光伏建筑一體化組件安全可靠性與檢測認證

馮江濤，馮 皓， 揭敢新

（中國電器科學研究院有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣東廣州510663）

改革開發30年以來，我國的經濟快速發展，與此同時能源供需的矛盾日漸凸顯，根據國家統計局數據，2008年我國能源消耗總量是能源生產總量的1.1倍，能源需要大量進口，以石油為例：2009年我國石油產量為1.89億噸，石油的進口量為1.9億噸，我國石油(原油及油品)對外依存度已從2008年的50.87%上升至52.63%。另外，由于我國能源供應主要依賴煤炭、石油、天然氣等化石能源，化石能源的資源有限性和開發利用帶來的環境問題嚴重制約著經濟和社會的長期可持續發展。發展及大規模利用新能源和可再生能源技術不但可以緩解能源供需矛盾的現狀，而且對我國經濟的長遠發展具有極為重要的戰略意義。作為可再生能源的太陽能，資源豐富具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力，其中光伏建筑一體化(BIPV)是太陽能發電應用的主要形式之一，BIPV技術的大規模應用不但可以通過并網發電緩解能源供給緊張的局面，還可以降低建筑物能耗，構建綠色城市環境。

1 光伏建筑一體化技術國內外發展現狀

1.1 政策方向

BIPV是將太陽能發電模塊集成于建筑中的一種應用太陽能發電的新技術，可廣泛用于建筑物的遮陽系統、幕墻、屋頂和門窗等。全球各國及組織自20世紀90年代初就著手于BIPV的規劃和實施。美國在1997年6月啟動了“百萬屋頂光伏計劃”，計劃到2010年總裝機容量達到3025 MWp，每年減排二氧化碳35億噸。歐洲也在1997年宣布了“百萬屋頂計劃”，德國提出在6年內安裝總裝機量為500 MW的10萬套光伏屋頂系統。日本的通產省在1997年宣布“七萬屋頂”計劃，安裝37 MW屋頂光伏系統；除了屋頂光伏系統外，日本還嘗試安裝光伏幕墻組件，日本政府計劃今年安裝5000 MW屋頂光伏發電系統。據國際能源機構（IEA）的統計，IEA光伏計劃(PVPS)中國家聯網光伏裝機量已經從2000年1000 MW增加到2008年14000 MW。

我國于1958年開始研究太陽電池的應用來發展航天技術，進入21世紀后，國家開始重視太陽能發電的推廣與應用，2002年原國家計委啟動“西部省區無電鄉通電計劃”，通過光伏和小型風力發電的方式，解決了西部七省區近800個無電鄉的用電問題。2009年國家財政部及住房城鄉建設部聯合發布“關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見”、“太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法”以及“金太陽示范工程”等通知，通過政策資助BIPV的發展和大規模應用。并在《可再生能源中長期發展規劃》中提出“建設與建筑物一體化的屋頂太陽能并網光伏發電設施”,“到2020年,全國建成2萬個屋頂光伏發電項目，總容量100萬kW”。還在《可再生能源發展“十一五”規劃》中提到“到2010年,可再生能源在能源消費中的比重達到10%”，這些積極的產業引導政策和財政政策有力地推動了我國光伏組件及BIPV的發展。

1.2 產業發展

從全球來看，BIPV的市場主要集中在歐洲、亞洲和美國，根據市場調研公司Nanomaket預測，到2013年BIPV的市場總裝機容量可達到10.8 GWp(歐洲4.6 GWp，美國3.7 GWp)。其中一般用戶或住宅用分散電源約為7.0 GWp，大部分以屋頂用設備為主，但2013年以后BIPV幕墻組件裝機容量將達到1.1 GWp。另外，從圖1和圖2可以看出，2016年全球BIPV市場規模將達到近90億美金，亞洲市場規模增速很快，BIPV屋頂和幕墻組件在2016年分別可達15億和60億美元的市場規模，BIPV幕墻組件市場潛力巨大。當前的光伏產業應用市場主要分布在歐洲，美國市場增長速度很快，未來具有極大潛力。中國市場發展較為緩慢。

受到相關政策的引導和鼓勵，我國的BIPV示范性工程相繼出現，如：深圳市園博園1 MWp并網光伏系統；首都博物館300 kWp屋頂并網光伏系統；北京市天普工業園建成的50 kWp太陽能光伏發電系統生態建筑示范工程；香港機電工程署總部大樓；2008年北京奧運場館和上海2010世博場館光伏發電項目等。2008年我國的太陽電池產量達到3000 MW，占全球44%，成為全球第一大太陽電池生產國，但是太陽電池及組件的應用比例卻很少，2008年國內光伏電池及組件累計裝機總量只占全球總量1.1%，其中BIPV的應用比例占國內裝機總量的5.6%，中國的光伏組件應用市場潛力巨大。

