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全国暴雪预警频发,多厚的雪会损坏光伏组件?

   2024-01-02 世纪新能源网马增辉145630
核心提示:光伏企业在设计产品之初,为应对暴雪气候提前做出了哪些预判和努力?

常言道:瑞雪兆丰年。

雪,在农业生产中的地位非常重要。充足的降雪可以为农作物提供水分,有利于作物的生长和发育,决定了来年的收成。然而,对于光伏发电站而言,暴雪的降临不仅会影响电站的发电效率,甚至还会给光伏发电组件造成隐裂或损坏。

今年入冬以来,我国各地频频发布暴雪预警,这种突发气候现象对于光伏组件的运行和生产带来了一定的挑战。在这种情况下,光伏组件是否经受住了考验?而光伏企业在设计产品之初,又为应对这种气候提前做出了哪些预判和努力?

2023年暴雪预警频发,光伏电站面临考验

2023年11月4日下午18时,中央气象台发布暴雪橙色预警:因下半年首个寒潮将来袭,可能引发我国北方地区大范围强降雪。据降水预报图显示,11月5日-11月6日,河北北部、内蒙古中东部、辽宁、吉林、黑龙江等地区都出现了大到暴雪的区域,内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江出现紫色大暴雪区,部分地区出现深紫色的特大暴雪区。

根据预报,预计11月4日20时至6日20时,内蒙古中东部、东北地区中西部和北部等地自西向东先后有大到暴雪,部分地区有大暴雪,局地特大暴雪(30~34毫米),新增积雪深度10~20厘米,局地可达25厘米以上。主要降雪时段5日夜间至6日。

此次发布的暴雪橙色预警,仅次于最高级别的暴雪红色预警。根据气象部门的预警等级,暴雪分为蓝色、黄色、橙色和红色四个等级,其中红色是最高级别,表示暴雪强度极强,可能导致极其严重的灾害。

12月13日18时中央气象台发布暴雪黄色预警:预计12月13日20时至12月14日20时,内蒙古河套地区、陕西北部和中部以及秦岭东部、山西南部、湖北西北部、河南中西部、河北中南部、北京西南部、山东北部和西部、辽宁东北部等地部分地区有大到暴雪,其中,河南西部和陕西秦岭东部局地有大暴雪或特大暴雪(30~35毫米)。上述部分地区新增积雪深度5~10厘米,局地可达18厘米以上。

那么,暴雪的到来,会对光伏电站产生什么样的影响呢?

事件回顾:暴雪来袭,一光伏电站损失7300万

2021年12月27日,露笑科技股份有限公司发布公告称,内蒙古通辽暴雪造成公司旗下的光伏电站项目出现了大棚坍塌,受灾面积约为60兆瓦。本次雪灾预计使部分受灾电站遭受三个月左右的电费损失,具体损失金额还在评估中。

图片来源:网络

同一天,露笑科技的董事会秘书在互动平台上回答投资者时表示:“公司已经开始实施通辽项目的修复和重建工程计划。初步预计,我们将在一月底完成20兆瓦的并网发电,二月底累计完成40兆瓦的并网发电,三月底完成60兆瓦的全部并网发电。”

2022年4月30日,露笑科技发布“关于内蒙古通辽光伏电站遭受损失的进展公告”称,此前公司58.62MW 电站遭受极端天气暴雪影响,出现大棚不同程度坍塌,导致损失金额预计为 7307.65 万元。目前,该电站定损及赔付工作已经全面进行中。

由此可见,暴雪对于光伏电站的影响,是非常巨大的,轻则影响发电效率,重则损失光伏组件。

光伏电站遭受的损失,不仅是组件、还有维修期间无法发电所带来的电费损失。

雪能有多沉?为什么能压塌组件阵列

回忆一下前文,暴雪橙色预警的是指“6小时内降雪量达10毫米以上,或者已达10毫米以上且降雪可能持续”。

降雪量10毫米,就发布暴雪预警了,不至于吧?

