国内外BIPV标准的对比和分析

发布时间:

2024-05-28 14:35

 

据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的统计数据, 我国的建筑碳排放量占全国总碳排放量的30% 以上, 同时, 我国每年新增约 20 亿 ㎡ 的建筑面积, 形成了我国建筑领域“体量大、 增加快”的现状。 因此, 建筑领域如何做到节能减碳成为我国实现“碳达峰”“碳中和” 目标的关键点, 而光伏建筑一体化 (building integrated photovoltaic,BIPV) 成为了降碳节能的重要解决方案。BIPV 是通过将光伏组件与建筑材料结合,让传统建筑变成可以发电的节能建筑, 从而推动建筑从耗能向产能、 节能转变。 当前, 将光伏发电和建筑结合在一起的光电建筑形式主要有2种, 分别为光伏附着建筑 (building attachedphotovoltaic,BAPV) 和BIPV。 其中,BAPV是将光伏发电系统直接附加在建筑上, 由于该形式下的光伏组件并不作为建筑材料, 因此对于光伏组件无特定的建筑材料方面的要求, 此种形式适用于对现存建筑的改造。 BIPV 是将光伏组件和建筑材料 (如遮阳设施、 窗、 建筑外墙、 外屋顶等 )相结合, 从而形成一种新的建筑材料, 即建筑用光伏组件, 可称为“BIPV 组件” , 比如光伏幕墙、光伏玻璃、 光伏采光顶等。BIPV 形式的好处是光伏组件既可以进行光伏发电, 又能作为建筑物本身的材料起到建筑材料的作用, 从而可为整个建筑提供能源, 减少能源消耗, 并且还可以降低整体的建造成本。

中国作为当下全球最大的能源消耗国, 也一直大力探索推进绿色低能耗建筑的发展。2009年, 我国启动了“ 光电建筑示范应用项目 ——太阳能屋顶计划” 。 通过示范项目 的设计和实施经验, 突破并解决了国内光电建筑设计能力不足, 光伏产品与建筑结合程度低、 结合方式单一等问题。 目 前各个光伏组件制造企业已研发了光伏幕墙、 光伏屋顶、 光伏遮阳装置和光伏瓦等BIPV形式。

1.1  BIPV应重点考虑的问题

当前,BIPV组件还是一个新兴事物, 对于BIPV组件的传统检测主要集中在其需要同时满足建筑材料和光伏材料性能, 因此需要在BIPV组件的结构和材料上进行特别的设计与考虑, 主要体现在安全性要求和可靠性要求这2个方面。

1.1.1安全性要求

BIPV组件安全性的问题主要体现在以下2个方面:

1)BIPV组件的结构设计, 材料和光伏组件封装质量能否满足建筑材料的使用功能和耐久性要求;

2)光伏组件自身的发电特性带来的安全隐患。 以晶体硅光伏组件为例, 局部的持续性遮挡导致的热斑问题有可能会导致光伏组件背板熔化, 甚至发生光伏组件爆炸等, 会严重威胁使用安全。

1.1.2可靠性要求

BIPV组件作为建筑材料和光伏组件的结合产品, 其对气密性和水密性有更高的要求。 因为这不仅关系着光伏组件的使用寿命, 还关系着潜在的建筑安全问题, 比如存在漏电, 或由于封装不完善导致的光伏组件脱层、 脱膜现象等其他安全威胁。

1.2  BIPV组件相关标准的关注要点

国内外专门针对BIPV组件的标准和规范非常少, 即使当前已有一些标准, 但其中针对光伏组件性能部分的内容大多也是引用自IEC 61215和IEC 61730这 2 个系列标准; 而针对BIPV组件在建筑材料性能方面的标准则更少。

