光伏建筑一體化組件安全可靠性與檢測(cè)認(rèn)證

馮江濤，馮 皓， 揭敢新

（中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510663）

改革開發(fā)30年以來，我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，與此同時(shí)能源供需的矛盾日漸凸顯，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2008年我國能源消耗總量是能源生產(chǎn)總量的1.1倍，能源需要大量進(jìn)口，以石油為例：2009年我國石油產(chǎn)量為1.89億噸，石油的進(jìn)口量為1.9億噸，我國石油(原油及油品)對(duì)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(yīng)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(fā)利用帶來的環(huán)境問題嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的長期可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展及大規(guī)模利用新能源和可再生能源技術(shù)不但可以緩解能源供需矛盾的現(xiàn)狀，而且對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義。作為可再生能源的太陽能，資源豐富具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛力，其中光伏建筑一體化(BIPV)是太陽能發(fā)電應(yīng)用的主要形式之一，BIPV技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用不但可以通過并網(wǎng)發(fā)電緩解能源供給緊張的局面，還可以降低建筑物能耗，構(gòu)建綠色城市環(huán)境。

1 光伏建筑一體化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 政策方向

BIPV是將太陽能發(fā)電模塊集成于建筑中的一種應(yīng)用太陽能發(fā)電的新技術(shù)，可廣泛用于建筑物的遮陽系統(tǒng)、幕墻、屋頂和門窗等。全球各國及組織自20世紀(jì)90年代初就著手于BIPV的規(guī)劃和實(shí)施。美國在1997年6月啟動(dòng)了“百萬屋頂光伏計(jì)劃”，計(jì)劃到2010年總裝機(jī)容量達(dá)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(jì)劃”，德國提出在6年內(nèi)安裝總裝機(jī)量為500 MW的10萬套光伏屋頂系統(tǒng)。日本的通產(chǎn)省在1997年宣布“七萬屋頂”計(jì)劃，安裝37 MW屋頂光伏系統(tǒng)；除了屋頂光伏系統(tǒng)外，日本還嘗試安裝光伏幕墻組件，日本政府計(jì)劃今年安裝5000 MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的統(tǒng)計(jì)，IEA光伏計(jì)劃(PVPS)中國家聯(lián)網(wǎng)光伏裝機(jī)量已經(jīng)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(yīng)用來發(fā)展航天技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)后，國家開始重視太陽能發(fā)電的推廣與應(yīng)用，2002年原國家計(jì)委啟動(dòng)“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過光伏和小型風(fēng)力發(fā)電的方式，解決了西部七省區(qū)近800個(gè)無電鄉(xiāng)的用電問題。2009年國家財(cái)政部及住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布“關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見”、“太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)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(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。并在《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中提出“建設(shè)與建筑物一體化的屋頂太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電設(shè)施”,“到2020年,全國建成2萬個(gè)屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目，總?cè)萘?00萬kW”。還在《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中提到“到2010年,可再生能源在能源消費(fèi)中的比重達(dá)到10%”，這些積極的產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)政策和財(cái)政政策有力地推動(dòng)了我國光伏組件及BIPV的發(fā)展。

1.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展

從全球來看，BIPV的市場(chǎng)主要集中在歐洲、亞洲和美國，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Nanomaket預(yù)測(cè)，到2013年BIPV的市場(chǎng)總裝機(jī)容量可達(dá)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(shè)備為主，但2013年以后BIPV幕墻組件裝機(jī)容量將達(dá)到1.1 GWp。另外，從圖1和圖2可以看出，2016年全球BIPV市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近90億美金，亞洲市場(chǎng)規(guī)模增速很快，BIPV屋頂和幕墻組件在2016年分別可達(dá)15億和60億美元的市場(chǎng)規(guī)模，BIPV幕墻組件市場(chǎng)潛力巨大。當(dāng)前的光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)主要分布在歐洲，美國市場(chǎng)增長速度很快，未來具有極大潛力。中國市場(chǎng)發(fā)展較為緩慢。

