作者：赫里欧新能源有限公司 崔永祥

 1.1   建筑光伏的战略意义与碳排放背景 

全球建筑行业是能源消耗与碳排放的核心领域。根据世界资源研究所（WRI）2024年发布的《全球建筑行业碳排放报告》，2023年全球建筑行业全生命周期碳排放总量达到170亿吨二氧化碳当量，占全球总碳排放的32%【1】。联合国环境规划署《排放差距报告（2024）》强调，迫切需要加快建筑行业的行动以实现全球气候目标。该报告预测，为与1.5°C温控目标路径保持一致，到2035年仅建筑光伏技术的普及应用就将贡献全球减排潜力的11%左右【2】。 在中国，这一趋势更为显著。根据《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022年）》，中国建筑行业建造过程碳排放仍占全国能源相关碳排放的51.2%【3】。特别值得注意的是，中国从2021年开始，建筑分布式光伏年新增装机容量首次超过地面电站，标志着建筑表面发电场景已成为中国光伏发电的主流市场。这一转变不仅推动了能源结构的优化，更直接促进了建筑碳排放占比的快速下降。 从能源消费场景分析，固定场景（主要为建筑）的能源消费占比高达90%，碳排放占比超过93%【3】。因此，围绕建筑领域进行节能减碳，无疑是中国实现"碳达峰、碳中和"国家战略最至关重要、最直接的路径之一。建筑光伏技术利用建筑自身庞大的表面将“建筑物”从纯粹的能源“消费者”转变为“产消者”，实现了能源的就地生产与消纳，减少了远距离输电损耗，对构建新型电力系统具有深远意义。

 1.2   建筑光伏快速发展下的安全隐患

在产业呈现高速发展态势的同时，一个无法回避的严峻问题日益凸显——火灾安全。建筑光伏系统直接集成于人类生产、生活的建筑环境之中，其安全性直接关系到人民生命财产安全。与传统电力系统不同，光伏系统直流侧存在的高电压、大电流特性，引入了一种独特且危险的现象——直流电弧故障。 根据行业权威统计，在已报道的光伏电站火灾案例中，由高压直流电弧引发的火灾事故占比惊人地达到了80%，使其成为光伏电站火灾的"头号元凶"【4】。直流电弧故障具有时常发生、隐蔽性强、具有发展性、可引发灾难性后果的"顽疾"特征。一旦发生火灾，不仅导致光伏系统本身损毁、发电收益中断，更可能引发整个建筑的火灾，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。 特别是对于人员密集的公共建筑、工业厂房以及遍布城乡的户用住宅，屋顶光伏的火灾风险无异于在头顶悬置了一枚”定时炸弹”。因此，对建筑光伏系统火灾风险进行科学、系统、深入的分析，并寻求根本性的解决方案，已成为关乎产业生死存亡和可持续发展的核心议题。

 1.3   研究内容与方法

本研究采用理论分析与实证研究相结合的方法，首先通过文献调研和数据分析，深入剖析建筑光伏系统的火灾风险机理；其次，通过对全球技术标准的比较研究，梳理安全低压技术路线的法规基础；最后，通过典型案例分析，验证本征安全解决方案的可行性。研究框架包括火灾风险分析、现有措施评估、全球标准比较、解决方案构建和案例验证五个部分。

