趙笑昆,張?jiān)龉?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(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)能電池工程技術(shù)研究中心, 北京 102211)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域消耗了社會(huì)大量資源和能源,其中房屋建筑用鋼和水泥分別占全國(guó)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(guó)的50%。建筑的使用和運(yùn)行過(guò)程中,也消耗的大量的能源。據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專委會(huì)測(cè)算,2015年中國(guó)建筑能源消費(fèi)總量為8.57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%,建筑總面積達(dá)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(biāo)準(zhǔn)煤,采暖能耗強(qiáng)度為14.9千克標(biāo)準(zhǔn)煤/平方米。北方地區(qū)供暖季的PM2.5濃度貢獻(xiàn)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(hù)現(xiàn)狀來(lái)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(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源,光伏發(fā)電技術(shù)可利用太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)光能直接轉(zhuǎn)換為電能,在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。將太陽(yáng)能光伏組件安裝于建筑上,可以有效利用太陽(yáng)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(guó)、歐洲均啟動(dòng)了“百萬(wàn)屋頂計(jì)劃”,德國(guó)和日本也分別啟動(dòng)了“十萬(wàn)屋頂計(jì)劃”和“七萬(wàn)屋頂計(jì)劃”,獲得了巨大成功[4-5]。近年來(lái),將光伏組件直接作為建筑材料應(yīng)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(jiǎn)單相加,而是是光伏系統(tǒng)依附在建筑物上的一種新技術(shù)、新形式,主體是建筑,而客體是光伏組件,是建筑設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[6]。

光伏組件作為建筑材料,應(yīng)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(shí)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(cè)是分離的,組件應(yīng)用于建筑的安全性方面分析和報(bào)告更為少見(jiàn)[9-12]。本文將分析光伏組件的安全性指標(biāo),以及建筑領(lǐng)域要求的安全性指標(biāo),將兩者結(jié)合,系統(tǒng)分析組件的安全性能指標(biāo)及檢測(cè)方法。

1 光伏組件建筑材料適應(yīng)性

當(dāng)前,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)入光伏市場(chǎng)并用于光伏電站的太陽(yáng)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(yīng)用于光伏建筑一體化,單晶硅組件和多晶硅組件由于轉(zhuǎn)換效率高,目前在電站領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。然而,CIGS等薄膜光伏電池組件,由于其獨(dú)特的材料特性和電池結(jié)構(gòu),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(shí)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(yīng)用中,薄膜光伏組件可能成為主流組件。

圖1 太陽(yáng)能光伏組件

太陽(yáng)能光伏組件作為建筑材料,應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)時(shí)間承受自然氣候不利因素的影響,如日曬、雨淋、風(fēng)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(dòng)物的撞擊、建筑樓宇異物掉落的撞擊,以及火災(zāi)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(shí),對(duì)人們的機(jī)械、電氣傷害應(yīng)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(lǐng)域的性能指標(biāo)及要求,表1列出了太陽(yáng)能光伏組件應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定了IEC 61215和IEC 61730。IEC 61215規(guī)定了光伏組件應(yīng)滿足的光伏性能指標(biāo),IEC 61215-1的1-4節(jié)分別對(duì)晶硅、CdTe、非晶硅和Cu (In,GA) (S,Se)2組件提出專項(xiàng)要求。IEC 61730規(guī)定了光伏組件安全性能的指標(biāo)。UL 1703為組件安全規(guī)范,適用于美國(guó)及北美地區(qū)。GB/T 18911為國(guó)標(biāo)地面用薄膜光伏組件標(biāo)準(zhǔn),等同采用IEC 61646∶1996,GB/T 9535為國(guó)標(biāo)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(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn),是光伏組件進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)滿足的最基本的標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外光伏組件廠家均采用最新的IEC 61215和IEC 61730測(cè)試組件,并向認(rèn)證機(jī)構(gòu)申請(qǐng)認(rèn)證。

表1 太陽(yáng)能光伏組件標(biāo)準(zhǔn)

接下來(lái),將從電氣、機(jī)械、防火三個(gè)角度,結(jié)合光伏和建筑的性能指標(biāo),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(yáng)能光伏組件應(yīng)滿足電氣方面安全性的性能指標(biāo)?？山佑|性、切割敏感性、等電位連續(xù)性、沖擊電壓試驗(yàn)、絕緣性能、濕漏電流、接線端穩(wěn)健性等7項(xiàng)指標(biāo),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(jié)構(gòu),個(gè)別指標(biāo)不做要求。光伏組件應(yīng)用于建筑時(shí),其防雷設(shè)計(jì)應(yīng)作為建筑電氣防雷設(shè)計(jì)的一部分,表3列出了建筑防雷設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求。GB 50057規(guī)定,建(構(gòu))筑物防雷設(shè)計(jì),應(yīng)在認(rèn)真調(diào)查地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動(dòng)規(guī)律,以及被保護(hù)物的特點(diǎn)等的基礎(chǔ)上,詳細(xì)研究并確定防雷裝置的形式及其布置。

