安全性才是建筑光伏一体化（BIPV）发展的王道

一、目前光伏发电的安全问题

太阳能光伏发电技术在近年随系统成本的下降，度电成本均已经远远低于常规的化石燃料发电成本，如煤炭、石油、天然气等，也低于核电发电成本。

过去光伏发电为降低系统成本，各光伏企业和研发机构均投入最大的精力进行光电转换效率的提升和系统成本的降低这二个重点上，很少关注光伏应用场景的多样性以及不同应用场景对人类活动所造成的潜在威胁。

过去20年起源于美国和欧洲的光伏发电至今，全球总装机容量为 发电占全球发电量，也就说看起来光伏产业发展已经进入一个成熟的产业阶段，但实际距离人类生产的普遍使用仍还有很长的距离，同时也正面提出可再生能源代替化石能源的过程仍然是很漫长的一个过程，能源革命不是一朝一夕的事情。

光伏发电产业从起步到产业化已经经历了20年的历程，在中国发展也经历了15年的征途。尽管中国已经成为全球最大的光伏制造大国和应用大国，但光伏在应用端并未发生革命性的变化，依然采用串联电路，形成更高的直流电压，然后通过集中的逆变器进行交直流的转换，将交流电力输入电网。在直流侧的串联电路中形成了高达1000V的电压，近年为降低直流侧电缆用量，又开始将直流电压升高到1500V的电压等级。

这样一个系统原理，从光伏开始产业化发展以来形成了一个固定的思维格式，而该技术路线最大的优势就是在于光伏PN结形成的单个电池片电压始终只有0.5~0.6V左右，电流与电压带来的反比关系决定了只有更高的电压获得更低的电流，降低系统的电阻损耗，提升系统效率，降低系统成本。这是过去20年里，这是一贯的思路并持续发展至今。

这样的技术路线选择如果仅仅用于地面发电以及既有屋顶支架安装的系统，看起来风险较小。但随着越来越多的屋面光伏电站的投入运行后，人们发现这一技术路线面临越来越多的安全隐患和安全挑战。尤其以2019年8月22日央视财经报道：美国沃尔玛超市在过去11个月里连续7个购物中心屋顶的光伏发电起火燃烧，沃尔玛控告美国特斯拉SolarCity全部拆除屋顶光伏发电并赔偿损失。这一事件才引发了人们对光伏发电安全性的广泛重视。

事实上，在中国随着近年光伏扶贫和农村分布式的发展，屋顶光伏电站着火事件时有发生，已经成为威胁人们建筑安全的重要因素。关于光伏电站着火概率至今仍没有详细的统计，但事实已经正面以高压直流为主导的屋面光伏发电技术路线，已经对建筑构成了潜在的安全风险，必须引起人们的高度重视。

为此，在2014年和2016年，欧盟和美国分别通过立法，强制要求屋面光伏发电设施必须装设智能关断器。分别设置的最高电压为60和80v。2020年中国通过《建筑光伏一体化技术规程》也参考美国标准提出了80V的故障关断要求，但由于并非强制性标准，仍未在中国引起充分重视。

前言

2019年8月22日央视财经报道：美国沃尔玛超市在过去11个月里连续7个购物中心屋顶的光伏发电起火燃烧，沃尔玛控告美国特斯拉SolarCity全部拆除屋顶光伏发电并赔偿损失。这一事件才引发了人们对光伏发电安全性的广泛重视。

事实上，在中国随着近年光伏扶贫和农村分布式的发展，屋顶光伏电站着火事件时有发生，已经成为威胁人们建筑安全的重要因素。关于光伏电站着火概率至今仍没有详细的统计，但事实已经正面以高压直流为主导的屋面光伏发电技术路线，已经对建筑构成了潜在的安全风险，必须引起人们的高度重视。

为此，在2014年和2016年，欧盟和美国分别通过立法，强制要求屋面光伏发电设施必须装设智能关断器。分别设置的最高电压为60v和80v。2020年中国通过《建筑光伏一体化技术规程》也参考美国标准提出了80V的故障关断要求，但由于并非强制性标准，仍未在中国引起充分重视。