首先我们要了解几个概念。

雪密度:在现实中,同样厚度的积雪,因为雪密度的不同,所以质量也不尽相同,我们把雪分为干雪和湿雪两种。一般来说,湿雪的密度要大于干雪,因为湿雪中含有更多的空气和水分。湿雪的密度大约为0.3-0.5克/立方厘米,而干雪的密度则比较低,只有0.1-0.3克/立方厘米。这也是为什么湿雪更重、更容易粘在一起的原因。所以在现实中,如果单纯的用雪的厚度来计算降雪量的大小,不太严谨。

降雪量:是指从天空中降落到地面上的固态水,未经蒸发、渗透、流失,融化后在水平面上积聚的水层深度,以毫米为单位,用雨量筒来测定。降雪等级标准通常是指在规定时间段内持续降雪或降雪量折算成“降雨量”为等级划分的标准。

因此,这里指的降雪量10毫米,并不是雪的厚度为10毫米,而是雪融化成水以后的离地高度。

一般情况下,降水量和雪的厚度基本呈线性关系。1mm降水量对应 0.9mm-11mm降雪,也就是10倍左右的关系,为了计算方便,我们假设1mm降水量对应10mm降雪。

现在我们来看一下降雪橙色预警中实际的降雪厚度应该达到多少?暴雪橙色预警要求,6小时内降雪量达10毫米以上,其实是指6个小时内降雪的厚度在10厘米以上。这样就可以理解得通了吧?

那么雪有多重呢?

前文说到,雪的密度不尽相同,即使在同一地点,温度、湿度、气压的变化,都会影响雪的密度。因此,以下计算结果,旨在体现组件承受雪压的情况,如与实际值存在出入,仅供参考。

雪压(snow pressure)指建筑物单位水平面上所受到的积雪的重量,通常是建筑工程上计算雪荷载的设计依据,计算公式如下:

雪压:S0=h(雪深)×P(密度)

为了能够更加直观体现降雪对于单块组件造成的压力,我们以某企业210组件为例,该组件的尺寸为2380毫米×1130毫米。通过计算可以得出该组件单块面积约为2.7平方米。

下表以150公斤/立方米、250公斤/立方米、300公斤/立方米3种降雪密度情况,15厘米-50厘米7种雪深分别计算,得出雪压及单组件雪压。

通过上表可以看出,在雪密度不同的情况下,雪压各不相同。当选密度为150公斤/立方米、雪深为20厘米时,雪压为30公斤/平方米,单块2.7平方米左右的组件将承受81公斤的雪压。而当密度为300公斤/立方米时,在20厘米雪深下,雪压则上升到60公斤/平方米,单块组件将承受162公斤雪压。

由此可见,面对暴雪天气时,组件的抗压能力则决定了落满积雪的组件能否面对形变、隐裂等严峻考验。

为了进一步分析积雪对于光伏组件阵列造成的压力,我们借助2021年12月27日,露笑科技股份有限公司内蒙古通辽光伏电站项目大棚坍塌现场的照片,进行一种假设。

图片来源:网络

由上图可见,该组件阵列疑似为6块(纵向)×45块+(横向)组成,为了计算方便,我们假设该组件阵列为6块×50块布局,并假设单块组件面积为2.7平方米。该阵列共计300块组件,总面积为810平方米(300块×2.7平方米)。假设当时的降雪量为15mm。

通过计算,可以得出下表。

由现场照片可以看出,该阵列上部分光伏组件目测完整性很好,下部分光伏组件损坏严重。

可以分析出,当数十吨的积雪在重力的作用下,向下部分组件不断施加压力,引发垮塌。

组件抗雪能力如何,行业协会有明确“体检”方法

上文我们介绍的雪压及单组件雪压计算数据,是按照组件平放在水平面上进行计算的。在光伏组件的实际使用中,为了提高发光效率,组件通常都会以一定角度安装,此时,降雪落在倾斜的组件上。从物理学角度来看,此时计算组件的雪量负荷就变成较复杂的问题。因此,组件雪载测试又引入了一个概念——压强。

中国光伏行业协会,于2023年10月15日,发布了“晶体硅光伏组件低温雪载测试方法”(下文简称“雪载测试方法”)。该雪载测试方法按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草,对晶体硅光伏组件低温雪载测试方法进行了详细说明。

