光电建筑安全白皮书

固德威技术股份有限公司 2023年3月 CONTENTS 目录 01.前言02 02.背景03 2.1光电建筑发展趋势03 2.2光电建筑安全风险04 03.光电建筑安全解决方案07 3.1直流拉弧检测解决方案07 3.2快速关断解决方案09 3.3结构增强解决方案11 3.4防水解决方案13 3.5抗风揭解决方案14 04.性能验证及技术评级16 4.1光电建筑电气安全验证评估19 4.2光电建筑结构安全验证评估21 05.总结与展望23 01.前言 在碳达峰、碳中和的目标指引下，建筑业低碳发展已成为必然趋势，与建筑相结合的分布式光伏包括附着在建筑上的光伏系统（BAPV）和光电建筑一体化（BIPV）是未来光伏产业发展的重要方向。 在光电建筑快速发展的同时，安全问题也随之突出。目前整体上已建成的光电建筑防护水平并不高，尤其在直流侧，由于安装、防护装备以及标准不足导致的安全事故频发，其中以电气火灾发生的频次最高。此外，由于恶劣环境和人为因素导致的设备安全问题也时有发生。 考虑到目前行业对于光电建筑的发展需要以及未来发展趋势，固德威技术股份有限公司（以下简称“固德威”）针对电气安全开发了直流拉弧检测和组件级快速关断技术，结构方面推出了最高等级防火、抗风揭及结构增强的光电建筑一体化产品，并委托德国莱茵TÜV集团（以下简称“TÜV莱茵”）和中国国检测试控股集团股份有限公司（以下简称“国检集团”）对光电建筑安全特性指标进行验证及评审。本白皮书旨在分析光电建筑可能遇到的安全风险以及现有的安全解决方案，供行业参考。 02.背景 2.1光电建筑发展趋势 截至2022年年底，我国光伏发电并网装机容量达到392GW，连续8年位于全球首位。“十四五”以来，光伏发电实现巨大突破，在新增光伏发电并网装机中，分布式光伏在历史上首次突破50%，2022年新增超51GW。依赖于近年来国家对分布式光伏的大力倡导，以及分布式光伏在灵活性，环保性，土地利用率等方面的优势，可以预见在“十四五”期间以及未来十年，分布式光伏在新增光伏装机中依旧会保持较高比重。在分布式光伏中，随着整县屋顶分布式光伏开发试点方案的政策推进，与建筑相结合的分布式光伏未来成长空间十分充足。《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出，到2025年，装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30％（较2020年提升近10％）；全国新增光电建筑光伏装机容量50GW以上。 目前，实现光电建筑的技术路线主要分为传统的BAPV和新兴的BIPV两类。BIPV作为光电建筑新的解决方案，未来将占据越来越大的市场份额。从与建筑的结合方式来看，BIPV具有更广泛的应用空间。BAPV大多数通过不同类型的支架将普通光伏组件固定在彩钢瓦或水泥屋顶，主要用于闲置屋顶空间的改造。BIPV除了屋顶之外，还可以应用在光伏幕墙、光伏遮阳、阳光房等更多的应用场景。单以屋顶作为比较，BIPV具备多项显著的技术优势，包括在建筑外观、屋顶荷载受力、防水性能、设计寿命以及施工难度方面领先于BAPV技术，到2025年BIPV市场在分布式光伏中的渗透率有望突破30%。当前BIPV增量市场装机总潜力约为6-8GW，目前仍以存量改造项目为主，预计新建建筑的市场会逐渐增加。 单位：GW 30.2% 19.9 18.6% 12.2% 10.9 8.1% 4.5% 5.2% 6.7 0.7 1.5 4.1 25.0 35.0% 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 2020202120222023E2024E2025E BIPV装机量BIPV在分布式光伏渗透率 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 光电建筑一体化装机情况 在建筑光伏蓬勃发展的同时，随之而来的“安全风险”也越来越多，引起行业的关注和重视。