受到相關(guān)政策的引導(dǎo)和鼓勵(lì)，我國的BIPV示范性工程相繼出現(xiàn)，如：深圳市園博園1 MWp并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；首都博物館300 kWp屋頂并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；北京市天普工業(yè)園建成的50 kWp太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)生態(tài)建筑示范工程；香港機(jī)電工程署總部大樓；2008年北京奧運(yùn)場(chǎng)館和上海2010世博場(chǎng)館光伏發(fā)電項(xiàng)目等。2008年我國的太陽電池產(chǎn)量達(dá)到3000 MW，占全球44%，成為全球第一大太陽電池生產(chǎn)國，但是太陽電池及組件的應(yīng)用比例卻很少，2008年國內(nèi)光伏電池及組件累計(jì)裝機(jī)總量只占全球總量1.1%，其中BIPV的應(yīng)用比例占國內(nèi)裝機(jī)總量的5.6%，中國的光伏組件應(yīng)用市場(chǎng)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(jìn)的技術(shù)以外，組件在自然環(huán)境條件下的長耐久性與安全可靠性是影響B(tài)IPV規(guī)模化應(yīng)用至關(guān)重要的問題。2006年美國光伏行業(yè)著名雜志PHOTON International發(fā)布研究報(bào)告稱，已經(jīng)通過IEC安全可靠性標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的光伏組件在使用過程中由于接線盒內(nèi)部電路失效發(fā)生電弧放電，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)著火[1]。美國能源協(xié)會(huì)發(fā)表的研究報(bào)告表明全美有30%的光伏組件因外界環(huán)境應(yīng)力而發(fā)生失效。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、Sandia國家實(shí)驗(yàn)室以及歐洲的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)80年代就開始注意這個(gè)問題，并開展了一系列相關(guān)研究。他們對(duì)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(yàn)，研究非晶硅光伏組件的性能衰減與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，結(jié)果表明太陽電池片的P-N結(jié)厚度對(duì)電池片性能衰減有很大影響，250～350 nm厚度較為合適；設(shè)計(jì)不同的能帶疊層電池片可提高發(fā)電效率；另外，發(fā)生在電池片之間的電化學(xué)腐蝕與電偶腐蝕會(huì)導(dǎo)致電阻增加，從而降低組件的長期發(fā)電穩(wěn)定性。

F.J.Pern等通過五年的戶外試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)光伏組件EVA封裝膠膜顏色發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致光伏電池轉(zhuǎn)換效率大幅下降。從黃色演變至深棕色，電池轉(zhuǎn)換效率在EVA膠膜變?yōu)闇\黃色時(shí)降低了9%，在深棕色時(shí)降低了約50%。在光熱作用下EVA發(fā)生降解，形成多個(gè)短鏈的(C=C)n，同時(shí)生成乙酸和其他揮發(fā)性有機(jī)物。與FJ.Pern持不同意見的C.R.Osterwald等對(duì)市場(chǎng)用晶體硅光伏組件的耐候性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)早期短路電流衰減源于摻硼電池片的氧化，量子效率測(cè)試表明短路電流大面積衰減區(qū)域發(fā)生在700 nm以上的波長范圍內(nèi)，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(dǎo)致短路電流衰減的主因。

Hishikawa Y等對(duì)1990年生產(chǎn)的光伏組件開展了10年環(huán)境適應(yīng)性研究，他們發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的變化，封裝材料EVA開始變色，與太陽電池之間出現(xiàn)分層，光伏組件的輸出電流變?nèi)?。Paul.D等[3]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件DOE和ANOVA并結(jié)合實(shí)際測(cè)算，嘗試計(jì)算出太陽電池和組件在不同環(huán)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(xiāng)村的氣候?qū)夥M件的電能輸出和電能轉(zhuǎn)換率后，發(fā)現(xiàn)由于城市的污染物較多從而影響了太陽輻照強(qiáng)度，導(dǎo)致光伏組件在城市里的電能輸出低于鄉(xiāng)村；但是，位于城市的光伏組件電轉(zhuǎn)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(xiāng)村太陽電池表面溫度，而太陽電池表面溫度是影響其電轉(zhuǎn)換效率的主要因素。Kempe MD[5]在IEC-61215標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上開發(fā)出一種新型測(cè)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(shè)備獲得了更強(qiáng)的紫外輻射強(qiáng)度，可通過6個(gè)月內(nèi)加速老化試驗(yàn)等同于20年的自然老化，大大縮短了測(cè)試光伏組件封裝材料可靠性的測(cè)試時(shí)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(xué)太陽能系統(tǒng)研究所在對(duì)BIPV組件的熱性能進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)[6]，和常規(guī)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(fēng)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(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)開展了相關(guān)的光伏組件耐久性試驗(yàn)和質(zhì)量經(jīng)濟(jì)評(píng)估等方面的研究工作。

