浅谈建筑光伏一体化的发展及其产品认证

王 冬 肖鹏军 邱 娟 王精精

（中国建筑材料认证中心有限公司，北京 100024）

（国家建材工业太阳能光伏（电）产品质检中心，北京 100024）

1 引言

目前，石油、煤、天然气等化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7%，其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然气占23.9%。虽然根据世界能源统计报告的数据显示，世界能源储量仍在继续增加，但人类社会的能源消耗也是逐渐增长的。以目前的消耗速度，不需100年，世界的石油和天然气等能源资源终将枯竭。能源的紧缺提出了对可再生能源的需求，而太阳能作为一种只要太阳光能照射到的地方都可以使用的能源受到广泛的关注，它的使用已经从最初在边远地区和缺电地区的使用，逐渐的转移到发达国家城市的使用；从简单的使用和安装太阳电池板，到现在能够把太阳电池板和建筑进行比较好的结合，使得太阳能光伏发电得到更广阔的发展空间。光伏发电不消耗化石能源资源和水资源，不产生污染，也没有温室气体排放，既适合分散使用，也可以集中建设大型光伏发电站，为未来经济发展前景的可再生能源打下基础。因此各国政府高度重视太阳能发电，并把太阳能发电作为未来首选发展方向。

2 太阳能发电的原理和太阳能电池的类型

2.1 太阳能光伏发电原理

太阳能发电基本原理就是“光生伏特效应”，简称“光伏效应”（Photovoltaic effect），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。简单的讲就是太阳光照射在半导体PN结上，由于PN结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。这就是光电效应太阳能电池的工作原理（如图1所示）。光伏效应首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次是形成电压过程。有了电压，在合适条件下就会形成电流的回路。

图1 太阳能发电基本原理

2.2 太阳能电池分类

根据所用材料的不同，太阳能电池主要分为以下几类：

（1）硅太阳能电池

硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和原子无序排列的非晶硅薄膜太阳能电池三种。目前实验室单晶硅和多晶硅的光电转换效率已经分别达到25%和20.5%。单晶硅规模生产时的效率已经大于16%。单晶硅制造过程极其细致且缓慢，其内部是规则的晶体结构，表现出可预测和均匀的行为特性。多晶硅制造工艺相对简单，内部晶界的存在阻碍了载流子的迁移，造成了有效的电子空穴复合点和P-N结短路，因此降低了电池的性能。非晶硅结构特征为短程有序而长程无序的α-硅，光电转换效率最高已达到13%。，但生产中电池组件的稳定效率仅为5.5%-7.5%。

（2）高效III-V族化合物薄膜太阳能电池

高效III-V族化合物材料种类繁多，最主要的是砷化镓（GaAs）电池。 以砷化镓（GaAs）为代表的III-V族化合物材料有很多优点，比如它们具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，具有良好的抗辐射性和较小的温度系数。砷化镓（GaAs）电池，无论是单结电池还是多结叠层电池，其转换效率都是迄今为止最高的。但是由于其价格昂贵，制备技术复杂，导致成本过高，因此除了空间应用外，GaAs电池地面应用很少。近年来，随着叠层电池转换效率的提高及聚光太阳电池技术的发展，聚光III-V族化合物太阳电池在地面应用越来越广泛。

（3）铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池

铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物半导体，具有黄铜矿的晶体结构，自20世纪70年代出现以来，发展迅速，目前已经逐步产业化。由于CIGS是一种直接带隙材料，其可见光的吸收系数高，因此非常适合太阳电池的薄膜化。CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5微米，整个电池厚度为3-4微米。其具有稳定性好、基本不衰减；弱光性好、抗辐照性能好、成本低、效率高等优点。大面积电池组件转化效率及产量根据各公司制备工艺不同而有所不同，一般在10%至15%范围内。CIGS电池是新一代太阳能电池的主流产品之一。

（4）染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳电池的原理主要是模仿绿色植物光合作用，把自然界中的光能转换成电能的一种新型太阳电池，主要由导电基底材料（透明导电电极）、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解质和对电极。自1991年染料敏化太阳电池取得突破性进展以来，染料敏化太阳电池已经成为十分活跃的研究领域。其成本低、效率高。技术门槛相对较低。目前染料敏化太阳电池有三个应用方向：折叠式移动户外充电设备、室内用充电电池、家庭用屋顶或墙壁用电池。

