一、目前光伏發(fā)電的安全問題
太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在近年隨系統(tǒng)成本的下降，度電成本均已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)的化石燃料發(fā)電成本，如煤炭、石油、天然氣等，也低于核電發(fā)電成本。
過去光伏發(fā)電為降低系統(tǒng)成本，各光伏企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)均投入最大的精力進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換效率的提升和系統(tǒng)成本的降低這二個(gè)重點(diǎn)上，很少關(guān)注光伏應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性以及不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)人類活動(dòng)所造成的潛在威脅。
過去20年起源于美國和歐洲的光伏發(fā)電至今，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)階段，但實(shí)際距離人類生產(chǎn)的普遍使用仍還有很長的距離，同時(shí)也正面提出可再生能源代替化石能源的過程仍然是很漫長的一個(gè)過程，能源革命不是一朝一夕的事情。
光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)從起步到產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)經(jīng)歷了20年的歷程，在中國發(fā)展也經(jīng)歷了15年的征途。盡管中國已經(jīng)成為全球最大的光伏制造大國和應(yīng)用大國，但光伏在應(yīng)用端并未發(fā)生革命性的變化，依然采用串聯(lián)電路，形成更高的直流電壓，然后通過集中的逆變器進(jìn)行交直流的轉(zhuǎn)換，將交流電力輸入電網(wǎng)。在直流側(cè)的串聯(lián)電路中形成了高達(dá)1000V的電壓，近年為降低直流側(cè)電纜用量，又開始將直流電壓升高到1500V的電壓等級(jí)。
這樣一個(gè)系統(tǒng)原理，從光伏開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以來形成了一個(gè)固定的思維格式，而該技術(shù)路線最大的優(yōu)勢(shì)就是在于光伏PN結(jié)形成的單個(gè)電池片電壓始終只有0.5~0.6V左右，電流與電壓帶來的反比關(guān)系決定了只有更高的電壓獲得更低的電流，降低系統(tǒng)的電阻損耗，提升系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)成本。這是過去20年里一貫的思路并持續(xù)發(fā)展至今。
這樣的技術(shù)路線選擇如果僅僅用于地面發(fā)電以及既有屋頂支架安裝的系統(tǒng)，看起來風(fēng)險(xiǎn)較小。但隨著越來越多的屋面光伏電站的投入運(yùn)行后，人們發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)路線面臨越來越多的安全隱患和安全挑戰(zhàn)。尤其以2019年8月22日央視財(cái)經(jīng)報(bào)道：美國沃爾瑪超市在過去11個(gè)月里連續(xù)7個(gè)購物中心屋頂?shù)墓夥l(fā)電起火燃燒，沃爾瑪控告美國特斯拉SolarCity全部拆除屋頂光伏發(fā)電并賠償損失。這一事件才引發(fā)了人們對(duì)光伏發(fā)電安全性的廣泛重視。
事實(shí)上，在中國隨著近年光伏扶貧和農(nóng)村分布式的發(fā)展，屋頂光伏電站著火事件時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)成為威脅人們建筑安全的重要因素。關(guān)于光伏電站著火概率至今仍沒有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，但事實(shí)已經(jīng)證明：以高壓直流為主導(dǎo)的屋面光伏發(fā)電技術(shù)路線，已經(jīng)對(duì)建筑構(gòu)成了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，必須引起人們的高度重視。
為此，在2014年和2016年，歐盟和美國分別通過立法，強(qiáng)制要求屋面光伏發(fā)電設(shè)施必須裝設(shè)智能關(guān)斷器。分別設(shè)置的最高電壓為60和80v。2020年中國通過《建筑光伏一體化技術(shù)規(guī)程》也參考美國標(biāo)準(zhǔn)提出了80V的故障關(guān)斷要求，但由于并非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，仍未在中國引起充分重視。
二、現(xiàn)行光伏技術(shù)應(yīng)用于屋頂發(fā)電的隱憂
現(xiàn)行光伏組串技術(shù)路線大多以20余塊組件為主，組成一個(gè)串，形成1000V，1500V級(jí)的直流高壓線路進(jìn)入直流匯流箱，再進(jìn)入集中式逆變器或組串式逆變器進(jìn)行直流向交流的逆變，然后將交流電并入電力網(wǎng)絡(luò)中。
在一個(gè)組串過程中，各組件電壓進(jìn)行疊加，形成一個(gè)疊加的直流側(cè)高電壓。為降低組串過程損失，避免木桶短板效應(yīng)，因此要求每個(gè)組串內(nèi)組件的工況（發(fā)電運(yùn)行工作參數(shù)）盡可能保證一致性。