3 BIPV標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證

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

3.1 國際標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證

20世紀(jì)70年代美國能源部和美國國家航空航天局(NASA)就開始關(guān)注地面光伏組件的技術(shù)發(fā)展，隸屬于NASA的Lewis Research Center(LeRC)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出全球第一份測(cè)量地面光伏系統(tǒng)性能的技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上，為了制定完整的光伏系統(tǒng)可靠性測(cè)試方法，NASA的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室Jet Propulsion Laboratory(JPL)制定并實(shí)施了Flat-Plate Solar Array(FSA)計(jì)劃，通過該計(jì)劃制訂了Block(I～V)序列規(guī)范，成為第一份測(cè)試地面光伏系統(tǒng)可靠性的規(guī)范。歐盟的光伏測(cè)試工作組在1981年發(fā)布了歐洲地區(qū)的第一份光伏可靠性測(cè)試規(guī)范CEC501。同年國際電工委員會(huì)(IEC)成立太陽能光伏系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì) (TC82)，通過研究Block V和CEC501規(guī)范結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，TC82在1993年發(fā)布了晶體硅光伏組件可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61215。1986年以Block V中的安全性測(cè)試部分為基礎(chǔ)，美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)發(fā)布全球第一份光伏組件安全規(guī)范UL1703。1996年IEC又發(fā)布了針對(duì)非晶薄膜光伏組件的可靠性標(biāo)準(zhǔn)IEC61646。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，IEC和UL也在不斷地增加和更新各自的標(biāo)準(zhǔn)系列，到目前為止IEC共發(fā)布于PV產(chǎn)品有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)46份，其中最為核心的是IEC61215，IEC61646，IEC62124(光伏獨(dú)立系統(tǒng))以及IEC60703-1/-2(光伏組件安全分類)。UL在推出UL1703標(biāo)準(zhǔn)后，又推出應(yīng)用于光伏系統(tǒng)逆變器等外圍設(shè)備的安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)UL1741和UL4703。始于20世紀(jì)70年代中期的光伏組件安全可靠性標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定過程中，美國能源部、NASA以及歐盟委員會(huì)三個(gè)國家機(jī)構(gòu)自始至終推動(dòng)著標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，在完成初步的標(biāo)準(zhǔn)框架以后，歐美國家主要協(xié)會(huì)(如IEC)與機(jī)構(gòu)(如UL)開始進(jìn)一步延伸和發(fā)展光伏組件標(biāo)準(zhǔn)并在全球范圍內(nèi)推出光伏產(chǎn)品認(rèn)證。

目前國際上的光伏組件認(rèn)證主要有國際電工委員會(huì)電工產(chǎn)品合格與認(rèn)證組織(IECEE，頒發(fā)CB證書)和UL認(rèn)證，這些認(rèn)證組織和機(jī)構(gòu)的認(rèn)證時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)都是上文提到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，具體情況見表1和表2。對(duì)于光伏建筑一體化組件(BIPV)的認(rèn)證，北美地區(qū)主要以UL認(rèn)證為主，如果在美國銷售BIPV組件及相關(guān)產(chǎn)品，除需滿足UL 1703標(biāo)準(zhǔn)外，還要考察產(chǎn)品欲取代的物料或所使用的位置，另依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行額外的檢測(cè)(表3)。