现行光伏技术应用于屋顶发电的隐忧

现行光伏組串技术路线大多以20余块组件为主，组成一个串，形成1000V，1500V级的直流高压线路进入直流汇流箱，再进入集中式逆变器或組串式逆变器进行直流向交流的逆变，然后将交流电并入电力网络中。

在一个組串过程中，各组件电压进行叠加，形成一个叠加的直流侧高电压。为降低組串过程损失，避免木桶短板效应，因此要求每个組串内组件的工况(发电运行工作参数)尽可能保证一致性。

地面光伏电站应该进行场地平整，让每一个組串的组件尽可能安装在一个支架阵列中，同时，务必做好日常维护，检查热斑，組串电流偏差，进行灰尘清理，以尽量保证組串内组件工况的一致性。

但分布式发电应用场景，尤其安装在建筑表面的光伏发电系统(BIPV和BAPV)将存在更多的不确定性，加上难以维护清扫积灰，組串内各组件工况的一致性难以保证，因而会放大地面电站运行中存在的孤立或小概率事件发生。

常规光伏组件技术应用于建筑物屋顶及外立面发电主要存在的技术难点和安全隐患包括：

1、热斑效应：

一串联支路的电池组中任意电池如被遮蔽，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热。这种效应能严重的破坏太阳电池，直接导致失效或着火燃烧。传统光伏组件技术的结构设计存在这样的天然缺陷。

2、PID效应：

又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间在高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。PID效应是长期导致组件衰减甚至严重退化的主要原因，由此引起的组件功率衰减有时甚至超过50%;导致这一危害的根本原因就是现有的光伏组件在组建发电网络时是采用串联方式，形成20~30余倍的单个组件电压，如1000V的直流电压。

3、高压直流拉弧：

传统光伏组件采用串联方式连接，形成直流侧高压，目前采用1000V,1500V二个电压等级。该电压在建筑光伏发电应用场景之中，人与光伏板接触紧密，从而对人类活动构成极大的安全威胁。高压直流也容易拉弧引发火灾，该因素约占屋顶分布式光伏发电火灾因素的45%。

4、耐候性问题：

传统光伏组件背面为有机材料在屋顶高温高湿度的环境下，耐候性能大大降低，使用寿命低于地面电站场景。

5、独立运行问题：

传统光伏组件采用串联方式连接，导致各光伏组件不能独立运行，一旦其中一个组件出现问题，串内的能量会聚集到问题组件，极易造成火灾风险。

6、消防问题：

传统光伏组件产品的背面为有机材料或玻璃，均无法达到建筑防火A2级要求;BIPV产品内侧必须是防火耐燃材料，确保符合消防标准。

《建筑防火设计规范GB50016》(2018)3.2.16条明确规定“一、二级耐火等级厂房(仓库)的屋面板应采用不燃材料。”

7、承重问题：

传统的组件产品的结构力学设计，只能保证一定风压力，从来没有考虑过人在组件面上的活动。但BIPV产品作为建筑材料，必须考虑人在上面的检修和行走活动。

8、隐裂风险：

隐裂就是一些肉眼不可见的细微破裂，晶硅电池片由于其自身晶体结构的特性，很容易破裂，隐裂可以说是一种较为常见的电池片自身缺陷。会导致电池片部分乃至整片失效。传统产品因为未考虑人类在组件表面的活动，因此对隐裂问题是没有设计控制措施的。BIPV因为受人类日常活动影响，采用晶硅电池的BIPV必须考虑隐裂带来的风险。

9、电气安全：

BIPV产品作为建筑材料，其应用场景大大有别于传统组件产品，作为建筑材料已经与人类生活紧密相连，密不可分，电气的安全性成为重大的考量。任何高于人类需求的安全电压的BIPV产品都会给人类生活安全构成威胁。真正的BIPV产品首先要在电气电压安全方面做好彻底的防范保证。安全低压产品无疑是最佳解决方案。

10、建筑通用性：

BIPV产品作为建筑材料产品，应该与既有建筑维护结果充分的衔接，尽量通用一致以实现既有建筑的大规模使用。

上述问题恶化后导致组件失效，甚至着火燃烧。这也就不难解释屋面光伏发电着火概率远远大于地面电站的原因。

文章作者：崔永祥