全球新兴市场对光伏电缆的关键要求

  • 2019年12月03日
  • 作者: Mark Froggatt
全球太阳能光伏能源系统市场正快速增长,由于所有太阳能项目都要用到大量的电缆,这对电缆制造商来说是一个相当大的机会。

全球太阳能光伏能源系统市场正快速增长,由于所有太阳能项目都要用到大量的电缆,这对电缆制造商来说是一个相当大的机会。

图一:全球太阳能光伏累积安装量。来源:Solar-Power Europe

图一:全球太阳能光伏累积安装量。来源:Solar-Power Europe

图二:简单的光伏系统示意图。

图二:简单的光伏系统示意图。

低压和光伏电缆产品的最高工作温度也不同。在确定所选产品是否适合特定应用时,应在制定规格阶段考虑这一方面。

低压和光伏电缆产品的最高工作温度也不同。在确定所选产品是否适合特定应用时,应在制定规格阶段考虑这一方面。

表一:根据行业标准,直流电缆需要测试的项目。

表一:根据行业标准,直流电缆需要测试的项目。

光伏电缆安装

光伏电缆安装

虽然电缆产品可以成功通过耐热性试验,但也应考虑其他特性将如何受到其运行条件的影响。

虽然电缆产品可以成功通过耐热性试验,但也应考虑其他特性将如何受到其运行条件的影响。

图三:2000-2017年前10个国家的累积光伏安装量。来源:Solar-Power Europe

图三:2000-2017年前10个国家的累积光伏安装量。来源:Solar-Power Europe

全球光伏市场的迅速增长对于电缆制造商来说是一大利好。不过,要成功跟上光伏市场持续发展的步伐,必须了解主要的增长区域、集中在这些区域增长的原因以及由此带来的环境和立法挑战,Mark Froggatt写道。

全球太阳能光伏能源系统市场正快速增长,由于所有太阳能项目都要用到大量的电缆,这对电缆制造商来说是一个相当大的机会。为了在这个市场上获得竞争优势,电缆制造商必须了解世界上哪些地区的需求量最大,并开发满足这些地区所有相关法规的电缆产品。了解光伏电缆与低压(LV)电缆的性能差异对于那些寻求为光伏市场开发产品的人来说是至关重要的,因为这些产品的应用和条件将产生不同的要求。此外,对光伏线缆产品的准入标准进行解读,也是至关重要的,因为每个标准的要求可能使其不适合特定区域内的项目或应用。例如IEC 62930和BS EN 50618,这些标准在电缆产品的测试方法和测试范围方面有所不同,这意味着电缆制造商需要有的放矢地定义其产品范围。

本文将讨论光伏电缆产品的关键要求,为测试光伏电缆提供适用标准方面的指导,并探讨制造商如何在全球太阳能市场蓬勃发展的背景下生产符合要求的电缆产品。

为什么太阳能产业在增长?

今天太阳能产业的快速增长是多种(而不是一种)因素一起驱动的。随着时间的推移,化石燃料的价格预计将持续上涨,因此,未来通过减少对此类燃料的依赖,在经济学上是合理的。同样重要的是,商业组织面临着履行其环境义务和建立可持续的绿色能源策略的压力。这种压力不仅来自股东、雇员和贸易伙伴,还来自政府和相关机构的强制性立法。

相应地,主要的能源市场参与者正在引领大型可再生能源项目的发展;包括亚马逊、苹果、英国广播公司、宜家和联合利华在内的控股公司都有做重大投资的计划。

然而,政府和个人消费者以及许多其他国际企业也为推动太阳能需求做出了贡献。据报道,太阳能系统装机量的稳步增长满足了对太阳能发电的需求。

包括太阳能在内的可再生能源计划也为偏远和发展中地区提供了有价值的解决方案。向发展中国家的农村地区提供自给自足的可再生能源,为他们的家庭、学校、医院、商店和工业提供动力,有助于当地居民摆脱贫穷。