 2.1   直流电弧的物理特性与危害机制

直流电弧是一种直流放电现象，是在直流电场作用下，两个电极间的气体介质被击穿，形成持续导电的等离子体通道。与交流电弧相比，直流电弧具有三个致命的特性： 第一，无过零点。交流电流每秒钟有100次（50Hz系统）经过零点，电流自然为零的时刻为电弧的熄灭提供了天然机会。而直流电流方向不变，不存在过零点，这意味着一旦电弧被激发，它将持续燃烧，没有自然熄灭的机制，极难被切断。 第二，高能量密度与高温。电弧中心温度极高，可达3000℃甚至以上。这一温度远高于常见建筑材料的熔点（如钢结构在800-1000℃时强度急剧下降，铝材熔点约660℃，玻璃熔点也在数百至千度），足以在短时间内引燃周边可燃物、熔化电缆绝缘层、导致金属构件变形失效，从而引发大规模火灾并使建筑结构坍塌。 第三，稳定性差，易重燃。直流电弧的伏安特性为负阻特性，即电流增大时电弧电压反而下降。这使得电弧难以稳定，容易发生飘移、重燃，加剧了火灾蔓延的风险。 在光伏系统中，直流电弧的产生通常是由于接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良或动物啃咬等因素引起的。根据焦耳定律（Q = I²Rt），当故障电流增大一倍时，短路点产生的热量将增加四倍，这显著提升了引发火灾的概率和严重性。 

 2.2   高压直流电弧故障的分类与特征

 2.2.1   串联电弧故障

串联电弧是最常见的一种电弧故障，通常由于组件之间的MC4插头公母头接触不良、虚接、氧化，组串电缆与汇流箱或逆变器直流端的连接螺丝松动，以及线缆接头因振动、热胀冷缩等原因导致阻抗增大所引起。 在一个典型的大型建筑屋顶光伏电站（如10000平方米，约2MW）中，可能存在超过8000个直流插接点。保证所有接点在整个系统生命周期内（通常25年）始终处于完美状态是极其困难的。随着时间的推移，材料老化、环境侵蚀都会增加接触不良的风险。虽然现有逆变器的电弧故障检测装置（AFCI）对于串联电弧有一定检测能力，但其存在固有的滞后性和漏判问题。

 2.2.2   并联电弧故障

并联电弧主要由直流线缆的绝缘层破损导致。例如，电缆在敷设过程中被桥架边缘划伤、被重物挤压、因长期过热老化脆化、或被鼠类啃咬，导致正负极导体之间的绝缘失效，形成短路。 并联电弧的阻抗很低，故障回路电流极大，其破坏力往往是串联电弧的10倍甚至数十倍。更严峻的是，由于故障路径与正常回路并联，其电流特征与正常工作电流叠加，使得基于电流波形分析的逆变器内置AFCI算法难以有效区分和检测，存在显著的检测盲区。 

 2.2.3   接地电弧故障

接地电弧由系统某点的对地绝缘损坏引起，导致带电体对建筑接地部分（如彩钢瓦屋顶、金属支架、混凝土钢筋）放电形成电弧。这在光伏组件直接铺设于彩钢瓦屋顶的系统中尤为常见。 接地电弧具有极强的隐蔽性。在干燥环境下，绝缘电阻可能尚可维持，但在雨天或潮湿环境下，绝缘水平急剧下降，极易引发故障。这类故障排查极其困难，不仅引发火灾，还严重增加了人员触电的风险。

 2.2.4   开路直流高压风险

开路直流高压是一种持续存在的静态风险。即使系统停机或逆变器断开，串联组件形成的直流高压（可达1500V）依然存在。这种危险状态对安装、运维、消防救援人员构成致命的触电威胁，严重阻碍火灾扑救工作。消防部门将这种情况视为屋顶光伏电站最大的安全挑战之一。

 3.1   电弧故障断路器（AFCI）的局限性 

目前，大多数并网逆变器已集成AFCI功能，通过监测直流侧电流的高频噪声或波形畸变来识别电弧特征，并在检测到疑似电弧时关闭逆变器。然而，这种保护措施存在三个主要缺陷： 第一，滞后性。AFCI是典型的"事后保护"，其动作的前提是电弧已经产生并持续燃烧。在动作之前，高温电弧可能已经引燃了周边材料，造成了不可逆的损失或隐患。这种保护模式只能减轻后果，而不能预防灾害的发生。 第二，检测可靠性问题。AFCI对串联电弧有一定效果，但对并联电弧和接地电弧的检测灵敏度不足，误报和漏报率较高。复杂的电磁环境、逆变器自身开关噪声都可能干扰检测准确性。 第三，系统性影响。一旦某个组串发生故障触发AFCI，通常会导致整个逆变器停机，造成大面积发电损失。同时，AFCI缺乏精准的故障定位功能，运维人员需要在成千上万个接点中寻找故障点，效率低下，成本高昂。

