建材型光伏构件的同步测试研究

无锡中科惠能新能源检测有限公司 ■ 胡寅佳

中国科学院电工研究所 ■ 刘海涛

福建省建筑科学研究院绿色建筑与建筑节能所 ■ 谢竹雯

0 引言

太阳能资源取之不尽、用之不竭，是最具发展前景的新能源。经过多年发展，我国生产太阳能组件的工艺已十分完善，迫于国外“双反”的压力，政府出资大力扶持光伏行业，国内兴起建设太阳能电站的热潮。在常规太阳能组件稳定生产的同时，开发新的建材型光伏构件也是符合当代光伏产业应用的需要，一些欧美国家都已经在家用、建筑光伏领域有很多很好的经验。譬如国内的威海市民中心、国外的曼彻斯特合作保险大楼等，都是光伏构件应用在建筑本体上的成功案例。

在现阶段，国标、IEC等标准目前针对的产品是普通的太阳能光伏组件和普通的建筑材料，对于光伏构件并没有系统的检测方法，更没有针对光伏构件的检测标准。本文主要针对两种新型的光伏构件进行某些方面的性能测试，根据研究成果尝试建立光伏构件相关测试标准，来满足光伏构件生产厂家的迫切愿望，同时也达到规范市场的作用。

1 建材型光伏构件的工艺

本文叙述的建材型光伏构件主要应用于建筑体玻璃幕墙。有双玻与非晶硅中空铝蜂窝板两种形式。双玻光伏构件如图1所示。

图1 双玻光伏构件实物图

双玻光伏构件内部为125 mm×125 mm单晶硅电池片，整个构件由16片电池片串联组成，在构件一角设置抽真空孔，使电池片工作处于干燥的环境。

非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件的结构相对于双玻光伏构件稍显复杂一些，工艺也与双玻光伏构件有所不同，如图2所示。非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件在现场安装时可在铝蜂窝板上打铆钉使之固定于建筑本体上，也可在背板涂胶添加副框予以固定，后者在市场应用更加成熟些。双玻光伏构件会在四周边缘增加边框方便现场安装固定，等后段技术成熟后可能会考虑全玻幕墙的形式。

图2 非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件结构图

由于本文介绍的建材型光伏构件主要应用于建筑幕墙，既然作为建筑的一部分，就应该拥有一般建筑材料的常规性能，譬如隔音效果、保温性能等。光伏构件还不同于一般建材，它的另一个重要功能就是可以在光照条件下将光能转换为电能，为建筑本体供电。既然光伏构件带电，用于建筑必须考虑其电气安全性能，否则将影响到人身安全。本文主要阐述的建筑性能为光伏构件保温性能，电气安全性能主要为反向过电流性能，通过检测手段即可说明光伏构件是否能满足应用于建筑上的要求。

2 建材型光伏构件保温性能测试

光伏构件保温性能测试主要是测量其传热系数K值。测试原理为：冷热箱两方温度保持稳定不变，使用专业设备冷热箱体进行检测，光伏构件一面接触热箱，热箱模拟冬季屋内温度环境，另一面接触冷箱，冷箱模拟冬季屋外温度和风速。实验期间会对光伏构件缝隙处做密封处理，经过一段时间的温度稳定与数据采集，通过公式可得出光伏构件的传热系数K值。

按照GB/T 8484-2008《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》中试件具体安装要求及检测方法，即可测得光伏构件传热系数K值，并对其保温性能分级。

1) 光伏构件安装于建筑体上，当晚上没有光照条件时，它就作为普通建筑材料的功效，通过对其测试传热系数K值，可知不同的光伏构件在不发电时的保温性能等级。通过实验测试得知，非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件的传热系数K值为2.8 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第5级；双玻光伏构件传热系数K值为3.7 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第3级。

2) 由于光伏构件不同于一般建材，在光照条件下，其内部电路部分会有电流通过，导致光伏构件发热，其散热性比一般光伏组件差。所以在正常工作状态下，光伏构件的温度可达到60～70 ℃，这部分热量会对传热系数K值产生直接影响，从而使光伏构件的保温性能发生变化。通过在实验室给光伏构件通正向短路电流，模拟其安装于建筑体上实际运行过程中出现的较为普遍的发热状态得出，不同的光伏构件在光照条件下其保温性能发生改变。通过实验测试得知，非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件的传热系数K值为2.693 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第5级；双玻光伏构件传热系数K值为3.586 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第3级。

