目前只針對光伏夾層玻璃材料的安全認證，沒有涉及到BIPV光伏組件的電氣安全性能、防火性能等。

如上所述，不論是依據(jù)IEC或UL標準的光伏組件認證，還是鑒衡的金太陽認證和中國質(zhì)量中心的光伏（PV）產(chǎn)品認證，都主要針對地面電站用光伏組件的認證。光伏玻璃的CCC強制認證是針對夾層玻璃材料的一個安全認證，這些認證都是獨立于BIPV系統(tǒng)之外，只針對光伏組件本身的電性能或者材料安全性能的認證，尚缺少一個可以綜合評價組件電性能、電氣安全性能、材料的安全性能、防火性能的BIPV認證體系。

6 結語

BIPV這種新型的建筑應用形式是隨著太陽能組件的發(fā)展而發(fā)展起來的，在國外應用廣泛，不僅降低了建筑物能耗，節(jié)約了能源，而且擴展了能源選擇。但是由于BIPV出現(xiàn)的時間相對比較短，到目前為止，IEC、EN、UL等國際化組織和認證機構還未頒布相關的BIPV標準，只有德國VDE剛頒布了一個BIPV標準。同時，目前世界范圍內(nèi)也沒有一個完善的BIPV認證制度。這些問題的存在給BIPV的發(fā)展帶來了不利影響，但是隨著廣大科技工作者的深入研究，相信這些問題會得到改善，并使BIPV健康發(fā)展。