地面光伏電站應(yīng)該進(jìn)行場(chǎng)地平整，讓每一個(gè)組串的組件盡可能安裝在一個(gè)支架陣列中，同時(shí)，務(wù)必做好日常維護(hù)，檢查熱斑，組串電流偏差，進(jìn)行灰塵清理，以盡量保證組串內(nèi)組件工況的一致性。
但分布式發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景，尤其安裝在建筑表面的光伏發(fā)電系統(tǒng)（BIPV和BAPV）將存在更多的不確定性，加上難以維護(hù)清掃積灰，組串內(nèi)各組件工況的一致性難以保證，因而會(huì)放大地面電站運(yùn)行中存在的孤立或小概率事件發(fā)生。
常規(guī)光伏組件技術(shù)應(yīng)用于建筑物屋頂及外立面發(fā)電主要存在的技術(shù)難點(diǎn)和安全隱患包括：
1、熱斑效應(yīng)：
一串聯(lián)支路的電池組中任意電池如被遮蔽，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽電池組所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱。這種效應(yīng)能嚴(yán)重的破壞太陽電池，直接導(dǎo)致失效或著火燃燒。傳統(tǒng)光伏組件技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在這樣的天然缺陷。
2、PID效應(yīng)：
又稱電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料，電池片與其接地金屬邊框之間在高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，而造成組件性能衰減的現(xiàn)象。PID效應(yīng)是長期導(dǎo)致組件衰減甚至嚴(yán)重退化的主要原因，由此引起的組件功率衰減有時(shí)甚至超過50%；導(dǎo)致這一危害的根本原因就是現(xiàn)有的光伏組件在組建發(fā)電網(wǎng)絡(luò)時(shí)是采用串聯(lián)方式，形成20~30余倍的單個(gè)組件電壓，如1000V的直流電壓。
3、高壓直流拉?。?/STRONG>
傳統(tǒng)光伏組件采用串聯(lián)方式連接，形成直流側(cè)高壓，目前采用1000V,1500V二個(gè)電壓等級(jí)。該電壓在建筑光伏發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景之中，人與光伏板接觸緊密，從而對(duì)人類活動(dòng)構(gòu)成極大的安全威脅。高壓直流也容易拉弧引發(fā)火災(zāi)，該因素約占屋頂分布式光伏發(fā)電火災(zāi)因素的45%。
4、耐候性問題：
傳統(tǒng)光伏組件背面為有機(jī)材料在屋頂高溫高濕度的環(huán)境下，耐候性能大大降低，使用壽命低于地面電站場(chǎng)景。
5、獨(dú)立運(yùn)行問題：
傳統(tǒng)光伏組件采用串聯(lián)方式連接，導(dǎo)致各光伏組件不能獨(dú)立運(yùn)行，一旦其中一個(gè)組件出現(xiàn)問題，串內(nèi)的能量會(huì)聚集到問題組件，極易造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
6、消防問題：
傳統(tǒng)光伏組件產(chǎn)品的背面為有機(jī)材料或玻璃，均無法達(dá)到建筑防火A2級(jí)要求；BIPV產(chǎn)品內(nèi)側(cè)必須是防火耐燃材料，確保符合消防標(biāo)準(zhǔn)。
《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范GB50016》（2018）3.2.16條明確規(guī)定“一、二級(jí)耐火等級(jí)廠房（倉庫）的屋面板應(yīng)采用不燃材料?！?BR>7、承重問題：
傳統(tǒng)的組件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)，只能保證一定風(fēng)壓力，從來沒有考慮過人在組件面上的活動(dòng)。但BIPV產(chǎn)品作為建筑材料，必須考慮人在上面的檢修和行走活動(dòng)。
8、隱裂風(fēng)險(xiǎn)：
隱裂就是一些肉眼不可見的細(xì)微破裂，晶硅電池片由于其自身晶體結(jié)構(gòu)的特性，很容易破裂，隱裂可以說是一種較為常見的電池片自身缺陷。會(huì)導(dǎo)致電池片部分乃至整片失效。傳統(tǒng)產(chǎn)品因?yàn)槲纯紤]人類在組件表面的活動(dòng)，因此對(duì)隱裂問題是沒有設(shè)計(jì)控制措施的。BIPV因?yàn)槭苋祟惾粘；顒?dòng)影響，采用晶硅電池的BIPV必須考慮隱裂帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
9、電氣安全：
BIPV產(chǎn)品作為建筑材料，其應(yīng)用場(chǎng)景大大有別于傳統(tǒng)組件產(chǎn)品，作為建筑材料已經(jīng)與人類生活緊密相連，密不可分，電氣的安全性成為重大的考量。任何高于人類需求的安全電壓的BIPV產(chǎn)品都會(huì)給人類生活安全構(gòu)成威脅。真正的BIPV產(chǎn)品首先要在電氣電壓安全方面做好徹底的防范保證。安全低壓產(chǎn)品無疑是最佳解決方案。
10、建筑通用性：
BIPV產(chǎn)品作為建筑材料產(chǎn)品，應(yīng)該與既有建筑維護(hù)結(jié)果充分的銜接，盡量通用一致以實(shí)現(xiàn)既有建筑的大規(guī)模使用。
上述問題惡化后導(dǎo)致組件失效，甚至著火燃燒。這也就不難解釋屋面光伏發(fā)電著火概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面電站的原因。
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