对于BIPV组件的标准制定, 可以从BIPV组件作为建筑材料所必须具备的建材特性入手,比如, 光伏组件的机械强度、 能源经济性、 防火性能、 降噪性能等; 除此之外, 尤其需要重点关注BIPV组件的隔热性能、 测试光源光谱的差异、BIPV组件的防火耐火性能、 BIPV 组件的发电性能这几个方面。

1.2.1 BIPV组件的隔热性能

建筑物的热损失一直是建筑能耗的主要来源之一, 所以需要重点考虑建筑物的隔热性能。

光伏组件作为建筑材料使用时, 如光伏幕墙、光伏采光顶等, 其隔热性能 (U 值 ) 需满足相关的建材标准。 通常, 针对门、 窗的隔热性能的测试主要是采用 ISO 10077-1-2017《门、 窗和百叶窗热性能 传热系数的计算 第 1 部分: 总则》中的测试方法。 但是由于光伏组件存在因发电而产生热量的特性, 导致直接采用上述测试方法进行BIPV组件的隔热性能测试是不准确的。因此, 中在几年前提出了一种测试思路, 即利用 ISO 10077-1-2017中的测试方法,给 BIPV 组件通最大功率点电流, 模拟光伏组件发电时的发热状态, 从而达到测试 BIPV 组件隔热性能的目的。

1.2.2测试光源光谱的差异

对于地面用晶体硅光伏组件, IEC 60904-9-2007《光电器件 第 9 部分: 太阳模拟器的性能要求》 中要求的测试光谱范围为 400~1100 nm; 而ISO 19467-2017《门窗的热性能 用太阳模拟器测定太阳能得热系数》 中要求的测试光谱范围是 300~2500 nm。 虽然这 2 个标准对光谱范围的测试要求存在差异, 但由于大部分太阳电池技术中, 太阳电池对于大于 1100 nm 波段的光谱响应很小, 甚至没有响应, 所以在标准的制定过程中不会考虑这一波段范围, 即这一波段的光谱不影响太阳电池的发电性能; 但 1100~ 2500 nm 波段的光谱会影响建筑物的热性能表现, 比如其会通过辐射等形式进入室内, 影响整体建筑物的能耗水平。

近期, 随着光伏发电技术的进步, 太阳电池的光谱响应区间也随之发生了变化, 所以 IEC 的相关光伏测试标准将测试光谱范围从 1100 nm 拓宽到了 1200 nm, 即现在要求的测试光谱范围为400~1200 nm。

1.2.3 BIPV组件的防火耐火性能

光伏组件应用在建筑上, 最需要关注的是其防火性能。 我国关于光伏组件防火性能测试采用的标准是IEC 61730-2: 2016《Photovoltaic (PV)module safety qualifcation——Part 2: Requirementsfor testing》和UL790《Standard test methods forfre tests of roof coverings》 , 但是光伏组件应用于建筑上时, 仅满足IEC 61730-2:2016 和 UL790是远不够的。

光伏发电与建筑相结合, 从保证建筑物安全方面来考量, 最终的光伏组件性能评价需要采用最为严苛的标准进行衡量。 因此, BIPV 组件的防火性能应遵从建筑材料的相关防火标准, 比如GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》等一些常用的建筑防火相关标准。

除了上述提到的标准, 中国材料与试验团体标准委员会建筑材料领域委员会太阳能光伏系统应用技术委员会(CSTM/FC03/TC22)还针对BIPV组件的防火、 耐火性能发布了 T/CSTM00260-2021《屋面晶体硅光伏与压型钢板构件防火等级试验方法》 。

1.2.4 BIPV组件的发电性能

光伏组件的发电性能与其安装角度有关,但由于 BIPV 组件安装的特殊性, 有时其需要安装在垂直平面上, 或安装在不同倾角的建筑表面, 因此, BIPV组件的发电性能会受到很大影响。

2 国内 BIPV相关标准

由于BIPV组件首先是作为建筑材料来使用的, 因此其必须要先满足建筑材料的要求, 在此前提下再考虑光伏组件的发电性能。 因此, 在制定BIPV组件相关标准时, 也应首先满足建筑材料的各项标准和规范, 然后再满足光伏组件的各项标准和规范。

