光伏建筑一體化組件安全性及檢測

趙笑昆,張增光,王新宇

(1.神華(北京)光伏科技研發(fā)有限公司,北京 102211；2. 北京市納米結構薄膜太陽能電池工程技術研究中心, 北京 102211)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展,人民生活水平不斷提升,能源消耗日益增加。建筑領域消耗了社會大量資源和能源,其中房屋建筑用鋼和水泥分別占全國總產(chǎn)量的50%和60%以上,建筑全生命周期能量消耗約占全國的50%。建筑的使用和運行過程中,也消耗的大量的能源。據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗統(tǒng)計專委會測算,2015年中國建筑能源消費總量為8.57億噸標準煤,占全國能源消費總量的20%,建筑總面積達到613億平方米。其中,北方城鎮(zhèn)采暖面積和能耗分別為129億平方米和1.93億噸標準煤,采暖能耗強度為14.9千克標準煤/平方米。北方地區(qū)供暖季的PM2.5濃度貢獻度約占全年的30%[1]。從緊迫的能源節(jié)約利用和環(huán)境保護現(xiàn)狀來看,減少建筑能源消耗,開發(fā)綠色節(jié)能建筑刻不容緩。

太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源,光伏發(fā)電技術可利用太陽能電池實現(xiàn)光能直接轉換為電能,在全世界范圍內獲得廣泛應用。將太陽能光伏組件安裝于建筑上,可以有效利用太陽能,就近為建筑提供電力,有效的減少電網(wǎng)用電,大大減輕公共電網(wǎng)的壓力[2-3]。美國、歐洲均啟動了“百萬屋頂計劃”,德國和日本也分別啟動了“十萬屋頂計劃”和“七萬屋頂計劃”,獲得了巨大成功[4-5]。近年來,將光伏組件直接作為建筑材料應用于建筑,即光伏建筑一體化(BIPV)獲得了快速發(fā)展。BIPV 并不是光伏與建筑的簡單相加,而是是光伏系統(tǒng)依附在建筑物上的一種新技術、新形式,主體是建筑,而客體是光伏組件,是建筑設計與太陽能技術的有機結合[6]。

光伏組件作為建筑材料,應用于光伏建筑一體化中,需能夠承受各種高溫、低溫、雨雪冰雹等各種惡劣氣候的影響,保證足夠安全性,需同時滿足光伏產(chǎn)品的性能要求和建筑材料產(chǎn)品的性能要求[7-8]。然而目前,組件和建材的檢測是分離的,組件應用于建筑的安全性方面分析和報告更為少見[9-12]。本文將分析光伏組件的安全性指標,以及建筑領域要求的安全性指標,將兩者結合,系統(tǒng)分析組件的安全性能指標及檢測方法。

1 光伏組件建筑材料適應性

當前,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進入光伏市場并用于光伏電站的太陽能組件可分為晶硅組件和薄膜組件兩大類,如圖1所示。晶硅組件一般由襯板、晶硅電池片、封裝材料、蓋板玻璃封裝而成,其中電池片可以是單晶硅或多晶硅,如圖1(a-b)所示。薄膜組件則是由基板玻璃、玻璃上鍍薄膜電池、封裝材料、蓋板玻璃分裝而成,其中薄膜電池有非晶硅(a-Si)、銅銦鎵硒(CIGS) 、碲化鎘(CdTe)等,如圖1(d-e)。晶硅組件和薄膜組件均可應用于光伏建筑一體化,單晶硅組件和多晶硅組件由于轉換效率高,目前在電站領域占據(jù)主導地位。然而,CIGS等薄膜光伏電池組件,由于其獨特的材料特性和電池結構,弱光發(fā)電性能好,灰塵、云層、環(huán)境遮擋陰影條件下發(fā)電性能高,在實際不利的使用環(huán)境中發(fā)電量高于晶硅組件[13]。因此,在在光伏建筑一體化的應用中,薄膜光伏組件可能成為主流組件。

圖1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件作為建筑材料,應用于光伏建筑一體化中,需要符合光伏和建筑的一系列性能和標準的要求。首先,組件要滿足發(fā)電功率、電壓、電流、溫度系數(shù)等光伏電池的性能要求。其次,作為建筑材料裝于建筑的外立面或屋頂,表面需能夠長時間承受自然氣候不利因素的影響,如日曬、雨淋、風沙等不利因素的侵蝕。再次,表面需能夠承受偶然的但是不可避免的人和動物的撞擊、建筑樓宇異物掉落的撞擊,以及火災等事故的影響。最后也是最重要的,組件再發(fā)生以上事故時,對人們的機械、電氣傷害應因可能避免,或最大限度的降低。