总体而言,最新数据显示2017年全球太阳能光伏系统装机容量超过了400吉瓦(如图一所示)。

这些因素促成了全球大量的商业增长机会。2018年1月,GTM研究报告指出,目前有53个国家制定了招标和拍卖方案,使供应链能进行投标以支持即将到来的太阳能项目。研究还发现,另有29个国家正在计划制定相关方案,以召集最优秀的供应商,从而满足其项目规格和要求。

这一说法也反映在了国际可再生能源机构(IRENA)公布的与可再生能源部门就业相关的数字中。2017年,这一数字在全球达到1030万。太阳能光伏产业在这些工作岗位中占近340万个,并被誉为所有可再生能源技术中的最大雇主。

电缆扮演着什么角色,它们的关键要求是什么?

电缆主要用于传输从太阳能电池板产生的电能。无论是室内安装还是室外安装,每种应用都因其性能表现而对电缆特性有不同要求,从而影响对材料的要求。

图2显示了一个简单的家用光伏系统原理,也适用于大型电站。特别需要注意的是,组件之间的相互连接使用的是直流电缆,并传输到逆变器上以将直流电转换成交流电。其中从逆变器接出来的交流电缆通常处在建筑物室内并受到保护,但直流电缆通常处在室外,会受到环境应力和潜在的人为干扰。(见图2)

虽然与克服这些问题相关的技术性与立法性挑战很大,但这也给那些能克服这些问题的电缆制造商同样带来了难得的发展机遇。

光伏电缆与低压电缆有何不同?

安装光伏系统时,低压(LV)和光伏电缆都需要明确规定。由于这些电缆是为不同的应用而设计的,因此性能特性也可能不同。例如,低压电缆适合室内或者在受到保护的环境下使用,但它们通常不适合室外应用。这条规则的一个例外是当电缆埋在地下时,因为光伏电缆不是为有此要求的应用而设计的。但是,光伏电缆适用于安装在电缆槽中,既电缆不接触地面的应用中。如果在使用电缆的环境中存在啮齿动物的破坏,这一点尤其有用。

低压和光伏电缆产品的最高工作温度也不同。在确定所选产品是否适合特定应用时,应在制定规格阶段考虑这一方面。根据IEC 62930和BS EN 50618标准,为了确保在寿命周期内的持续运行,低压电缆产品的最高连续工作温度为90度,而光伏电缆产品则要求120度。光伏电缆必须具有抗臭氧特性,而低压电缆则无这种要求。虽然低压和光伏电缆在传输电力这一基本功能上是相同的,但根据电缆设计的差异,它们对环境的响应是有所不同的。

哪些规格适用于光伏电缆?

光伏电缆技术仍然相对较新,这意味着大多数应用将遵循既定的国际标准,以确保电缆产品达到高质量和安全水平。

太阳能电池板制造商提供的行业标准保质期为25年。因此,有时也建议将其作为太阳能电缆的生命周期。然而,在不了解工作温度和条件的情况下,无法准确给出电缆的额定使用时间。而光伏标准中规定的耐热性试验结果可用于预测电缆产品的预期寿命。

太阳能项目建设的位置特别是偏远地区要求产品具有寿命长、维护费用低的特性。因此,太阳能行业受到严格监管,以确保产品的可靠性和适用性。作为最低要求,产品必须符合安装区域的建筑法规。

仅仅对光伏电缆产品进行热耐久性测试并不能保证其达到所需的质量和安全水平。不过,通过对产品进行独立测试并证明其符合适用标准,可以为规范制定者和最终用户提供信心。

在与许多从事太阳能技术的公司进行讨论之后,我们制定了电缆相关标准,并推荐了表一所示的直流电缆应进行测试的特性列表,以最大限度地利用潜在的机会。

仅仅由电缆制造商声明其电缆通过了其内部测试是不够的,他们必须向行业证明其太阳能产品能满足与验证上述产品特性所涉及的每个特定测试相关的要求。采用测试和认证合作伙伴可以为满足电站运营商和相关机构提供保障。