雪载测试方法根据全球100多个国家40年最大连续7天新增降雪雪压及温度数据,由测试机构模拟相应雪压及温度,测试光伏组件在对应的环境下,能否稳定工作。

具体测试内容包括:

一、外观检查

外观检查应依据IEC 61215-2:2021中MQT 01的规定。

二、稳定性试验

稳定性试验应依据IEC 61215-2:2021中MQT 19的规定。

三、标准条件下性能测试

标准条件下性能测试应依据IEC 61215-2:2021中MQT 06.1的规定。

四、电致发光(EL)测试

电致发光应依据IEC TS 60904-13的规定。

五、绝缘试验

绝缘试验应依据IEC 61215-2:2021中MQT 03的规定。

六、湿漏电试验

湿漏电试验应依据IEC 61215-2:2021中MQT 15的规定。

七、低温雪载试验

在低温雪载试验中,对测试载荷、温度的确定有明确的要求:

低温雪载试验的测试载荷值和温度值的确定参考附录A(全球不同国家/地区历史 40 年(1981~2020)最大连续 7 天新增降雪雪压及温度)。其中测试环境温度宜以具体应用地区对应环境温度向下取整进行设置:如实际环境温度为-10.34℃时,对应测试环境温度可设置为-11℃。

在进行低温雪载试验前,若组件的应用地已经明确,按照不低于组件应用地历史40 年最大7天新增降雪雪压乘以环境安全系数γ(γ取1.1)得到测试载荷。使用对应7天内最低环境温度作为测试环境温度。

若有多个明确应用地,宜使用新样品按照每个应用地的最大7天新增降雪雪压乘以环境安全系数γ 与相应温度数据测试,或按照多个应用地的最大7天新增降雪雪压中的最大值计算得到测试载荷与最低温度进行测试。

若无明确应用地信息,宜按照组件制造商提供的最大静态载荷值,测试温度-40℃进行统一测试评估。

若某地区无历史降雪,则应用在该地区的组件无需按照本标准进行测试。

在附录提供的全球不同国家/地区历史 40 年(1981~2020)最大连续 7 天新增降雪雪压及温度中,中国历史40年最大连续7天新增雪压最高值为西藏(5389.46Pa),该数值在附录中提供的100多个国家中位居第一梯队,从某种角度来说,如果组件通过了西藏7天新增雪压的测试,则可以通过附录中任何一个国家的测试。

由于组件的安装需要形成一定的角度,在重力的作用下,积雪的压力将沿着倾斜角度向下传导,最终组件的下边缘将承受很大的压力。

来源:网络

因此,在组件不均匀雪载测试环节,测试设备模拟积雪在倾斜组件表面的堆积情况下检验组件抵抗积雪载荷的真实性能表现。目前,业界普遍采用IEC 62938:2020标准,进行不均匀雪载测试。

光伏组件雪荷载分布图

组件不均匀雪载测试装置来源:网络

雪在组件表面尤其是底端大量堆积时,考验组件在应对暴雪造成的不均匀压强时,能否避免边框弯折或断裂,背玻不均匀性破裂,安装系统部分或完全解体等隐患的发生。

早些时候,天合光能至尊670W系列产品,不均匀雪载的测试结果显示,临界雪载荷均高达6600Pa以上,最高达到7000Pa,相当于2.8米积雪产生的压力,远高于常规不均匀雪载要求值。不难看出,以天合光能为代表的组件头部企业通过不断研发与技术迭代,使其组件抗压能力已经能够应对40年最大7天新增降雪量的考验,降低组件隐裂及损坏隐患,保护电站业主的投资。

但是,光伏电站的抗暴雪能力,不应只引起组件企业的重视。支架、电站建设、运维企业同样责任重大,任何一个环节的出错,都将使其他环节的努力付诸东流,只有各环节共同努力,才能确保光伏电站顺利迎战暴雪,并取得胜利。

希望本文起到抛砖引玉的作用,旨在引发光伏电站应对暴雪措施的思考,如有谬误,多多包涵。

 
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