2 光伏建筑一體化安全性

首先討論光伏領域的性能指標及要求,表1列出了太陽能光伏組件應滿足的標準。國際電工委員會(IEC)制定了IEC 61215和IEC 61730。IEC 61215規(guī)定了光伏組件應滿足的光伏性能指標,IEC 61215-1的1-4節(jié)分別對晶硅、CdTe、非晶硅和Cu (In,GA) (S,Se)2組件提出專項要求。IEC 61730規(guī)定了光伏組件安全性能的指標。UL 1703為組件安全規(guī)范,適用于美國及北美地區(qū)。GB/T 18911為國標地面用薄膜光伏組件標準,等同采用IEC 61646∶1996,GB/T 9535為國標地面用晶體硅光伏組件晶硅組件,等效采用IEC 1215-1993,GB/T 20047.1為光伏(PV)組件安全鑒定,等同采用IEC 61730-1∶2004。IEC 61215和IEC 61730為最新的國際通用標準,是光伏組件進入市場應滿足的最基本的標準。目前國內外光伏組件廠家均采用最新的IEC 61215和IEC 61730測試組件,并向認證機構申請認證。

表1 太陽能光伏組件標準

接下來,將從電氣、機械、防火三個角度,結合光伏和建筑的性能指標,討論光伏建筑一體化的安全性

2.1 電氣安全性

表2列出了太陽能光伏組件應滿足電氣方面安全性的性能指標。可接觸性、切割敏感性、等電位連續(xù)性、沖擊電壓試驗、絕緣性能、濕漏電流、接線端穩(wěn)健性等7項指標,根據(jù)IEC 61730規(guī)定,為光伏組件作為電站材料的安全性基本要求。根據(jù)組件的具體結構,個別指標不做要求。光伏組件應用于建筑時,其防雷設計應作為建筑電氣防雷設計的一部分,表3列出了建筑防雷設計的有關標準及要求。GB 50057規(guī)定,建(構)筑物防雷設計,應在認真調查地理、地質、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律,以及被保護物的特點等的基礎上,詳細研究并確定防雷裝置的形式及其布置。

表2 太陽能光伏組件電氣安全性指標

表3 建筑防雷設計標準及要求

2.2 機械安全性

表4列出了太陽能光伏組件應滿足機械方面安全性的指標。螺釘連接性能、接線端穩(wěn)健性分別表征螺釘和接線端子的連接性能,抗剝落性能、搭接剪切強度考察組件不同層間粘結性能,機械荷載性能考察組件實際應用時能夠承受的靜態(tài)機械荷載的能力,破損量反映組件應用中發(fā)生破損時,掉落玻璃等碎片的量,確保對人的傷害盡可能低。表5列出了太陽能組件作為建筑材料,應滿足安全性能要求。可以看到,建筑領域標準較多,針對某個特定性能,不同標準均有規(guī)定,且存在互相引用。抗風壓性能在多個標準均有規(guī)定,對于光伏組件的測試可按照GB/T 7106進行。抗水平荷載性能和抗垂直荷載性能可按JG/T 342測試。耐撞擊性能由GB/T 21086規(guī)定,但是測試對象是整個幕墻,而對光伏組件可按GB 29551標準測試耐落球沖擊剝離性能和霰彈袋沖擊性能。抗軟重物體撞擊性能模擬人或動物對組件的撞擊,測試與霰彈袋沖擊性能類似,抗硬重物體撞擊性能模擬物體對組件的撞擊,測試與落球沖擊剝離性能類似,這兩項性能可按JG/T 342測試。光伏組件應用于建筑時,建筑的抗震設計依據(jù)GB 50011根據(jù)光伏組件特點設計。

表4 太陽能光伏組件機械安全性能指標

表5 建筑材料機械安全性指標

2.3 防火安全性

表6列出了太陽能光伏組件防火安全性方面的性能指標。溫度性能和可燃性表征組件組成材料的火災性能,熱斑耐久性、旁路二極管熱性能、反向電流過載性能評估組件實際應用條件下對光照造成高溫的火災性能,火災試驗評估組件應對外部貨源條件下防火的能力。光伏組件作為建材應用于建筑時,組件的防火性能應與建筑的防火設計結合起來,表7整理了與光伏組件有關的建筑領域的防火要求。幕墻的防火設計應符合GB 50016的有關規(guī)定。光伏組件應滿足所替代部位建筑材料或建筑構件燃燒性能分級的要求,光伏組件的燃燒性能可按GB 8624測定。

表6 太陽能光伏組件火災性能指標

表7 建筑材料防火要求

3 結論

(1)晶硅和薄膜組件均可應用于光伏建筑一體化,薄膜組件由于其材料特性在不利條件下發(fā)電量更高,更有利于建筑應用。光伏組件作為建筑材料,需同時符合光伏和建筑的要求；

(2)光伏組件應用于光伏建筑一體化,應檢測絕緣性能、濕漏電流、等7項電氣指標,光伏組件防雷設計應作為建筑電氣防雷設計的一部分；

(3)光伏組件應用于光伏建筑一體化,應根據(jù)組件的具體結構檢測機械荷載、抗剝落性等7項機械指標,根據(jù)組件在建筑的應用位置相應檢測抗風壓性能、耐撞擊性能等安全性能；建筑抗震設計應考慮光伏組件特點設計；

(4)光伏組件應用于光伏建筑一體化,應檢測組件溫度性能、可燃性、熱斑耐久性等6項性能,光伏組件應滿足所替代部位建筑材料或建筑構件燃燒性能分級的要求。