全球新興市場對光伏電纜的關鍵要求
全球新興市場對光伏電纜的關鍵要求
全球新興市場的迅速增長對于電纜制造商來說是一大利好。不過，要成功跟上光伏市場持續發展的步伐，必須了解主要的增長區域、集中在這些區域增長的原因以及由此帶來的環境和立法挑戰，mark froggatt寫道。
全球太陽能光伏能源系統市場正快速增長，由于所有太陽能項目都要用到大量的電纜，這對電纜制造商來說是一個相當大的機會。為了在這個市場上獲得競爭優勢，電纜制造商必須了解世界上哪些地區的需求量最大，并開發滿足這些地區所有相關法規的電纜產品。
了解與低壓(lv)電纜的性能差異對于那些尋求為光伏市場開發產品的人來說是至關重要的，因為這些產品的應用和條件將產生不同的要求。此外，對光伏線纜產品的準入標準進行解讀，也是至關重要的，因為每個標準的要求可能使其不適合特定區域內的項目或應用。例如iec 62930和bs en 50618，這些標準在電纜產品的測試方法和測試范圍方面有所不同，這意味著電纜制造商需要有的放矢地定義其產品范圍。
本文將討論光伏電纜產品的關鍵要求，為測試光伏電纜提供適用標準方面的指導，并探討制造商如何在全球太陽能市場蓬勃發展的背景下生產符合要求的電纜產品。 為什么太陽能產業在增長? 今天太陽能產業的快速增長是多種(而不是一種)因素一起驅動的。
隨著時間的推移，化石燃料的價格預計將持續上漲，因此，未來通過減少對此類燃料的依賴，在經濟學上是合理的。同樣重要的是，商業組織面臨著履行其環境義務和建立可持續的綠色能源策略的壓力。這種壓力不僅來自股東、雇員和貿易伙伴，還來自政府和相關機構的強制性立法。 相應地，主要的能源市場參與者正在引領大型可再生能源項目的發展;包括亞馬遜、蘋果、英國廣播公司、宜家和聯合利華在內的控股公司都有做重大投資的計劃。
然而，政府和個人消費者以及許多其他國際企業也為推動太陽能需求做出了貢獻。據報道，太陽能系統裝機量的穩步增長滿足了對太陽能發電的需求。
包括太陽能在內的可再生能源計劃也為偏遠和發展中地區提供了有價值的解決方案。向發展中國家的農村地區提供自給自足的可再生能源，為他們的家庭、學校、醫院、商店和工業提供動力，有助于當地居民擺脫貧窮。
總體而言，最新數據顯示2017年全球太陽能光伏系統裝機容量超過了400吉瓦。(如圖一)
圖一：全球太陽能光伏累積安裝量。來源：solar-power europe
這些因素促成了全球大量的商業增長機會。2018年1月，gtm研究報告指出，目前有53個國家制定了招標和拍賣方案，使供應鏈能進行投標以支持即將到來的太陽能項目。研究還發現，另有29個國家正在計劃制定相關方案，以召集最優秀的供應商，從而滿足其項目規格和要求。
這一說法也反映在了國際可再生能源機構(irena)公布的與可再生能源部門就業相關的數字中。
2017年，這一數字在全球達到1030萬。太陽能光伏產業在這些工作崗位中占近340萬個，并被譽為所有可再生能源技術中的最大雇主。 電纜扮演著什么角色，它們的關鍵要求是什么? 電纜主要用于傳輸從太陽能電池板產生的電能。無論是室內安裝還是室外安裝，每種應用都因其性能表現而對電纜特性有不同要求，從而影響對材料的要求。
圖2顯示了一個簡單的家用光伏系統原理，也適用于大型電站。特別需要注意的是，組件之間的相互連接使用的是直流電纜，并傳輸到逆變器上以將直流電轉換成交流電。其中從逆變器接出來的交流電纜通常處在建筑物室內并受到保護，但直流電纜通常處在室外，會受到環境應力和潛在的人為干擾。(見圖2)
圖二：簡單的光伏系統示意圖
雖然與克服這些問題相關的技術性與立法性挑戰很大，但這也給那些能克服這些問題的電纜制造商同樣帶來了難得的發展機遇。
光伏電纜與低壓電纜有何不同? 安裝光伏系統時，低壓(lv)和光伏電纜都需要明確規定。由于這些電纜是為不同的應用而設計的，因此性能特性也可能不同。例如，低壓電纜適合室內或者在受到保護的環境下使用，但它們通常不適合室外應用。
這條規則的一個例外是當電纜埋在地下時，因為光伏電纜不是為有此要求的應用而設計的。但是，光伏電纜適用于安裝在電纜槽中，既電纜不接觸地面的應用中。如果在使用電纜的環境中存在嚙齒動物的破壞，這一點尤其有用。
低壓和光伏電纜產品的最高工作溫度也不同。在確定所選產品是否適合特定應用時，應在制定規格階段考慮這一方面。根據iec 62930和bs en 50618標準，為了確保在壽命周期內的持續運行，低壓電纜產品的最高連續工作溫度為90度，而光伏電纜產品則要求120度。