（5）硅异质结光伏电池（HIT）

HIT太阳能电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。这种太阳能电池按单位面积计算的发电量保持着世界领先水平，通过在P型氢化非晶硅和N型氢化非晶硅与N型硅衬底之间增加一层非掺杂(本征)氢化非晶硅薄膜,改变了PN结的性能。因而使转换效率达到20.7%，开路电压达到719 mV，并且全部工艺可以在200℃以下实现。HIT光伏电池具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好等特点。

单个太阳能电池能够将太阳辐射能直接转换成电能，但是其发电能力很小，因此工厂将太阳能电池按照一定串并连方式联结并封装，就形成了太阳能光伏组件。目前市场上见到的太阳能产品大部分是太阳能光伏组件。

3 光伏建筑一体化（BIPV）

3.1 光伏建筑一体化的概念

太阳能电池在建筑上的应用一般分为两种方式，一类是将光伏方阵依附于建筑物上，充分利用现有建筑物的空闲空间，将建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用，一般将这类光伏系统称之为支架式光伏建筑（Building Attached photovoltaic，简称BAPV）。光伏系统跟这个房子没多大关系，只是借用了房屋屋顶或立面的面积（见图2屋顶）。组件与屋顶整合可以最大限度的接受太阳光的照射，还可以兼做屋顶的遮阳板或者做成通风隔热屋面，减少屋顶夏天的热负荷。组件与屋顶的构造做法有两种方式，一种是兼为屋顶防水构造层次的部分，这时必须要求光伏组件系统具有良好的防水性能，另外一种是单独作为构造层次位于防水层之上，后者对于屋顶防水具有保护功能，可以延长防水层的使用寿命。

另一类是光伏方阵与建筑的集成（见图2），比如光伏组件与屋顶、幕墙、遮阳系统等结合或集成，光伏组件作为建筑物的构件，变成了建筑物不可分割的一部分，一般将这类光伏系统称之为光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，简称BIPV）。由于房屋屋顶或立面有较多的受光面积，同时便于安装，光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间,因此光伏采光顶或幕墙在国外得到了广泛应用。

光伏建筑一体化是应用太阳能发电的一种新概念，它将各种类型的太阳能光伏组件与建筑有机的结合，具有减少建筑能耗、节约占地，提高发电效率，减少输电线路的投资和损失，替代或部分替代建筑材料等优点。它不是简单地将光伏组件和建筑叠加，而是根据节能、环保、安全、美观、实用的总体要求，将太阳能光伏组件作为一种新型节能的建筑材料融入建筑领域，使其真正成为建筑的有机组成部分。

图2 光伏方阵依附于建筑物上（BAPV）

图3 光伏方阵与建筑的集成（BIPV）

光伏建筑一体化发电系统可分为三类：一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池；第三类是混合光伏系统，即独立发电+并网发电的组合形式。

3.2 光伏建筑一体化的发展

德国、美国、法国、澳大利亚、英国等发达国家拥有相当先进的太阳能建筑应用技术并大规模应用。在德国和美国，对太阳能建筑的研究、设计优化、还是材料、房屋部件结构的产品开发、应用，以及形成商业运作的房地产开发，均处于世界领先地位，并在形成了完整的太阳能建筑产业化体系。1990年原西德在世界上率先推出“1000屋顶计划”，到2000年又推出了10万屋顶计划。2009年，德国屋顶光伏项目占德国每年新增装机的80%。美国于1997年开始实施百万阳光屋顶计划，计划到2010年完成10万套。法国、澳大利亚荷兰等国家也陆续制定了本国的屋顶计划。近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到了清洁、无污染，代表了21世纪太阳能建筑的发展趋势。随着光伏发电领域的技术不断进步，许多国家（如美国、德国）都制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过20%的计划。

我国BIPV系统的研究与开发也已取得了很大的发展。根据我国制定的光伏产业规划预测：到2020年光伏建筑并网发电量要占到光伏总发电量的62.5%（见图4）。由于我国建筑光伏一体化起步较晚，因此目前在国内还处于示范阶段。

图4 中国到2020年的光伏发电市场份额预测

4 BIPV组件设计要求

应用于建筑光伏一体化系统的光伏组件可以是单晶硅、多晶硅、薄膜电池等各种电池组件，这些光伏组件不仅要满足光伏发电的功能要求，同时还要兼顾建筑的基本功能要求。具体要求如下：