2 BIPV組件的安全可靠性研究

除了需要政策支持和先進的技術以外，組件在自然環境條件下的長耐久性與安全可靠性是影響BIPV規模化應用至關重要的問題。2006年美國光伏行業著名雜志PHOTON International發布研究報告稱，已經通過IEC安全可靠性標準認證的光伏組件在使用過程中由于接線盒內部電路失效發生電弧放電，從而導致光伏發電系統著火[1]。美國能源協會發表的研究報告表明全美有30%的光伏組件因外界環境應力而發生失效。

美國國家可再生能源實驗室、Sandia國家實驗室以及歐洲的相關研究機構在20世紀80年代就開始注意這個問題，并開展了一系列相關研究。他們對晶體硅和非晶硅光伏電池及組件、薄膜光伏電池及組件等不同類型的光伏組件在使用過程中的失效案例與失效行為開展了不同程度的研究。

F.H.Klotz等[2]在意大利Portici開展了200天的戶外暴曬試驗，研究非晶硅光伏組件的性能衰減與結構之間的關系，結果表明太陽電池片的P-N結厚度對電池片性能衰減有很大影響，250～350 nm厚度較為合適；設計不同的能帶疊層電池片可提高發電效率；另外，發生在電池片之間的電化學腐蝕與電偶腐蝕會導致電阻增加，從而降低組件的長期發電穩定性。

F.J.Pern等通過五年的戶外試驗研究，發現光伏組件EVA封裝膠膜顏色發生劇烈變化，從而導致光伏電池轉換效率大幅下降。從黃色演變至深棕色，電池轉換效率在EVA膠膜變為淺黃色時降低了9%，在深棕色時降低了約50%。在光熱作用下EVA發生降解，形成多個短鏈的(C=C)n，同時生成乙酸和其他揮發性有機物。與FJ.Pern持不同意見的C.R.Osterwald等對市場用晶體硅光伏組件的耐候性進行研究，發現早期短路電流衰減源于摻硼電池片的氧化，量子效率測試表明短路電流大面積衰減區域發生在700 nm以上的波長范圍內，而封裝膠膜的黃化與熱激活主要是因紫外線引起，并不是導致短路電流衰減的主因。

Hishikawa Y等對1990年生產的光伏組件開展了10年環境適應性研究，他們發現隨著時間的變化，封裝材料EVA開始變色，與太陽電池之間出現分層，光伏組件的輸出電流變弱。Paul.D等[3]運用統計軟件DOE和ANOVA并結合實際測算，嘗試計算出太陽電池和組件在不同環境下的性能變化，從而推算其長期的可靠性。Wei Tian等[4]在研究了墨西哥城和附近鄉村的氣候對光伏組件的電能輸出和電能轉換率后，發現由于城市的污染物較多從而影響了太陽輻照強度，導致光伏組件在城市里的電能輸出低于鄉村；但是，位于城市的光伏組件電轉換率較高，這是由于位于城市里的太陽電池表面溫度低于鄉村太陽電池表面溫度，而太陽電池表面溫度是影響其電轉換效率的主要因素。Kempe MD[5]在IEC-61215標準基礎上開發出一種新型測試光伏組件封裝材料耐候性的方法，該方法通過改裝輻照設備獲得了更強的紫外輻射強度，可通過6個月內加速老化試驗等同于20年的自然老化，大大縮短了測試光伏組件封裝材料可靠性的測試時間。

我國在BIPV組件安全可靠性和耐久性方面研究較少，中山大學太陽能系統研究所在對BIPV組件的熱性能進行研究時發現[6]，和常規組件相比，中空玻璃式太陽電池組件散熱性能較差，太陽電池溫度較高；風速和地面輻射是影響太陽電池溫度的主要因素。另外，北京太陽能電力研究院于培諾教授帶領他的團隊也已經開展了相關的光伏組件耐久性試驗和質量經濟評估等方面的研究工作。

3 BIPV標準和認證

由于BIPV組件不但需要滿足建筑組件的相關標準，還需滿足其作為光伏組件的標準，國際上目前還沒有專門針對BIPV組件統一標準，在BIPV應用過程中基本采用地面用光伏(PV)組件的國際標準。

3.1 國際標準及認證

20世紀70年代美國能源部和美國國家航空航天局(NASA)就開始關注地面光伏組件的技術發展，隸屬于NASA的Lewis Research Center(LeRC)實驗室開發出全球第一份測量地面光伏系統性能的技術方案，在此基礎上，為了制定完整的光伏系統可靠性測試方法，NASA的另一個實驗室Jet Propulsion Laboratory(JPL)制定并實施了Flat-Plate Solar Array(FSA)計劃，通過該計劃制訂了Block(I～V)序列規范，成為第一份測試地面光伏系統可靠性的規范。歐盟的光伏測試工作組在1981年發布了歐洲地區的第一份光伏可靠性測試規范CEC501。同年國際電工委員會(IEC)成立太陽能光伏系統技術委員會 (TC82)，通過研究Block V和CEC501規范結合現場實驗，TC82在1993年發布了晶體硅光伏組件可靠性測試標準IEC 61215。1986年以Block V中的安全性測試部分為基礎，美國保險商實驗室(UL)發布全球第一份光伏組件安全規范UL1703。1996年IEC又發布了針對非晶薄膜光伏組件的可靠性標準IEC61646。進入21世紀以來，隨著光伏產業技術的不斷進步，IEC和UL也在不斷地增加和更新各自的標準系列，到目前為止IEC共發布于PV產品有關的標準46份，其中最為核心的是IEC61215，IEC61646，IEC62124(光伏獨立系統)以及IEC60703-1/-2(光伏組件安全分類)。UL在推出UL1703標準后，又推出應用于光伏系統逆變器等外圍設備的安全認證標準UL1741和UL4703。始于20世紀70年代中期的光伏組件安全可靠性標準的研究和制定過程中，美國能源部、NASA以及歐盟委員會三個國家機構自始至終推動著標準的不斷完善，在完成初步的標準框架以后，歐美國家主要協會(如IEC)與機構(如UL)開始進一步延伸和發展光伏組件標準并在全球范圍內推出光伏產品認證。