 3.2   组件级快速关断（MLPE）设备的不足

组件级电力电子（MLPE）设备，如优化器、关断器，被广泛用于应对消防救援时的"开路高压"风险。它们能在紧急情况下快速将每块组件输出端的电压降至安全范围。然而，这种技术路线也存在明显局限： 首先，MLPE主要作用于系统停机状态，无法防止系统在正常运行过程中因接触不良或绝缘破损而产生的拉弧火灾。其次，每个MLPE设备本身就是一个额外的电子设备，增加了系统的复杂性和潜在的故障点。最后，广泛安装MLPE设备会增加系统初投资，并可能引入一定的电能损耗。 

 3.3   技术路线的根本缺陷

现有安全措施的本质是在高压系统上增加保护层，如同在一条汹涌的高压河流下游设置拦网，试图捞起落水者，但却无法改变河流本身汹涌的危险特性。这种"治标不治本"的模式，无法满足建筑光伏大规模应用对安全性的极高要求。行业迫切需要一种能够从源头消除风险的本征安全技术路线。

 4.1  安全电压的科学基础

安全电压的设定基于对人体触电生理反应的研究。电流通过人体时，会对人体造成伤害，其危险程度主要取决于通过人体的电流大小、持续时间、路径和频率。通过大量实验和研究，国际标准确定了一个在正常和故障条件下均能保证安全的电压上限，即安全特低电压（SELV）。对于直流电，这一限值被普遍认定为120V。低于此电压，即使在最不利的情况下，流过人体的电流也被限制在危险水平以下，极大地降低了触电和电击死亡的风险。 

 4.2   全球标准体系中的120V共识

 4.2.1   国际标准体系

国际电工委员会（IEC）作为全球最具权威性的电工标准机构，其标准是各国制定本国标准的重要基础。IEC 60204-1《机械安全 机械电气设备 第1部分：通用要求》中明确规定，安全特低电压（SELV）的限值为直流电压≤120V，交流电压≤50V【5】。此标准被全球绝大多数国家所采纳或引用，奠定了120V安全的法理基础。 

 4.2.2   北美地区标准

美国国家电气规范（NEC）是全球电气安装领域影响力巨大的规范。其中明确规定，安全特低电压（SELV）的限值为直流电压≤120V，交流电压≤50V。其第690.12条对"光伏系统的快速关断"要求，对于光伏系统，在逆变器关机后30秒内，在距离光伏阵列1英尺（约0.3米）范围内的电压必须降至30V或80V以下（根据不同版本）【6】。这一要求直接推动了安全低压方案在北美户用市场占据了绝对主导地位（普及率超80%）。 

 4.2.3   欧洲地区标准

德国VDE-AR-E 2100-712 (2014)标准明确要求，当逆变器关闭或电网故障时，光伏系统的直流电压必须小于120V【7】。这一规定直接推动了欧盟过去十年成为全球建筑光伏安全低压技术的引领示范市场。欧盟低压指令（LVD）2014/35/EU虽未直接规定120V，但要求所有在欧盟市场销售的电气设备必须满足安全要求，符合IEC标准（即120V SELV）被视为符合指令要求的重要途径。