尤其是建筑类光伏，大多处于商业区和居民区，对安全方面的要求更高，在电气、结构安全方面此类系统需要重点防范。 2.2光电建筑安全风险 2.2.1火灾事故及成因 在光伏电站所有安全问题中，火灾是最大的安全隐患。类似于其他电气行业，光伏系统面临很多电气安全隐患，如拉弧故障，短路故障，接地故障以及反向电流等。这些故障都可能引起光伏系统局部过热并引起火灾。全球范围内，一些建筑光伏发生的火灾事故造成了极大的财产损失和人身安全威胁。 据统计，在中国近三年已有约45起典型的光伏火灾事故，日本在近十年也有约125起屋顶光伏系统火灾。根据德国弗劳恩霍夫协会统计，德国在过去20年间发生了350起光伏火灾。 2021年6月，苏州园区内某公司屋顶光伏起火，光伏组件持续燃烧4到 5个小时，2021年6月同一天内，美国亚马逊也发生一起由屋顶光伏电站引起的火灾事故，造成了约50万美元的损失。 2021年6月光伏火灾（图源网络） 自2015年以来，全球各地的光伏系统火灾数量一直呈上升趋势，除了来自于外部原因的火灾外，光伏系统自身的火灾隐患更需要引起重视。光伏系统自身的火灾事故据统计一半以上为直流拉弧引起，随着近年来光伏组件的规格越来越大，直流侧的电流也越来越大，引起火灾的风险大大增加，直流拉弧是光伏系统中常见的故障现象，绝缘破裂、触点脱落、器件老化或接地不良等因素都会产生电弧，而且光伏系统中直流电弧的危害远远大于交流电弧，因为直流电弧没有过零点，一旦发生就会持续燃烧，难以熄灭，很容易引发火灾事故。 2.2.2消防安全隐患 当消防员到达发生火灾的建筑时，为了保障安全，他们的首要任务之一是断开建筑与电网的连接。在光伏逆变器中集成了直流隔离开关，即使消防人员断开了建筑的交流开关和逆变器的直流开关，逆变器和光伏板之间仍存在直流高电压。通常单个光伏组件的工作电压在30-60V，而在户用和工商业的光电建筑中组串式连接直流电压可达600-1500V，严重威胁消防人员的安全。 2.2.3结构安全隐患 风灾除火灾外，大风也是引发光伏事故的主要原因之一，目前已建成的部分屋顶光伏项目在台风带来的强风暴雨等恶劣天气和灾害情况下出现了不同程度的损坏，由于早期项目方案没有深 度考虑风荷载的影响，大多简单地将光伏系统叠加固定至原有屋顶之上，甚至有组件被吹落屋顶，这类情况极大地威胁了业主和他人的生命安全。 2021年3月中旬，内蒙古出现大风和强沙尘天气，最高风力达到11级，瞬时极大风速一度逼近50年一遇。大风造成多个光伏电站受灾，组件破碎，支架断裂，有光伏电站直接经济损失达上千万元。 2019年第15号台风「法西」以日本关东史上最强等级台风之姿侵袭关东地区，千叶县首当其冲，位于市原市水库湖面上的日本最大规模水上太阳能板被吹翻。 内蒙古，日本千叶风灾（图源网络） 雪灾、冰雹 2021年6月30日，山东聊城几百户光伏电站在突如其来的暴雪加冰雹中受损。据知情人士表示：完全损毁的户用电站有5家左右，每家平均30kW，直接损失在50万以上。 2021年11月内蒙古通辽遭受极端天气暴雪影响，某光伏电站出现不同程度的坍塌。 山东聊城，内蒙古通辽雪灾、冰雹（图源网络） 2.2.4现行评价标准不完善 从现有的标准来看，针对光伏系统电气安全的标准相对健全，安全规范也相对成熟。光伏电站系统设计主要按照IEC62548《光伏方阵设计要求》及相关标准，主要对光伏系统的电击保护、过电流保护以及电气装置的安装和选择等方面进行了设计方面的要求。对于直流拉弧保护，欧盟和美国也出台了相应的标准如UL1699B及IEC63027。针对消防安全，早在2014年，美国NEC发布了NEC2014690.12标准，对光伏系统的快速关断做出了要求，并在2017年和2020年进行了两次修订，此标准在2019年1月在美国开始强制执行。这些标准规定了需要满足建筑光伏电气安全的最低要求，但是对于如何建造更高安全标准的光电建筑还有一定的改善空间。此外，从光电建筑整体来看，目前光伏系统和建筑相结合的标准还需要完善。 