表1 太陽能光伏組件認(rèn)證

表2 太陽能光伏系統(tǒng)主要零配件認(rèn)證

表3 北美BlPV組件認(rèn)證附加要求

表4所示為全球光伏組件產(chǎn)品的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，從表中可以看出，UL是全球范圍內(nèi)唯一可以同時(shí)核發(fā)CB證書和UL認(rèn)證證書的認(rèn)證機(jī)構(gòu)，德國TUV萊茵(TüV Rheinland)和天祥公證處 (Intertek)可以分別在兩個(gè)國家進(jìn)行光伏組件的認(rèn)證檢測(cè)。

3.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證

國內(nèi)的光伏組件及光伏電池相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)由“全國太陽光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（簡(jiǎn)稱光標(biāo)委）”制定，其秘書處掛靠在中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，截止到2009年底，光標(biāo)委已發(fā)布13個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，5個(gè)電池、組件和方陣通用標(biāo)準(zhǔn)，11個(gè)光伏應(yīng)用系統(tǒng)通用標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)檢測(cè)設(shè)備和安全標(biāo)準(zhǔn)，9個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是同等采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于光伏組件來講，IEC標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于現(xiàn)在新型的BIPV組件IEC缺乏相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

表4 全球光伏產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)

在我國經(jīng)國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)(國家認(rèn)監(jiān)委)批準(zhǔn)的光伏產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)分別是北京鑒衡認(rèn)證中心(CGC)和中國質(zhì)量認(rèn)證中心(CQC)。CGC是我國首家光伏產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)，其通過國家發(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(rèn)證體系”項(xiàng)目，建立了我國的太陽能光伏產(chǎn)品認(rèn)證體系，并于2007年3月在北京召開太陽能光伏產(chǎn)品金太陽認(rèn)證新聞發(fā)布會(huì)，正式啟動(dòng)了太陽能光伏產(chǎn)品“金太陽認(rèn)證”。CQC在2005年制定了國內(nèi)第一份《地面用晶體硅光伏組件認(rèn)證實(shí)施規(guī)則》，并于2006年通過國家認(rèn)監(jiān)委的批準(zhǔn)，開展光伏產(chǎn)品的認(rèn)證工作，目前已開展了地面用晶體硅光伏組件、獨(dú)立光伏系統(tǒng)、控制器、逆變器等產(chǎn)品的CQC金太陽認(rèn)證。

另外，根據(jù)ENF統(tǒng)計(jì)，截止到2009年3月中國大陸太陽能晶體硅組件生產(chǎn)商約520家，其中位于長三角企業(yè)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(chǎn)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(chǎn)商數(shù)量與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室數(shù)量來看，我國的光伏組件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室資源嚴(yán)重不足，尤其是珠三角僅有一家認(rèn)證檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，這對(duì)于保證光伏組件質(zhì)量及光伏市場(chǎng)的健康發(fā)展尤為不利。

4 總結(jié)

綜上所述，光伏發(fā)電在建筑上的應(yīng)用已經(jīng)開始實(shí)踐，但是依舊存在諸多安全隱患和安全可靠性問題，BIPV系統(tǒng)在自然條件下的穩(wěn)定運(yùn)行決定其規(guī)?；瘧?yīng)用的效果。雖然全球著名研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展BIPV的戶外測(cè)試試驗(yàn)與安全可靠性相關(guān)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(chǎn)品長期耐久性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依舊處于空白。對(duì)于中國來說，光伏發(fā)電的應(yīng)用正在慢慢啟動(dòng)，由于我國的自然氣候具有特殊性與典型性，機(jī)械的套用國際標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)BIPV的規(guī)?；瘧?yīng)用必定會(huì)影響光伏應(yīng)用市場(chǎng)的健康發(fā)展。因此，開展BIPV組件及系統(tǒng)在中國典型地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性研究，全面了解BIPV組件與自然環(huán)境之間的關(guān)系，對(duì)于保證BIPV系統(tǒng)的高可靠性長壽命和保障BIPV的規(guī)?；瘧?yīng)用具有及其重要的意義。

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