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)遠遠低于常規(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)機構(gòu)均投入最大的精力進行光電轉(zhuǎn)換效率的提升和系統(tǒng)成本的降低這二個重點上，很少關(guān)注光伏應用場景的多樣性以及不同應用場景對人類活動所造成的潛在威脅。
過去20年起源于美國和歐洲的光伏發(fā)電至今，已經(jīng)進入一個成熟的產(chǎn)業(yè)階段，但實際距離人類生產(chǎn)的普遍使用仍還有很長的距離，同時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用大國，但光伏在應用端并未發(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。
這樣一個系統(tǒng)原理，從光伏開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以來形成了一個固定的思維格式，而該技術(shù)路線最大的優(yōu)勢就是在于光伏PN結(jié)形成的單個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)，看起來風險較小。但隨著越來越多的屋面光伏電站的投入運行后，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日央視財經(jīng)報道：美國沃爾瑪超市在過去11個月里連續(xù)7個購物中心屋頂?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)了人們對光伏發(fā)電安全性的廣泛重視。
事實上，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的統(tǒng)計，但事實已經(jīng)證明：以高壓直流為主導的屋面光伏發(fā)電技術(shù)路線，已經(jīng)對建筑構(gòu)成了潛在的安全風險，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》也參考美國標準提出了80V的故障關(guān)斷要求，但由于并非強制性標準，仍未在中國引起充分重視。
二、現(xiàn)行光伏技術(shù)應用于屋頂發(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，組成一個串，形成1000V，1500V級的直流高壓線路進入直流匯流箱，再進入集中式逆變器或組串式逆變器進行直流向交流的逆變，然后將交流電并入電力網(wǎng)絡中。
在一個組串過程中，各組件電壓進行疊加，形成一個疊加的直流側(cè)高電壓。為降低組串過程損失，避免木桶短板效應，因此要求每個組串內(nèi)組件的工況（發(fā)電運行工作參數(shù)）盡可能保證一致性。
地面光伏電站應該進行場地平整，讓每一個組串的組件盡可能安裝在一個支架陣列中，同時，務必做好日常維護，檢查熱斑，組串電流偏差，進行灰塵清理，以盡量保證組串內(nèi)組件工況的一致性。
但分布式發(fā)電應用場景，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，加上難以維護清掃積灰，組串內(nèi)各組件工況的一致性難以保證，因而會放大地面電站運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)應用于建筑物屋頂及外立面發(fā)電主要存在的技術(shù)難點和安全隱患包括：
1、熱斑效應：
一串聯(lián)支路的電池組中任意電池如被遮蔽，將被當作負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會發(fā)熱。這種效應能嚴重的破壞太陽電池，直接導致失效或著火燃燒。傳統(tǒng)光伏組件技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在這樣的天然缺陷。
2、PID效應：
又稱電勢誘導衰減，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效應是長期導致組件衰減甚至嚴重退化的主要原因，由此引起的組件功率衰減有時甚至超過50%；導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)絡時是采用串聯(lián)方式，形成20~30余倍的單個組件電壓，如1000V的直流電壓。
3、高壓直流拉弧：
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二個電壓等級。該電壓在建筑光伏發(fā)電應用場景之中，人與光伏板接觸緊密，從而對人類活動構(gòu)成極大的安全威脅。高壓直流也容易拉弧引發(fā)火災，該因素約占屋頂分布式光伏發(fā)電火災因素的45%。
4、耐候性問題：
傳統(tǒng)光伏組件背面為有機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景。
5、獨立運行問題：
傳統(tǒng)光伏組件采用串聯(lián)方式連接，導致各光伏組件不能獨立運行，一旦其中一個組件出現(xiàn)問題，串內(nèi)的能量會聚集到問題組件，極易造成火災風險。
6、消防問題：
傳統(tǒng)光伏組件產(chǎn)品的背面為有機材料或玻璃，均無法達到建筑防火A2級要求；BIPV產(chǎn)品內(nèi)側(cè)必須是防火耐燃材料，確保符合消防標準。
《建筑防火設(shè)計規(guī)范GB50016》（2018）3.2.16條明確規(guī)定“一、二級耐火等級廠房（倉庫）的屋面板應采用不燃材料?！?BR>7、承重問題：
傳統(tǒng)的組件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學設(shè)計，只能保證一定風壓力，從來沒有考慮過人在組件面上的活動。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。
8、隱裂風險：
隱裂就是一些肉眼不可見的細微破裂，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。會導致電池片部分乃至整片失效。傳統(tǒng)產(chǎn)品因為未考慮人類在組件表面的活動，因此對隱裂問題是沒有設(shè)計控制措施的。BIPV因為受人類日?；顒佑绊?，采用晶硅電池的BIPV必須考慮隱裂帶來的風險。
9、電氣安全：
BIPV產(chǎn)品作為建筑材料，其應用場景大大有別于傳統(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，應該與既有建筑維護結(jié)果充分的銜接，盡量通用一致以實現(xiàn)既有建筑的大規(guī)模使用。
上述問題惡化后導致組件失效，甚至著火燃燒。這也就不難解釋屋面光伏發(fā)電著火概率遠遠大于地面電站的原因。
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