目前國際上的光伏組件認證主要有國際電工委員會電工產品合格與認證組織(IECEE，頒發CB證書)和UL認證，這些認證組織和機構的認證時所采用的標準都是上文提到的相關標準體系，具體情況見表1和表2。對于光伏建筑一體化組件(BIPV)的認證，北美地區主要以UL認證為主，如果在美國銷售BIPV組件及相關產品，除需滿足UL 1703標準外，還要考察產品欲取代的物料或所使用的位置，另依據相關的標準進行額外的檢測(表3)。

表1 太陽能光伏組件認證

表2 太陽能光伏系統主要零配件認證

表3 北美BlPV組件認證附加要求

表4所示為全球光伏組件產品的認證機構，從表中可以看出，UL是全球范圍內唯一可以同時核發CB證書和UL認證證書的認證機構，德國TUV萊茵(TüV Rheinland)和天祥公證處 (Intertek)可以分別在兩個國家進行光伏組件的認證檢測。

3.2 國內標準及認證

國內的光伏組件及光伏電池相關產品的標準由“全國太陽光伏能源系統標準化技術委員會（簡稱光標委）”制定，其秘書處掛靠在中國電子科技集團公司第十八研究所，截止到2009年底，光標委已發布13個基礎標準，5個電池、組件和方陣通用標準，11個光伏應用系統通用標準，4個檢測設備和安全標準，9個行業標準，其中大多數標準是同等采用IEC標準。對于光伏組件來講，IEC標準的局限性是其僅考慮到光伏組件的可靠性能，卻沒有全面地考察光伏組件在長期使用過程中的安全性能，而且對于現在新型的BIPV組件IEC缺乏相關測試標準。

表4 全球光伏產品認證機構

在我國經國家認證認可監督管理委員會(國家認監委)批準的光伏產品認證機構分別是北京鑒衡認證中心(CGC)和中國質量認證中心(CQC)。CGC是我國首家光伏產品認證機構，其通過國家發改委/世界銀行/全球環境基金建立“中國太陽能光伏產品認證體系”項目，建立了我國的太陽能光伏產品認證體系，并于2007年3月在北京召開太陽能光伏產品金太陽認證新聞發布會，正式啟動了太陽能光伏產品“金太陽認證”。CQC在2005年制定了國內第一份《地面用晶體硅光伏組件認證實施規則》，并于2006年通過國家認監委的批準，開展光伏產品的認證工作，目前已開展了地面用晶體硅光伏組件、獨立光伏系統、控制器、逆變器等產品的CQC金太陽認證。

另外，根據ENF統計，截止到2009年3月中國大陸太陽能晶體硅組件生產商約520家，其中位于長三角企業284家(占 54%)，珠三角 80 家(占 15%)，京津唐 31 家(占 5%)；非晶硅-薄膜組件生產商約45家，其中長三角14家(占31%)，珠三角12家(占26%)，京津唐7家(占15%)。從生產商數量與檢測實驗室數量來看，我國的光伏組件檢測實驗室資源嚴重不足，尤其是珠三角僅有一家認證檢測實驗室，這對于保證光伏組件質量及光伏市場的健康發展尤為不利。

4 總結

綜上所述，光伏發電在建筑上的應用已經開始實踐，但是依舊存在諸多安全隱患和安全可靠性問題，BIPV系統在自然條件下的穩定運行決定其規模化應用的效果。雖然全球著名研究機構已經開展BIPV的戶外測試試驗與安全可靠性相關研究，但是諸如組件安全可靠性、組件用高分子材料等保證產品長期耐久性的技術標準依舊處于空白。對于中國來說，光伏發電的應用正在慢慢啟動，由于我國的自然氣候具有特殊性與典型性，機械的套用國際標準來實現BIPV的規模化應用必定會影響光伏應用市場的健康發展。因此，開展BIPV組件及系統在中國典型地區的環境適應性研究，全面了解BIPV組件與自然環境之間的關系，對于保證BIPV系統的高可靠性長壽命和保障BIPV的規模化應用具有及其重要的意義。

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