 4.2.4   亚太地区标准

中国已建立起与国际接轨的完善标准体系。《建筑物电气装置的电压区段》（GB/T 18379-2001）将I区段直流电压限值定为120VDC【8】。《光伏与建筑一体化发电系统验收规范》（GB/T 37655-2019）明确将直流电压≤120V定义为"安全区"，高于120V则需采取复杂措施【9】。浙江、安徽、北京、深圳、海宁等全国十余个省市的地方标准均明确120V为安全临界值，且海宁市等地已强制要求大于120V的系统必须配备高级保护。 澳大利亚/新西兰标准AS/NZS 5033:2021明确规定，当直流电压大于120V时，必须在组件和逆变器之间安装断开装置；而对于低于120V的系统则无需此要求【10】。日本、韩国、泰国、菲律宾、马来西亚、越南等国家也多在积极采纳或参考IEC、NEC标准修订本国光伏安装规范。

 4.3   全球共识的规模与意义

据不完全统计，明确在标准中采纳或引用IEC 120V SELV限值，或通过"快速关断"等法规实质性推动安全低压技术应用的国家和地区，已超过全球主权国家总数的三分之一。这些国家涵盖了全球最主要的光伏应用市场，其GDP总量和光伏新增装机容量占比更高。 这一全球性的共识浪潮，基于严谨的科学和惨痛的事故教训总结，为建筑光伏的安全设计提供了不可动摇的基石。它清晰地指出：要将建筑光伏系统的风险降至最低，最有效、最根本的途径就是将其直流侧工作电压和开路电压始终控制在120V这一安全特低电压限值之内。这不仅是技术选择，更是全球市场准入的必然要求。

 5.1.1   微型逆变器技术

微型逆变器为每块或每两块光伏组件配备一台微型逆变器，直接将其输出的直流电（通常为40-60V）转换为交流电。直流侧线路极短，电压始终处于安全范围。这是目前最成熟、最彻底的安全低压方案，在北美和欧洲户用市场普及率很高。 微型逆变器系统的优势包括：彻底消除直流拉弧风险；实现组件级监控和优化；简化系统设计提高可靠性。然而，其初期投资成本相对较高，特别是在大型商业和工业项目中的应用受到一定限制。 

这是赫里欧新能源有限公司发明的一种创新的技术路线，兼具组串式逆变器集中管理的优点和微型逆变器的安全性。通过内部电路设计，将直流输入侧的最大电压限制在120V以下。通常，它将1-4块组件进行微串联，形成一个120V级的低压组串，再接入逆变器的独立MPPT通道。 这种方案的技术特点包括：采用变压器进行电气隔离；使用导热硅胶浇筑提高防护等级；支持多路独立MPPT实现精细化管理和监控。相比微型逆变器，这种方案在中等规模项目中具有更好的经济性，可适用于户用及工业建筑、商业建筑体，以及人员密集的光伏发电场所：如车棚。

 5.2   组件建材化技术要求

 5.2.1   防火性能要求

建筑光伏组件必须达到建筑材料的A级（不燃性）防火标准。这意味着在外部火源作用下，光伏组件不参与燃烧，不释放有毒烟气，能有效阻隔火焰蔓延。传统光伏组件背板多为可燃高分子材料，在火灾中反而成为燃料，而防火型的建材化组件采用金属基板或陶瓷基板等不燃材料，彻底改变了这一现状。

 5.2.2   结构性能标准

作为建筑构件，光伏组件需具备优异的力学强度，能够承受风压、雪载、冰雹冲击，甚至允许人员行走踩踏进行维护。其抗风揭性能、水密性、气密性等指标必须满足建筑外围护结构的要求。同时，组件与建筑结构的连接方式也需要进行专门设计和验证。

 5.2.3   建筑一体化集成

建材化光伏组件应能作为屋面、墙面、遮阳构件等，与建筑结构无缝集成。这要求组件在尺寸、颜色、质感等方面提供多样化选择，满足建筑师的审美要求。一体化集成不仅关乎美观，还影响系统的通风、散热和维护便利性。