光伏電纜必須具有抗臭氧特性，而低壓電纜則無這種要求。雖然低壓和光伏電纜在傳輸電力這一基本功能上是相同的，但根據電纜設計的差異，它們對環境的響應是有所不同的。 哪些規格適用于光伏電纜? 光伏電纜技術仍然相對較新，這意味著大多數應用將遵循既定的國際標準，以確保電纜產品達到高質量和安全水平。 太陽能電池板制造商提供的行業標準保質期為25年。因此，有時也建議將其作為太陽能電纜的生命周期。
然而，在不了解工作溫度和條件的情況下，無法準確給出電纜的額定使用時間。而光伏標準中規定的耐熱性試驗結果可用于預測電纜產品的預期壽命。
太陽能項目建設的位置特別是偏遠地區要求產品具有壽命長、維護費用低的特性。因此，太陽能行業受到嚴格監管，以確保產品的可靠性和適用性。作為最低要求，產品必須符合安裝區域的建筑法規。
表一：根據行業標準，直流電纜需要測試的項目。
僅僅對光伏電纜產品進行熱耐久性測試并不能保證其達到所需的質量和安全水平。不過，通過對產品進行獨立測試并證明其符合適用標準，可以為規范制定者和最終用戶提供信心。
在與許多從事太陽能技術的公司進行討論之后，我們制定了電纜相關標準，并推薦了表一所示的直流電纜應進行測試的特性列表，以最大限度地利用潛在的機會。
僅僅由電纜制造商聲明其電纜通過了其內部測試是不夠的，他們必須向行業證明其太陽能產品能滿足與驗證上述產品特性所涉及的每個特定測試相關的要求。
采用測試和認證合作伙伴可以為滿足電站運營商和相關機構提供保障。 電纜使用不當會縮短項目的壽命，許多太陽能項目正得到地方政府的支持，因此，合理地使用電纜可以讓這些太陽能項目向公眾利益相關者承諾在財政投資方面的回報。雖然一些認證機構已經制定了自己的光伏電纜產品測試標準，但國際公認的、與直流設備中使用的太陽能電纜產品特別相關的主要標準是：iec 62930:ed 1.0:2017和bs en 50618:2014。
en 50618僅適用于使用低煙無鹵(lshf)材料制成的單芯、交聯絕緣和護套的鍍錫銅軟導體的電纜產品，而iec 62930則將此范圍擴展到使用或不使用lshf材料制造的單芯交聯絕緣電力電纜產品。這兩個標準都規定了測試光伏電纜產品的嚴格要求，反映了電纜產品將將要面對的挑戰性條件。
雖然這些標準具有相似的關鍵要求，但在允許的材料和可測試的導體尺寸范圍方面存在顯著差異，我們將在下一節討論。
如何才能制造出符合太陽能光伏系統要求的電纜?
在技術層面上，如今化合物和擠壓工藝的創新可以幫助電纜制造商滿足太陽能行業的獨特規格需求。許多電纜制造商正與項目指定方密切合作，以生產符合設計要求的電纜。
光伏電纜安裝 為了生產能滿足太陽能光伏系統要求的電纜產品，其設計應滿足iec 62930:ed 1.0:2017和bs en 50618:2014的要求。接下來我們將更詳細地探討這些具體要求，其中每個標準對某些材料的使用重點都互不相同。
第一個要求是針對與二級設備一起使用的電纜產品。在iec 61140中二級設備定義為不需要安全接地的雙絕緣設備，通常二級設備適用于電視機、dvd播放機和電動工具等電器。bs en 50618適用于測試這些類型的電纜產品;但是，iec 62930沒有對此作出規定。因此，使用帶有二級設備的光伏電纜產品的任何電器應按照bs en 50618進行測試。
在尋求了解具體特性和每個標準的著重點時，進一步考慮的是電纜導體的尺寸。其中bs en 50618僅規定導體尺寸范圍在1.5到240m2之間，而iec 62930允許的范圍更大，為1.5到400m2之間。值得注意的是，即使電纜產品的直徑很大，由于被絕緣層、墊層和鋼絲鎧裝所包圍，導體的尺寸也可能很小。因此，決定哪些標準電纜產品應進行測試，不應僅僅基于導體尺寸。 標準之間的主要區別在于允許測試的材料，例如bs en 50618只允許測試使用lshf材料制造的電纜產品。這些類型的電纜產品在遭遇火災時釋放的煙霧和腐蝕性氣體較低。
它們通常被指定用于公共建筑，因為可以降低對公共安全造成的風險。相比之下，iec 62930允許測試有或沒有lshf的材料，包括pvc電纜產品。當這種材料燃燒時會產生濃煙和有毒煙霧，pvc或改性pvc更適合客戶要求。例如，pvc電纜產品可能更適合從太陽能電池板向水處理設施輸送電力，因為它們比lshf產品具有更高的耐化學腐蝕性。