3 同步测试系统的建立

通过上述实验数据可初步得出，当光伏构件为发电状态时，自身产生的热量使K值变小，虽然等级没有发生改变，但保温性能确实有所改观。在此基础上有一个大胆的猜想，即通过加大光伏构件自身热量的产生，使保温性能更进一步提高。由于上文所述的实验都只能得出传热系数一个结果，所以考虑通过对光伏构件进行传热系数实验测试的同时，同步进行IEC 61730-2中MST26反向电流过载试验。一方面，通过对光伏构件通加反向电流，使其自身发热量进一步增加，看其传热系数K值是否往猜想的方向发展；另一方面，反向电流过载试验也可同时验证电池片在通加反向电流过程中是否可承受这样的电流等级，这也正好契合了同步测试的概念，初步建立一个简单的同步测试系统。

光伏构件反向过电流性能测试主要为安全性测试。通过恒流源输出恒定电流，即可判定光伏构件是否能长时间承受高电流状态；通过湿漏电流实验进一步判断，其绝缘特性是否会因为反向过电流而导致改变，是否会威胁到人身安全。

由于光伏构件自身散热工艺的局限，所以通加的电流不同于IEC 61730-2实验MST26中规定的电流值，而是选定了通加光伏构件最大功率点电流值的保守做法。通加反向电流与正向电流相比，发热量要明显高很多，通过实验测试可得，非晶硅中空铝蜂窝板光伏构件的传热系数K值为2.569 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第5级；双玻光伏构件传热系数K值为2.520 W/(m2·K)，属GB/T 8484-2008第5级。

4 同步测试系统的思路拓展

通过上述列举的建筑性能与电气安全性能的检测思路，拓宽思维，考虑是否可在原有检测手段上把这两种测试部分合并，建立一系列的同步测试系统，通过一次实验来实现更多的检测功能，让原检测方法变得更丰富、更贴近于实际运行状态，真实模拟。以下简单例举2个关于同步测试系统建立的思路。

1) 在构件不通电状态做传热系数测试时，可考虑给构件做绝缘耐压测试，热箱与冷箱模拟构件实际运行时的外界气候环境，这时测得的绝缘耐压特性也最接近于真实状态。但有一点需要注意，同步测量时绝缘耐压测试不可影响传热系数测量时的温度控制，绝缘耐压仪可选择放置于环境外围，引线必须从箱体合适位置引入，方便绝缘耐压的测量。

2) 传热系数不受两边箱体内部温度影响，只是材质本身的特性，可考虑把热箱的温度设定为60～70 ℃，模拟光伏构件在实际应用光照下的工作温度，在这个温度下考虑如何给予光照，从而实现I-V特性测试。目前为止该设想仅为构思，其技术难点是如何在这个以同步测试为前提的状态下建立一个光源，模拟以后光伏构件安装于现场时的I-V特性测量状态。

5 建材型光伏构件的发电性能

建材型光伏构件在保温性能好的情况下，会因温度升高而导致发电效率衰减，同样也会因辐照度改变导致发电性能改变，所以在实验室研究其不同条件下的电输出特性也是非常有必要的。

实验室对建材型光伏构件在STC、NMOT及不同辐照度与温度条件下测得其电性能主要参数见表1、表2和图3。

表1 不同幅照度及温度下Ise值

从表1、表2及图3不难看出，一旦建材型光伏构件温度升高，其发电效率确实会显著降低。

表2 不同幅照度及温度下Pmax值

图3 建材型光伏构件电性能主要参数

此外，在实验室还针对建材型光伏构件可能安装角度不同产生的电输出特性变化进行了曲线分析，图4为建材型光伏构件正常安装与特殊安装的不同。

图4 建材型光伏构件正常安装与特殊安装的不同

针对这些不同安装角度的情况，入射光线与法线夹角越大，峰值功率与短路电流下降越快。通过电气性能研究，可得出建材型光伏构件的最佳工作温度。

6 结论

通过对光伏构件不同情况下传热系数的深入研究，发现光伏构件在运行过程中保温性能会呈上升趋势，有力地证明了光伏构件在实际应用时保温性能较好。从这个角度上可以说，光伏构件作为建筑的一部分应用在建筑本体上是比较适合的。经过此次试验，将会形成《光伏构件传热系数与电气安全性能同步试验方法》正式稿。基于此次试验的成果与同步测试思路的拓展，将会在后期着手其他同步测试系统的建立，相关方法文件也会最终具体落实，形成较为完善的针对光伏构件建筑性能与电气以及安全性能的研究体系。并希望最终通过努力，形成针对光伏构件鉴定与定型的完整试验流程技术规范，满足企业的生产需要，使光伏构件可以真正在市场上应用起来，为光伏事业增添一抹新的色彩。

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