针对光电建筑，国内已有标准根据适用范围大致可分为光电建筑材料和设备标准、构件标准以及工程标准等三类。整体来看，现阶段标准的制定主要由建筑领域主导，建筑与光伏行业的沟通和合作机制虽然越来越紧密，但行业间的融合还存在很大的提升空间。传统的光伏产品立足于降低成本、提高转换效率，从而缺少对建筑行业的了解和建材制造的能力，对建筑要求的防水、防火、耐热、采光、结构安全等性能缺乏系统性的考虑。同时，传统建筑存在方案设计、施工等多个阶段，不同的建材有明确的时间介入点，而现存的建设项目中光伏介入建筑的时间较为滞后，导致其为了满足建筑在颜色、材质和形状等方面的要求，需要频繁修改光伏组件的设计，加大施工难度，拖慢施工进度；后期运维易出现权责不清的现象。 近年来我国加快了针对光电建筑的国家标准体系的建设，例如在2019年发布的《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》和《建筑光伏幕墙采光顶检测方法》、包括《建筑节能与可再生能源利用通用规范》第5.2.9中规定“太阳能光伏发电系统中的光伏组件设计使用寿命应高于25年”，强调了组件本身的使用寿命，但是没有将组件融入屋面围护系统中以建材的属性作为衡量标准。就目前的光电建筑行业标准来看，主要问题集中在光伏技术和建筑领域的融合不够深入。 03.光电建筑安全解决方案 光电建筑发展前景十分广阔，电气火灾和结构安全是建设光电建筑的首要考虑因素之一。采用智能化的措施，将直流拉弧检测技术和组件级快速关断技术相结合预防电气火灾，选取具有结构安全建筑光伏一体化产品，提高光电建筑的安全防控水平势在必行。 光电建筑潜在安全风险 3.1直流拉弧检测解决方案 3.1.1技术描述 当直流侧组串任意位置发生损坏（组件边框，线缆，端子等）并发生拉弧，根据焦耳定律，短路点的热效应与电流的平方成正比，电流越大，引起火灾的风险也会增加。因此，能够有效减少火灾风险的方法之一是切断直流电流，方法是通过断开逆变器交流电，停止直流到交流的电流转换从而停止直流侧的电流注入。 ArcFault Stop AFCI 逆变器的直流拉弧检测保护功能 因此，如何识别拉弧电流并及时切断直流侧的电流注入成为直流拉弧检测保护功能的关键。 电弧本质上是由于导体间电场过强，气体发生了电击穿形成了持续的等离子体并产生非常明亮的紫外线和强烈的热量。由于光伏系统中产生拉弧的机制以及位置各不相同，一般通过测量直流侧的电流并利用频谱分析的方法对拉弧电流进行识别。 开关频率 频率（HZ) 频率（HZ) 频率（HZ) 电弧噪声 开关频率 电弧噪声 开关频率 正常电流拉弧发生持续拉弧 强度 强度 强度 拉弧发生期间，由于空气发生了电离，等离子体处于杂乱无章的状态，流过电弧的电流会有很强的波动性。在频谱图上，这种高波动性的电流体现出非常宽的噪声频带，也就是频谱分析中所谓的“白噪声”，而正常状态没有干扰的直流电流则体现出比较稳定的状态。如下图所示，当没有拉弧现象时，直流电流频谱图只有逆变器的开关频率，而当拉弧开始发生，出现了一定的“噪声频率”，并在持续拉弧过程中产生更加杂乱的噪声频率。 电弧频谱图 当逆变器的直流拉弧保护功能打开之后，逆变器会对每个组串的输入电流进行实时检测。当检测到电弧的特征电流现象之后（如上图），逆变器会立即切断交流侧并报错，切断交流电同时会阻断直流侧的电流回路并消除电弧。 3.1.2技术特点 固德威坚持关注电站的安全问题，对AFCI技术不断地进行改进，包括算法，检测精度等等，经过三次技术变革，在直流拉弧检测技术方面取得了突破性的进展，现已推出AFCI3.0技术。 AI融合深度学习 区别于传统方案中电弧检测算法和阈值设定主要基于人的经验，AFCI3.0对海量数据进行计算、迭代，持续学习电弧特征，形成独有的电弧特征库，杜绝环境噪声造成的误报和漏报。AI与深度学习相结合，使检测模型具有不断学习未知频谱的能力，适应各种应用场景。 强大数据采集能力 AFCI3.0采用专用的拉弧传感器，具有强大的数据采集能力，不间断搜寻电弧特征，一旦发现电弧，及