表2 太陽(yáng)能光伏組件電氣安全性指標(biāo)

表3 建筑防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要求

2.2 機(jī)械安全性

表4列出了太陽(yáng)能光伏組件應(yīng)滿足機(jī)械方面安全性的指標(biāo)。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(qiáng)度考察組件不同層間粘結(jié)性能,機(jī)械荷載性能考察組件實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠承受的靜態(tài)機(jī)械荷載的能力,破損量反映組件應(yīng)用中發(fā)生破損時(shí),掉落玻璃等碎片的量,確保對(duì)人的傷害盡可能低。表5列出了太陽(yáng)能組件作為建筑材料,應(yīng)滿足安全性能要求。可以看到,建筑領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)較多,針對(duì)某個(gè)特定性能,不同標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定,且存在互相引用。抗風(fēng)壓性能在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定,對(duì)于光伏組件的測(cè)試可按照GB/T 7106進(jìn)行。抗水平荷載性能和抗垂直荷載性能可按JG/T 342測(cè)試。耐撞擊性能由GB/T 21086規(guī)定,但是測(cè)試對(duì)象是整個(gè)幕墻,而對(duì)光伏組件可按GB 29551標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試耐落球沖擊剝離性能和霰彈袋沖擊性能?？管浿匚矬w撞擊性能模擬人或動(dòng)物對(duì)組件的撞擊,測(cè)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(duì)組件的撞擊,測(cè)試與落球沖擊剝離性能類似,這兩項(xiàng)性能可按JG/T 342測(cè)試。光伏組件應(yīng)用于建筑時(shí),建筑的抗震設(shè)計(jì)依據(jù)GB 50011根據(jù)光伏組件特點(diǎn)設(shè)計(jì)。

表4 太陽(yáng)能光伏組件機(jī)械安全性能指標(biāo)

表5 建筑材料機(jī)械安全性指標(biāo)

2.3 防火安全性

表6列出了太陽(yáng)能光伏組件防火安全性方面的性能指標(biāo)。溫度性能和可燃性表征組件組成材料的火災(zāi)性能,熱斑耐久性、旁路二極管熱性能、反向電流過(guò)載性能評(píng)估組件實(shí)際應(yīng)用條件下對(duì)光照造成高溫的火災(zāi)性能,火災(zāi)試驗(yàn)評(píng)估組件應(yīng)對(duì)外部貨源條件下防火的能力。光伏組件作為建材應(yīng)用于建筑時(shí),組件的防火性能應(yīng)與建筑的防火設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),表7整理了與光伏組件有關(guān)的建筑領(lǐng)域的防火要求。幕墻的防火設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 50016的有關(guān)規(guī)定。光伏組件應(yīng)滿足所替代部位建筑材料或建筑構(gòu)件燃燒性能分級(jí)的要求,光伏組件的燃燒性能可按GB 8624測(cè)定。

表6 太陽(yáng)能光伏組件火災(zāi)性能指標(biāo)

表7 建筑材料防火要求

3 結(jié)論

(1)晶硅和薄膜組件均可應(yīng)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(yīng)用。光伏組件作為建筑材料,需同時(shí)符合光伏和建筑的要求；

(2)光伏組件應(yīng)用于光伏建筑一體化,應(yīng)檢測(cè)絕緣性能、濕漏電流、等7項(xiàng)電氣指標(biāo),光伏組件防雷設(shè)計(jì)應(yīng)作為建筑電氣防雷設(shè)計(jì)的一部分；

(3)光伏組件應(yīng)用于光伏建筑一體化,應(yīng)根據(jù)組件的具體結(jié)構(gòu)檢測(cè)機(jī)械荷載、抗剝落性等7項(xiàng)機(jī)械指標(biāo),根據(jù)組件在建筑的應(yīng)用位置相應(yīng)檢測(cè)抗風(fēng)壓性能、耐撞擊性能等安全性能；建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮光伏組件特點(diǎn)設(shè)計(jì)；

(4)光伏組件應(yīng)用于光伏建筑一體化,應(yīng)檢測(cè)組件溫度性能、可燃性、熱斑耐久性等6項(xiàng)性能,光伏組件應(yīng)滿足所替代部位建筑材料或建筑構(gòu)件燃燒性能分級(jí)的要求。