由于 BIPV 还是一个全新的领域, 且其还是跨领域的结合产物, 光伏行业和建筑行业对其认识都不深, 因此当前阶段只能依靠行业内部讨论和地方规划来进行BIPV的标准建设。 比如住房和城乡建设部发布实施的JGJ 203-2010《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》 ,2010年3月1日起实行的国家建筑标准设计图集10J908-5《建筑太阳能光伏系统设计与安装》 ( 当前已废止 )和2012年5月1日起实行的JGJ/T 264-2012《光伏建筑一体化系统运行和维护规范》 , 安徽省发布的DB 34854-2008《太阳能利用与建筑一体化技术标准》 , 北京市布的DB 11/T881-2012《建筑太阳能光伏系统设计规范》和配套图集《建筑太阳能光伏发电系统》 , 辽宁省发布的DB21/T1792-2010《太阳能光伏与建筑一体化技术规程》,江苏省发布的DGJ32/J 87-2009《太阳能光伏与建筑一体化应用技术规程》 , 江苏省杭州市建设委员会于2010年1月26日发布的CJS01-2010《太阳能光伏与建筑一体化应用技术导则 (暂行)》等,但BIPV领域还是缺少统一的以国家标准为主体。

近几年,我国也加快了针对BIPV的国家标准体系的建设, 分别于2018年发布了 GB/T36963-2018《光伏建筑一体化系统防雷技术规范》,2019年发布了GB/T 38388-2019《建筑光伏幕墙采光顶检测方法》 和GB/T 37655-2019 《光伏与建筑一体化发电系 统验收规范》 。2021 年, 由CSTM/FC03/TC22牵头, 隆基绿能科技股份有限公司等企业参与, 共同制定了T/CSTM 00260-2021 《屋面晶体硅光伏与压型钢板构件防火等级试验方法》 , 该标准真正解决了BIPV组件的防火性能测试的标准问题, 为我国 BIPV 标准化贡献了一份力量。

总体来说, 我国现在的BIPV相关标准体系是采用以GB/T 38388-2019《建筑光伏幕墙采光

顶检测方法》 和GB/T 37655-2019 《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》这2个国家标准为主,其他团体标准和行业标准相配合的模式。

我国 BIPV 相关标准的分类示意图如图 1 所示, 我国 BIPV 相关检测项目 与检测方法如表 1所示。

表 1 我国 BIPV 相关检测项目与检测方法

检测项目

检测目的

检测方法

光伏幕墙

光伏采光顶

抗风压性能

安全性

GB/T 15227-2007《建筑幕墙气密、 水密、抗风压性能检测方法》

结构性能

安全性

GB/T 34555-2017《建筑采光顶气密、 水密、 抗风压性能检测方法》

水密性能

适用性

GB/T 15227-2007

GB/T 34555-2017

气密性能

节能性

GB/T 15227-2007

GB/T 34555-2017

层间变形性能

安全性

GB/T 18250-2015《建筑幕墙层间变形性能分级及检测方法》

抗震性能

安全性

GB/T 18575-2017《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》

GB/T 18575-2017

抗风携碎物冲击

 

安全性

GB/T 29738-2013《建筑幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》

GB/T 29738-2013

保温性能

节能性

GB/T 29043-2012《建筑幕墙保温性能分级

及检测方法》

GB/T 29043-2012

 

隔热性能

节能性

JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》

 

JGJ/T 151-2008

 

空气声隔声性能

适用性

GB/T 8485-2008《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》

GB/T 8485-2008

 

