Повышение устойчивости к неблагоприятным погодным явлениям

Аккумулятор FIAMM FG 20271

В своей последней ежемесячной колонке IEA PVPS показывает, что при выборе места с учётом климатических особенностей, надёжном проектировании, правильной установке и активном обслуживании и ремонте большинство фотоэлектрических систем могут быть устойчивыми и надёжными, несмотря на растущие погодные риски.

Стремительный рост солнечной энергетики до 2 ТВт в 2024 году совпадает с тревожной тенденцией: увеличением количества рекордных погодных явлений и их потенциальным влиянием на фотоэлектрическую инфраструктуру по всему миру. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) подтвердила, что изменение климата, вызванное деятельностью человека, приводит к увеличению интенсивности и частоты большинства экстремальных погодных явлений, которые оказывают влияние, выходящее за рамки естественной изменчивости климата.

В недавно опубликованном отчёте IEA PVPS Task 13, подготовленном при участии исследователей в области фотовольтаики с пяти континентов, рассматриваются семь основных погодных угроз и приводятся основанные на фактах рекомендации по разработке более надёжных систем, адаптированных к конкретным климатическим рискам. Хотя в отчёте говорится, что «большинство фотоэлектрических систем надёжны, если они правильно расположены, спроектированы и обслуживаются», описанные в отчёте сбои, а также извлечённые из них уроки дают представление о том, как повысить устойчивость.

Две категории ущерба

Повреждения фотоэлектрических систем, связанные с погодными условиями, можно разделить на две категории: катастрофические повреждения, при которых происходит видимое разрушение модулей, гирлянд или целых систем, например отрыв деталей от креплений, обрушение стоек и разбивание стекла; и субкатастрофические повреждения, которые незаметны и не имеют видимых признаков. Последняя категория важна, поскольку солнечные элементы и внутренние компоненты модулей, подвергающиеся экстремальным ветровым нагрузкам и воздействию высокой влажности, могут быстрее изнашиваться, что приводит к снижению производительности раньше, чем ожидалось.

Угроза града: проблема для страховых компаний

Погодное явление, которое привлекает наибольшее внимание в сообществе любителей солнечной энергии, — это конвективный шторм с градом, который наносит больший экономический ущерб, чем любое другое погодное явление. По данным GCube Insurance за 2018–2023 годы, на град приходится всего 1,4 % страховых случаев, связанных с солнечной энергией, но он составляет 54,2 % от общего объёма понесённых убытков. Все четыре крупнейших страховых случая на общую сумму более 224 миллионов долларов были вызваны градом.

Например, грозы с градом в Западном Техасе в мае 2019 года повредили более 400 000 модулей (две трети солнечной электростанции мощностью 182 МВт), что привело к страховым убыткам в размере 70–80 миллионов долларов и увеличению региональных страховых взносов на целых 400 %.

Сезон града в Техасе в 2022 году также был разрушительным: в трёх округах выпало более 1700 мм осадков в виде града размером с теннисный мяч, а совокупный ущерб оценивается в 300 миллионов долларов.

Между тем в Швейцарии в июне и июле 2021 года из-за сильных ливней с градом были зафиксированы одни из самых дорогостоящих убытков, связанных с градом, за последние десятилетия. Примерно 15 % всех фотоэлектрических систем в стране находились в районах, где выпадал град размером более 5 см. Визуальный осмотр примерно 6000 модулей из 411 пострадавших систем показал, что в 57 % модулей были значительные трещины.

Тропические циклоны: ветер и вода

Тропические циклоны, включая ураганы и тайфуны, возникают вдоль побережий Северной Америки и по всей Азии. Хотя их частота может уменьшиться или остаться неизменной, прогнозы МГЭИК указывают на то, что ожидается увеличение их интенсивности, что открывает возможности для укрепления фотоэлектрических систем, разрабатываемых в настоящее время в регионах с высокими темпами роста, особенно в прибрежных районах Северной Америки и Азии.

Большая часть повреждений возникает из-за плохо спроектированных и установленных стеллажных систем, в которых основными точками разрушения являются болты и крепёжные элементы. Крепежные элементы, затянутые с недостаточным усилием или не рассчитанные на высокие нагрузки, могут ослабнуть во время ветра, а при достаточно сильных ветровых нагрузках полностью выйти из строя и вызвать каскадные эффекты — от обрушения стеллажей до отрыва модулей от креплений.

В системах слежения сильный ветер может вызывать вибрацию, повышающую нагрузку на модули и точечные крепления, что приводит к катастрофическим отказам. Это может произойти, когда крайние модули продолжают вращаться до тех пор, пока не выйдут из строя крепления, что приводит к эффекту домино, когда может оторваться целый ряд модулей.

Двойная проблема: снег и лёд

В северных широтах обильные снегопады представляют двойную угрозу: во-первых, стойки могут обрушиться под тяжестью снега; во-вторых, снег, покрывающий модули, может блокировать доступ солнечного света в течение длительного времени. Плотность свежевыпавшего снега и льда составляет 30–50 кг/м³ и 800–900 кг/м³ соответственно, но по мере того, как снег уплотняется, а температура повышается, снижается коэффициент пропускания и увеличивается вес. Нагрузка возрастает, когда новый слой снега ложится на старый.