电缆使用不当会缩短项目的寿命,许多太阳能项目正得到地方政府的支持,因此,合理地使用电缆可以让这些太阳能项目向公众利益相关者承诺在财政投资方面的回报。虽然一些认证机构已经制定了自己的光伏电缆产品测试标准,但国际公认的、与直流设备中使用的太阳能电缆产品特别相关的主要标准是:IEC 62930:ed 1.0:2017和BS EN 50618:2014。

EN 50618仅适用于使用低烟无卤(LSHF)材料制成的单芯、交联绝缘和护套的镀锡铜软导体的电缆产品,而IEC 62930则将此范围扩展到使用或不使用LSHF材料制造的单芯交联绝缘电力电缆产品。这两个标准都规定了测试光伏电缆产品的严格要求,反映了电缆产品将将要面对的挑战性条件。

虽然这些标准具有相似的关键要求,但在允许的材料和可测试的导体尺寸范围方面存在显著差异,我们将在下一节讨论。

如何才能制造出符合太阳能光伏系统要求的电缆?

在技术层面上,如今化合物和挤压工艺的创新可以帮助电缆制造商满足太阳能行业的独特规格需求。许多电缆制造商正与项目指定方密切合作,以生产符合设计要求的电缆。

为了生产能满足太阳能光伏系统要求的电缆产品,其设计应满足IEC 62930:ED 1.0:2017和BS EN 50618:2014的要求。接下来我们将更详细地探讨这些具体要求,其中每个标准对某些材料的使用重点都互不相同。

第一个要求是针对与二级设备一起使用的电缆产品。在IEC 61140中二级设备定义为不需要安全接地的双绝缘设备,通常二级设备适用于电视机、DVD播放机和电动工具等电器。BS EN 50618适用于测试这些类型的电缆产品;但是,IEC 62930没有对此作出规定。因此,使用带有二级设备的光伏电缆产品的任何电器应按照BS EN 50618进行测试。

在寻求了解具体特性和每个标准的着重点时,进一步考虑的是电缆导体的尺寸。其中BS EN 50618仅规定导体尺寸范围在1.5到240m2之间,而IEC 62930允许的范围更大,为1.5到400m2之间。值得注意的是,即使电缆产品的直径很大,由于被绝缘层、垫层和钢丝铠装所包围,导体的尺寸也可能很小。因此,决定哪些标准电缆产品应进行测试,不应仅仅基于导体尺寸。

标准之间的主要区别在于允许测试的材料,例如BS EN 50618只允许测试使用LSHF材料制造的电缆产品。这些类型的电缆产品在遭遇火灾时释放的烟雾和腐蚀性气体较低。它们通常被指定用于公共建筑,因为可以降低对公共安全造成的风险。相比之下,IEC 62930允许测试有或没有LSHF的材料,包括pvc电缆产品。当这种材料燃烧时会产生浓烟和有毒烟雾,PVC或改性PVC更适合客户要求。例如,PVC电缆产品可能更适合从太阳能电池板向水处理设施输送电力,因为它们比LSHF产品具有更高的耐化学腐蚀性。

作为IEC 62930和BS EN 50618的一部分,耐热性试验是强制要求的。该测试旨在确定电缆的使用寿命,包括测试温度高达120°C下的任何光伏电缆产品达20000小时,以模拟产品在运行中的性能。当这些标准最初制定时,热耐久性试验引起了一些争议,因为其主要措施是证明电缆在达到规定阈值之前将运行多长时间;所有这些测试都是在受控条件下进行的。由于许多光伏电缆产品是在极端条件下安装的,因此,该试验的结果可能不如更为成熟的试验(如用于检查护套和绝缘材料在高温下是否耐压的热压力试验)具有决定性。尽管如此,提交用于耐热性试验的电缆产品可进一步帮助证明电缆质量。