作為iec 62930和bs en 50618的一部分，耐熱性試驗是強制要求的。該測試旨在確定電纜的使用壽命，包括測試溫度高達120°c下的任何光伏電纜產品達20000小時，以模擬產品在運行中的性能。當這些標準最初制定時，熱耐久性試驗引起了一些爭議，因為其主要措施是證明電纜在達到規定閾值之前將運行多長時間;所有這些測試都是在受控條件下進行的。由于許多光伏電纜產品是在極端條件下安裝的，因此，該試驗的結果可能不如更為成熟的試驗(如用于檢查護套和絕緣材料在高溫下是否耐壓的熱壓力試驗)具有決定性。盡管如此，提交用于耐熱性試驗的電纜產品可進一步幫助證明電纜質量。 雖然電纜產品可以成功通過耐熱性試驗，但也應考慮其他特性將如何受到其運行條件的影響。
例如，太陽能電池板通常安裝在沿海或沙漠地區，那里的溫度可能會迅速下降，這可能會導致電纜破裂或彎曲，因為溫度下降到了這些電纜產品的設計工作溫度值。如果電纜產品是使用劣質材料生產的，它們可能會吸收大量的水分，通過減少電纜產品所能攜帶的電流而降低電纜產品的性能。這些例子表明，需要對光伏電纜進行廣泛的性能測試，以驗證在規定條件下安裝的質量和適用性。
全球需求的分布情況? 作為太陽能光伏系統的早期使用者，德國在2015年之前的十年里一直被公認為太陽能安裝的領導者，之后被中國超越(見圖3)。2012年，中國的太陽能裝機量開始迅猛增長，到2017年，中國太陽能新裝機總量甚至超過了后面9個主要國家的總和。同時，相對較新的日本和美國也超過了德國，并一直在以更高的安裝速度跟進。
數據顯示，如今全球都競相推出可再生能源的激勵政策。因此，規范制定者、買方、電纜分銷商和制造商必須注意使用符合國際和當地標準的產品，以確保所提供的產品在商業上是適用的。
圖三：2000-2017年前10個國家的累積光伏安裝量。來源：solar-power europe 希望打入太陽能市場的電纜制造商在設計電纜時應仔細考慮終端用戶的要求，因為用于驗證電纜質量的標準會針對不同類型的材料。
如上所述，bs en 50618僅適用于lshf電纜產品，而iec 62930則允許不使用這些材料生產，這可以指導制造商識別其現有產品種類中哪些最適合特定市場。根據電纜產品需要滿足的規格和市場上最受歡迎的標準，來制定產品設計和生產決策。 例如，如果選定市場中的建筑物有很高的火災風險，或電纜產品將安裝在封閉空間內，則應使用lshf電纜產品，以將建筑物內居民在火災中暴露在有毒煙霧和氣體中的風險降到最低。
反之，如果電纜產品設計用于建筑物外部，就像許多光伏電纜產品一樣，其對電纜產品的要求也有所改變。在這種情況下，pvc可能被認為是一種更適合使用的材料，因為它比lshf具有更高的耐磨性和耐久性。 總 結 本文揭示了影響太陽能光伏市場快速增長的多種因素。隨著時間的推移和知識的迅速發展，我們看到太陽能工業用電纜的質量和性能有了很大的提高。但在最近幾年，某些方面卻并沒有如預期的那么好，因此隨著行業的不斷發展，我們也可以期待用于制造電纜的技術不斷進步，以確保可靠的產品進入市場。
這種增長為外部直流電纜創造了健康的需求，也帶來了克服與滿足市場需求相關的挑戰。這些制造商可以通過與basec合作獲得獨立的產品認證和批準，證明供應到市場的產品符合所有必要的法規，從而在這一過程中獲得競爭優勢。 投資電纜制造商的潛在回報是可觀的;正如walid halty(dvinci energy，forbes，2018年5月)評論的：“如今，太陽能是最具可持續盈利前景的技術之一，它已經將整個行業變成了淘金熱。
” 作者簡介 馬克·弗羅格特是basec的技術總監。他于2019年6月加入basec的管理團隊，此前曾擔任basec的非執行董事。此外，他還曾在draka擔任技術銷售經理，在nexans擔任市場開發經理，最近在british cables company(以前是bt cables)擔任技術經理。他擁有化學與管理研究專業的理學學士學位。在basec任職期間，mark主要負責basec測試、認證和相關服務的總體技術政策、應用和運營，同時不斷提高技術能力和業務機會。basec是領先的電纜產品認證提供商，包括電氣、機械、材料、化學、防火和防煙性能特性的綜合測試。