光学性能

节能性

GB/T 18091-2000《玻璃幕墙光学性能》

GB/T 18091-2000

热循环性能

耐久性

IEC 61215

JG/T 397-2012

电致发光检测

光电转换效率

IEC 61215

IEC 61215

最大功率

安全性

IEC 61215

IEC 61215

湿漏电流

安全性

IEC 61215

IEC 61215

湿冻实验

光电转换效率

IEC 61215

IEC 61215

可开启部分

启闭力

适用性

 

GB/T 9158-2015《建筑门窗力学性能

检测方法》

GB/T 9158-2015

 

耐撞击性能

安全性

GB/T 21086-2007《建筑幕墙》

抗冲击性能

安全性

JG/T 231-2018《建筑玻璃

采光顶技术要求》

注: 检测光伏采光顶的结构性能时, 需要考虑可能出现的雪荷载、 积水荷载、 冰荷载和其他特殊荷载

图 1 我国 BIPV 相关标准的分类示意图

  国际BIPV相关标准

现行光伏行业的国际标准中, 包括基础通用的标准 1 项、 材料类标准 12 项、 太阳电池和光伏组件类标准 52 项 ( 其中聚光型光伏组件有 7项 )、 光伏部件类标准 18 项、 光伏发电系统类标准 41 项 ( 包含农村电气化小型可再生能源和混合系统的系列标准 21 项 )。

国际 BIPV 相关标准情况国际 BIPV 相关标准如表 2 所示。

 

IEC 61215-1:2021

 

《Terrestrial photovoltaic (PV) modules——Design qualification and type approval——Part 1:Test requirements》

IEC 61215-2:2021

 

《Terrestrial photovoltaic (PV) modules——Design qualification and type approval——Part 2:Test procedures》

IEC 61730-1:2023

《Photovoltaic (PV) module safety qualifcation——Part 1: Requirements for construction》

 IEC 61730-2:2023

《Photovoltaic (PV) module safety qualifcation——Part 2: Requirements for testing》

 IEC 60904-9:2020

《Photovoltaic devices——Part 9: Classifcation of solar simulator characteristics》

   

 

IEC 61853-1:2011

 

《Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating——Part 1: Irradiance andtemperature performance measurements and power rating》

IEC 61853-2:2016

 

《Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating——Part 2: Spectral responsivity,incidence angle and module operating temperature measurements》

IEC 61853-3:2018

 

《Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating——Part 3: Energy rating of PV modules》

EC 61853-4:2018

 

《Photovoltaic (PV) module performance testing and energy rating——Part 4: Standard reference climatic profles》

IEC 60721-2-1:2013

 

《Classifcation of environmental conditions——Part 2-1: Environmental conditions appearing in nature——Temperature and humidity》

IEC TS 62915:2018

 

《Photovoltaic (PV) modules——Type approval, design and safety qualifcation——Retesting》

IEC 63092-1:2020

 

《Photovoltaic in buildings——Part 1: Requirements for building-integrated photovoltaic modules》

IEC 63092-1:2020

 

《Photovoltaic in buildings——Part 2: Requirements for building-integrated photovoltaic systems》

ISO 52000-1:2017

 

《Energy performance of buildings——Overarching EPB assessment——Part 1: General framework and procedures》

ISO 19467:2017

 

《Thermal performance of windows and doors——Determination of solar heat gain coeffcient using solar simulator》

ISO/TS 18178:2018

 

《Glass in building——Laminated solar photovoltaic glass for use in buildings》

EN 50583-1:2016

 

《Photovoltaics in buildings——Part 1: BIPV modules》

EN 50583-2:2016

 

《Photovoltaics in buildings——Part 2: BIPV systems》

EN 15316-4-3:2017

 

《Energy performance of buildings——Method for calculation of system energy requirement and system effciencies——Part 4-3: Heat generation systems, thermal solar and photovoltaic systems,module m3-8-3, m8-8-3, m11-8-3》

EN 50331-1(draft)

 

《Photovoltaic systems in buildings——Part 1: Safety requirement》

UL1703

《Standard for safety fat-plate photovoltaic modules and panels》