Исследование, проведённое в Японии, показало, что наибольшее давление снега приходится на модули с наклоном 10°, при этом фронтальная нагрузка вдоль передней кромки достигает 6–8 кН/м. Нагрузка значительно возрастает, когда снежный покров на модулях соприкасается с грунтовым снегом.

Национальный институт технологий и оценки Японии отметил, что в 2018–2021 годах из-за сильного снегопада были повреждены 43 фотоэлектрические системы в регионах Тохоку и Хоккайдо, что привело к снижению общей мощности примерно на 30 МВт. Последующее исследование, проведённое в 2021–2023 годах, охватило 65 массивов и рекомендовало выделить средства на уборку снега, установить камеры наблюдения для обнаружения повреждений и регулярно посещать объекты.

Пыльные бури и волны жары

Пыльные и песчаные бури (ППБ) могут снизить глобальную горизонтальную и прямую нормальную освещенность на 40–50 % и 80–90 % соответственно. Более того, пыль на поверхности модулей может сохраняться и после прояснения неба. Сообщается, что после ППБ потери могут достигать 7 % в Португалии и 20 % в Саудовской Аравии.

В Катаре среднесуточная концентрация PM₁₀ в дни пыльных бурь составляла от 115 до 339 мкг/м³ по сравнению с 89 мкг/м³ в ясные дни. Скорость загрязнения резко возрастала до 1,23 %/день в дни пыльных бурь по сравнению с 0,42 %/день в ясные дни — потери из-за пыльных бурь увеличивались более чем в 20 раз.

В то же время аномальная жара представляет собой множество угроз. При повышении температуры на 1 °C выше 25 °C эффективность кристаллических кремниевых элементов снижается на 0,2–0,5 % в относительном выражении. Исследования показывают, что скорость деградации может достигать 0,8 % в год в самых жарких регионах Европы и 1,4 % в год в регионах, расположенных вблизи экватора.

Наводнения и лесные пожары

Ущерб от наводнений также можно разделить на две категории: физический ущерб от быстрого течения воды и сбои в работе электрооборудования, вызванные затоплением электрических компонентов. На юге Индии станция с фиксированным наклоном, обращённая на юг, получила катастрофические повреждения от быстрого течения паводковых вод, которые размыли фундамент и разрушили модули, в то время как расположенная неподалёку система на вершине канала с наклоном всего в 6° получила минимальные структурные повреждения, поскольку низкий угол наклона снижал сопротивление.

По прогнозам, к 2030 году количество лесных пожаров в мире увеличится на 14 %, а к 2100 году — на 50 %. Из-за пожаров поступает больше страховых исков, чем из-за града, хотя ущерб от них гораздо меньше. Как и снег, лесные пожары могут влиять на работу фотоэлектрических установок двумя способами: огонь может нанести физический ущерб, а дым препятствует проникновению света, снижая выработку энергии. Например, сезон лесных пожаров в Австралии в 2019–2020 годах привёл к общим потерям энергии в размере 175 ± 35 ГВт·ч, при этом наблюдаемый средний показатель снижения мощности составил 13 ± 2 % на 100 мкг/м³ концентрации PM₂.₅.

Проектирование и планирование с учётом отказоустойчивости

При правильном планировании и принятии проектных решений, основанных на конкретных угрозах, связанных с погодными условиями, большинство фотоэлектрических систем могут выдержать сильные штормы. Первым ключевым шагом является учёт исторических и прогнозируемых погодных условий при выборе места установки, что позволяет определить его пригодность и рассчитать риски для принятия решения о закупке. Следующим шагом будет проектирование системы с учетом рисков в конкретном месте. Необходимо выбрать хорошо продуманные системы слежения, способные выдерживать интенсивные нагрузки, модули с соответствующими характеристиками (например, с более толстым лобовым стеклом в регионах, подверженных граду), системы с фиксированным наклоном и слежения с достаточным дорожным просветом (для регионов с обильными снегопадами) и водонепроницаемые электрические корпуса (для регионов, подверженных риску затопления). Третьим шагом будет обеспечение наличия протоколов быстрого и эффективного реагирования, включая стратегии до и после происшествия, а также обучение выездных бригад их применению. И четвёртый шаг — разработка стратегии технического обслуживания и ремонта, которая предусматривает регулярную проверку модулей, крепёжных элементов и компонентов электрической системы на предмет признаков ускоренного износа или возможного выхода из строя (например, в случае перегрева разъёмов или ослабления болтов).

Заключение

Смысл доклада ясен: при условии правильной оценки местности, выбора подходящих материалов, тщательного монтажа и постоянного мониторинга фотоэлектрические системы в большинстве стран мира могут быть устойчивы к большинству неблагоприятных погодных явлений и оставаться надёжным источником электроэнергии.