 5.3   系统智能化管理平台

在安全低压和建材化的基础上，融合物联网、大数据和人工智能技术，构建智能管理平台是提升系统安全性和可靠性的重要手段。智能管理平台应具备以下功能： 实时监测与预警：对每块（或每串）组件的电压、电流、功率、温度等进行实时监控，通过算法模型提前发现异常趋势（如接头阻抗异常增大），实现预警式运维。 故障精准定位：一旦发生故障，系统能立即精确定位到具体组件，极大提升运维效率，减少发电损失。结合无人机巡检和热成像技术，可以进一步提高故障识别准确性。 智能运维管理：基于数据分析和远程控制，实现高效的运维管理，降低人工成本和运维风险。包括自动生成运维报告、预测性维护提醒、远程参数调整等功能。

 6.1   企业技术路线与创新体系

赫里欧公司作为全球首家全面采用120V安全低压技术的BIPV企业，构建了完整的技术创新体系。公司在发电建材、电力电子、建筑储能和EMS软件四大领域均拥有自主知识产权，实现了从材料到系统的全链条创新。 其核心技术包括：A2级防火光伏建材、隔离型安全低压组串逆变器、全系统低压架构设计。这些技术相互协同，共同构成了本征安全解决方案的基础。 

 6.2   典型项目案例深度分析

 6.2.1  LNG加气站BIPV屋顶项目 

项目背景：LNG加气站属于甲类火灾危险性场所，对明火、电弧、电火花等点火源的控制达到最高级别。在此类设施屋顶安装传统高压光伏系统存在极大安全隐患。 解决方案：采用赫里欧A2级防火金属基光伏建材直接作为加气站罩棚的屋面材料，替代传统屋面板。全系统采用120V安全低压架构，直流侧电压始终低于120V，从根本上杜绝了直流拉弧可能性。 技术特点：组件采用"钢化玻璃+发电层+钢板"三明治结构一体成型光伏瓦，通过A2级防火认证；系统配备隔离型安全低压组串逆变器，每路独立MPPT；整体设计满足甲类防爆区域的安全要求。

项目成效：项目成功运行证明了本征安全方案在最高安全要求场景下的可行性。相比传统方案，不仅解决了安全问题，还实现了建材功能的集成，减少了二次施工。

 6.2.2   大型工业厂房光伏一体化改造

项目挑战：大型工业厂房屋顶面积广阔，但传统改造面临屋顶承载力不足、高压系统火灾风险、安装影响生产等难题。

技术创新：针对荷载敏感的老旧厂房，采用赫里欧轻量化光伏瓦(10.5kg/㎡)覆盖安装；全厂房屋顶光伏系统运行在120V安全电压下；采用快速安装技术，减少停产时间。

解决方案优势：轻柔组件技术突破了大量厂房因承载力不够无法安装光伏的市场瓶颈；安全低压架构消除了工业火灾顾虑；一体化设计提高了安装效率，降低了整体成本。

应用效果：项目在保证安全的前提下，实现了较高的能源自给率，缩短了投资回收期。同时，光伏建材还改善了厂房屋面的保温隔热性能，产生了额外的节能效益。

 6.2.3   公共建筑光伏一体化项目

项目特点：学校、医院、商场等公共建筑和商业综合体，对建筑外观美学、环境舒适度和安全性有极高要求。

技术实现：提供多种颜色、规格和透光率的发电建材产品，作为建筑立面幕墙、遮阳百叶、屋顶围护结构使用；采用120V安全低压系统，提升公共安全等级；实现光伏系统与建筑设计的完美融合。

综合效益：除了发电收益，光伏建材还提升了建筑的保温隔热性能，降低空调能耗；一体化设计增强了建筑科技感和绿色形象；本征安全特性符合公共建筑最高的安全标准。

 6.3   技术经济性分析

 6.3.1   初始投资成本

从新建或改造建筑项目的实际投资成本看，本征安全的发电建材通过“一瓦两用”，“一墙两用”的功能，让初期投资已经远低于“传统建材系统再附加光伏系统”的情形。即使在既有建筑上，本征安全方案的初始投资可能高于传统方案，但综合考虑以下因素，其全生命周期成本具有明显优势： 省略快速关断器等附加安全设备的投入；减少因火灾风险导致的保险费率上浮；降低运维成本和发电损失；延长系统使用寿命。总体而言，发电建材实现了对旧有建筑的“美颜、提质、延寿、产能”四大功能。