（1）安全性能要求

光伏组件的安全性能主要表现在两个方面：一是结构设计、选用材料是否符合使用要求；二是光伏组件本身是否满足安全性能要求。

（2）长期可靠性设计要求

当光伏组件应用于建筑之后，尤其是应用于幕墙时，组件的长期可靠性要满足要求。

（3）产业化要求

产业化要求就是组件的标准化、通用化、模块化，产品规格的统一才能保证设计的有据可依，同时可以提高生产效率、降低制造成本，实现大规模商业化应用。

（4）发电应用能力

BIPV的应用不能仅仅是一个概念，而是要切实的应用到日常生活中。因此，确保光伏组件能正常发电，并在发电基础上得到充分有效的利用。

（5）建筑节能

作为绿色和节能的代表，太阳能光伏组件应用在建筑上时，必需满足原有建筑该部位的节能要求。

（6）防火性能

由于光伏组件有热斑效应，在发电的过程中会伴随着发热，热量集聚到一定程度后可能会引起周围易燃物的燃烧。此外，光伏组件作为屋面材料或安装在现有屋面之上时，这些组件可能暴露在火灾中，因此需要满足一定的防火等级。

5 BIPV的相关认证

目前世界上还没有一个专门针对BIPV系统的相关认证，现有的认证体系都是针对光伏组件的产品认证，主要有以下几种：

（1）依据IEC标准的认证

主 要 是 依 据IEC 61215、IEC 61646、IEC 61730等太阳能相关标准对组件进行测试，根据测试结果颁布认证证书。欧洲众多的认证机构一般将IEC系列标准作为光伏组件认证最主要的技术依据，开展IEC光伏组件认证的机构有德国莱茵TUV和VDE、荷兰KIWA、法国BV、西班牙APPLUS、意 大 利RINA等 等，其 中，TUV认 证的知名度最高。

（2）依据 UL标准的认证

在北美市场上销售的电子、电器等产品都需要取得安全方面的认证。因此出口到北美的光伏组件，需要按照UL1703作安全测试。可以按照UL 1703开展光伏组件认证的机构有美国保险商实验室UL、加拿大标准协会CSA、天祥Intertek等。

（3）金太阳认证

“金太阳认证”是在国家认证认可监督管理委员会的领导下，在国家发改委、世界银行、全球环境基金“建立中国太阳能光伏产品认证体系”项目的支持下，对中国太阳能光伏类产品权威的认证。通过认证的产品允许贴有“金太阳”认证标志。除国内市场的认可外，金太阳认证得到世界银行项目的广泛认可。

（4）CCC强制认证

国家认证认可监督管理委员会于2009年发布的《安全玻璃类强制性产品认证实施规则 安全玻璃产品》将光伏夹层玻璃作为特殊的夹层玻璃纳入了强制性产品认证的范围。当光伏夹层玻璃使用在建筑物的幕墙、顶棚等部位时，玻璃的安全性能应满足《建筑安全玻璃管理规定》，即光伏夹层玻璃需要通过国家强制性产品认证（CCC认证）。该认证目前只针对光伏夹层玻璃材料的安全认证，没有涉及到BIPV光伏组件的电气安全性能、防火性能等。

如上所述，不论是依据IEC或UL标准的光伏组件认证，还是鉴衡的金太阳认证和中国质量中心的光伏（PV）产品认证，都主要针对地面电站用光伏组件的认证。光伏玻璃的CCC强制认证是针对夹层玻璃材料的一个安全认证，这些认证都是独立于BIPV系统之外，只针对光伏组件本身的电性能或者材料安全性能的认证，尚缺少一个可以综合评价组件电性能、电气安全性能、材料的安全性能、防火性能的BIPV认证体系。

6 结语

BIPV这种新型的建筑应用形式是随着太阳能组件的发展而发展起来的，在国外应用广泛，不仅降低了建筑物能耗，节约了能源，而且扩展了能源选择。但是由于BIPV出现的时间相对比较短，到目前为止，IEC、EN、UL等国际化组织和认证机构还未颁布相关的BIPV标准，只有德国VDE刚颁布了一个BIPV标准。同时，目前世界范围内也没有一个完善的BIPV认证制度。这些问题的存在给BIPV的发展带来了不利影响，但是随着广大科技工作者的深入研究，相信这些问题会得到改善，并使BIPV健康发展。