虽然电缆产品可以成功通过耐热性试验,但也应考虑其他特性将如何受到其运行条件的影响。例如,太阳能电池板通常安装在沿海或沙漠地区,那里的温度可能会迅速下降,这可能会导致电缆破裂或弯曲,因为温度下降到了这些电缆产品的设计工作温度值。如果电缆产品是使用劣质材料生产的,它们可能会吸收大量的水分,通过减少电缆产品所能携带的电流而降低电缆产品的性能。这些例子表明,需要对光伏电缆进行广泛的性能测试,以验证在规定条件下安装的质量和适用性。

全球需求的分布情况?

作为太阳能光伏系统的早期使用者,德国在2015年之前的十年里一直被公认为太阳能安装的领导者,之后被中国超越(见图3)。2012年,中国的太阳能装机量开始迅猛增长,到2017年,中国太阳能新装机总量甚至超过了后面9个主要国家的总和。同时,相对较新的日本和美国也超过了德国,并一直在以更高的安装速度跟进。数据显示,如今全球都竞相推出可再生能源的激励政策。因此,规范制定者、买方、电缆分销商和制造商必须注意使用符合国际和当地标准的产品,以确保所提供的产品在商业上是适用的。

希望打入太阳能市场的电缆制造商在设计电缆时应仔细考虑终端用户的要求,因为用于验证电缆质量的标准会针对不同类型的材料。如上所述,BS EN 50618仅适用于LSHF电缆产品,而IEC 62930则允许不使用这些材料生产,这可以指导制造商识别其现有产品种类中哪些最适合特定市场。根据电缆产品需要满足的规格和市场上最受欢迎的标准,来制定产品设计和生产决策。

例如,如果选定市场中的建筑物有很高的火灾风险,或电缆产品将安装在封闭空间内,则应使用LSHF电缆产品,以将建筑物内居民在火灾中暴露在有毒烟雾和气体中的风险降到最低。反之,如果电缆产品设计用于建筑物外部,就像许多光伏电缆产品一样,其对电缆产品的要求也有所改变。在这种情况下,pvc可能被认为是一种更适合使用的材料,因为它比LSHF具有更高的耐磨性和耐久性。

总结

本文揭示了影响太阳能光伏市场快速增长的多种因素。随着时间的推移和知识的迅速发展,我们看到太阳能工业用电缆的质量和性能有了很大的提高。但在最近几年,某些方面却并没有如预期的那么好,因此随着行业的不断发展,我们也可以期待用于制造电缆的技术不断进步,以确保可靠的产品进入市场。这种增长为外部直流电缆创造了健康的需求,也带来了克服与满足市场需求相关的挑战。这些制造商可以通过与BASEC合作获得独立的产品认证和批准,证明供应到市场的产品符合所有必要的法规,从而在这一过程中获得竞争优势。

投资电缆制造商的潜在回报是可观的;正如Walid Halty(Dvinci Energy,Forbes,2018年5月)评论的:“如今,太阳能是最具可持续盈利前景的技术之一,它已经将整个行业变成了淘金热。”

作者简介

马克·弗罗格特是英国电缆认证服务公司Basec的技术总监。他于2019年6月加入Basec的管理团队,此前曾担任Basec的非执行董事。此外,他还曾在Draka担任技术销售经理,在Nexans担任市场开发经理,最近在British Cables Company(以前是BT Cables)担任技术经理。他拥有化学与管理研究专业的理学学士学位。在Basec任职期间,Mark主要负责Basec测试、认证和相关服务的总体技术政策、应用和运营,同时不断提高技术能力和业务机会。Basec是领先的电缆产品认证提供商,包括电气、机械、材料、化学、防火和防烟性能特性的综合测试。

(责任编辑:Xin Yin)

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