总之，本征安全是建筑光伏发展的必然方向。赫里欧新能源有限公司通过技术创新、标准提升和政策引导的三重驱动，建筑光伏将在保障安全的前提下，为全球能源转型和碳中和目标实现做出更大贡献。

 6.3.2   运营维护效益

组件级监控实现精准运维，减少人工巡检成本；即插即用设计降低维护难度；高可靠性减少停机时间；智能管理平台提高运营效率。

 6.3.3   社会效益评估

提升建筑安全等级，保障人员生命安全；避免因火灾造成的间接经济损失；促进绿色建筑发展，提升社会形象；推动行业技术进步和标准提升。

 7.1   研究结论

本研究通过系统分析得出以下结论：

第一，高压直流电弧是建筑光伏系统最主要的火灾风险源，其特有的无过零点、高能量密度特性使其具有极强的破坏性。现有基于检测和关断的保护措施存在滞后性和可靠性问题，无法从根本上消除风险。

第二，全球技术标准已经形成明确共识，120V直流电压是建筑光伏系统的安全临界点。超过三分之一的国家通过法规形式支持或强制要求采用安全低压技术路线，这代表了产业发展的必然趋势。

第三，本征安全解决方案通过"安全低压化"和"组件建材化"的双重创新，从源头消除了火灾隐患。赫里欧公司过去五已经在200余个应用场景的成功实践证明了该技术路线的可行性和优越性。

第四，既有建筑加装光伏的情形（BAPV）,采用安全低压系统增加的投资仅仅是高压系统投资的3%-5%，便可实现；而微组串MPPT组件级监控管理，让建筑光伏设计和安装灵活性更优，更好应对建筑场景的复杂性，大大减少后期运维成本，综合效益更高。

第五，本征安全方案与建筑结合(BIPV)，节省建材投资，相对于建材安装后再二次加装光伏组件（BAPV）的系统，实际初始投资相对更低，加上易于维护、防火、防水、防风揭性能，其全生命周期成本和社会效益具有更明显优势，是建筑光伏可持续发展的必然选择。

 7.2   政策建议

基于研究结论，提出以下政策建议： 第一，加快标准体系建设。建议主管部门尽快将本征安全要求纳入强制性国家标准，明确120V安全电压在建筑光伏中的应用规范。 第二，完善激励政策。对采用本征安全技术的光伏项目给予适当的补贴或税收优惠，加速技术推广和市场普及。 第三，加强行业监管。建立健全建筑光伏项目的安全认证和准入制度，确保产品质量和系统安全。 第四，推动技术创新。支持企业研发安全低压技术和建材化产品，通过科技计划、示范工程等方式加速技术成熟。 

 7.3   未来展望

随着技术的不断进步和成本的持续下降，本征安全建筑光伏将呈现以下发展趋势： 技术方面，安全低压电力电子技术将向更高效率、更低成本方向发展；建材化产品将提供更多样化的选择，满足不同建筑类型的需求；智能管理平台将融合人工智能、数字孪生等新技术，实现更精准的运维管理。

市场方面，随着安全意识提高和标准趋严，本征安全技术将从高端市场向主流市场普及；应用场景将从新建建筑向既有建筑改造扩展；商业模式将更加多元化，包括能源托管、数字化服务等创新模式。

政策方面，预计将有更多国家将本征安全要求纳入强制规范；绿色建筑评价标准将进一步提高安全权重；保险和金融行业将推出更多基于安全性能的产品和服务。

总之，本征安全是建筑光伏发展的必然方向。通过技术创新、标准提升和政策引导的三重驱动，建筑光伏将在保障安全的前提下，为全球能源转型和碳中和目标实现做出更大贡献。