不同氣候下的維運指引（下）

 

不同氣候下的維運指引（下）

 
 

太陽能系統維運該做什麼？

不同氣候下有什麼特別需要注意的地方？

模組泡水會有什麼問題？

這份研究報告為你解答上述的幾個問題，介紹了目前常用的維運指標，以及計種不同的典型氣候下需要注意的維運指引。

 

IEA PVPS Task 13研究報告

本文是一系列國際能源總署Task 13研究報告的導讀之一，關於IEA PVPS Task 13的介紹，以及本期計畫所有報告的列表，請參考以下網址。

報告總覽http://solar543.blogspot.com/2021/03/pvps-task13.html

不過這些報告動輒八九十頁，無法在此完整介紹，因此以摘要導讀的形式，讓大家了解這些報告有哪些內容，對這個題目有興趣的人可以自行下載完整報告研讀。

 

不同氣候下PV電站的維運指引

本文要介紹的報告是Guidelines for Operation and Maintenance of Photovoltaic Power Plants in Different Climates，中文直譯為「不同氣候下PV電站的維運指引」，可以在以下連結下載：

https://iea-pvps.org/key-topics/guidelines-for-operation-and-maintenance-of-photovoltaic-power-plants-in-different-climates/

由於報告太大本，即使只摘要介紹也要分上下集，本篇為下集，介紹不同氣候下的維運指引

上集請見以下連結：不同氣候下的維運指引（上）

 

不同區域的維運建議

本章介紹了在溫和氣候（歐洲）、乾熱氣候、高海拔氣候、濕熱氣候（東南亞）、水患地區、颱風地區、下雪地區等，不同區域的維運建議。在此僅節錄與台灣較相關的氣候類型，對其他部份有興趣者可直接參考報告。

濕熱氣候（東南亞）

高溫會加速PV模組中的幾種退化模式，當高溫與高濕度環境相結合時，會出現不同類型的退化模式。

在濕熱氣候的經驗如下：

A. PID：因為PID在濕熱環境中更容易發生

B. 野生動物：容易有老鼠、昆蟲築巢等問題

C. 沙塵問題：需要常清洗

D. 火災風險：東南亞仍有燒農業廢棄物的習慣，可能導致電站火災（本報告主要以泰國資料為主）

E. 衰退率：除了濕熱環境的衰退率較高，炎熱天氣下突然發生的雷陣雨會導致模組劇烈的溫度變化，這種快速溫度變化對模組造成較大的熱應力。

 

水患區域

由於極端氣候盛行，水患風險比以往更高，規劃電站時要考慮過去淹水的歷史紀錄。

在水患區域經驗如下：

A. 案場調查統計和損害分類

洪水造成的損害可分為兩類：1) 由快速流動的水和/或與碎片的影響造成 2) 由持續泡水造成。類型1損壞的程度取決於結構和模組對快速流動的水造成的阻力。 結果發現，如果典型的地面安裝式PV電站中的結構對水流構成顯著阻力，則其結構強度不足以承受快速流動的水流。 另一方面，第2類損壞的程度取決於淹沒的持續時間和深度以及被淹沒的特定設備，例如模組、匯流箱或逆變器。

部份淹沒和完全淹沒的電站

 

B. 結構問題

下圖(a)可看到結構、模組壓塊和模組都壞了。在某些情況下，可以看到層壓板與框架分離，電線與接線盒分離。

下圖(b)可以看出，模組在結構上保持完好無損，但來自模組後面的水和碎片的壓力將結構的混凝土基礎連根拔起。

此外，還觀察到地基周圍土壤造成的侵蝕。需要注意的是，儘管該電站朝南傾斜，水流方向為東西向，但流水的擾動足以使電站中的模組和結構受到嚴重損壞。快速流動的水提供了很大的阻力，電站的混凝土基礎、模組和安裝固定裝置的鋼結構對快速流動的洪水構成阻力時極易損壞。

洪水造成的損壞：(a)整個結構遭到損壞 (b)結構沒有損壞但基樁被拔起

 

下圖的電站採用鋼筋混凝土結構進行模組安裝，顯示具有顯著的抗洪能力。該電站的模組朝南，安裝傾斜度為 6°，而洪水的方向為東西向。據推測，由於模組朝南與低傾角，快速流動的水造成的阻力很小。此外，儘管擋住了流水，但仍可見混凝土梁相當堅固。不過這種混凝土結構的太陽能系統相當罕見。

電站採用鋼筋混凝土結構

 

C. 沙塵與髒污問題

下圖(a)淤泥沉積在模組上，這些模組以6°的低傾角安裝。 運維團隊清理淤泥後，觀察到模組玻璃上出現不均勻的污漬，如圖(b)所示。

玻璃上有污漬的模組觀察到典型溫差為 10°C的熱斑（如圖）。 這些污漬（以及因此產生的熱斑）是永久性的，即使用肥皂水強力清潔後用布擦洗也無法去除。 由於僅在模組底部邊緣附近觀察到污漬，因此推測殘留在低傾角模組下方邊緣附近停滯污水中溶解的礦物質，可能是污漬的原因（而不僅僅是沉積淤泥）。 這表明低傾角安裝可以提供低抗洪水的優勢，但如果水長時間停留在PV組件上，它可能容易受到污染/染色問題。

淤泥堆積在模組上造成玻璃變色

玻璃變色處溫度較高

在水患區域的性能與安全性問題：

A. 長期浸水的影響

有些模組在大約 0.3 至 1 米深的水下停留了兩天多。由於大多數商用PV模組的設計無法承受持續的水下浸泡，因此這可能會導致PV模組出現多種可靠性問題。 例如：短路/損壞的旁路二極管、在有水的情況下加速腐蝕（在接線盒、連接器甚至電池上的導線）、加速PID、電池/背板開裂等。

此電站的模組具有 IP67 等級的接線盒，裡面裝有灌封膠。（IP67 等級可承受接線盒浸入1米深的水中30分鐘）。 在此電站中只有一到兩個組串發現大量旁路二極體故障。其中一些伴隨著接線盒上可見的燒痕。二極體故障通常伴隨著接線盒處的燒痕，接線盒內的任何水滲入都會立即導致短路和災難性故障。然而，許多浸沒的模組並未出現二極體故障。這表明帶有灌封膠的IP67等級接線盒在0.3至1米深的水下連續浸沒兩天提供了足夠的保護。

為了評估淹沒對功率退化的影響，從兩個淹沒串中各選取七個模組，在同電站的兩個非淹沒串中各選取七個模組進行 I-V 分析。如下圖所示，浸沒和非浸沒模組的功率衰減在統計上沒有顯著差異。此外，也沒有加速 PID 或腐蝕的跡象。

浸沒和非浸沒模組的功率衰減

 

B. 安全問題

隨著水位上升，水首先進入接線箱/逆變器，因為它們的高度低於模組。由於發生這種情況時模組仍在產生電壓，因此每個浸入水中的接線箱/逆變器都發生了災難性故障。下圖(a)顯示在洪水退去數小時後逆變器發生火災。在大量發生故障的水下接線箱/逆變器中觀察到如圖(b)所示的燒痕。 由於被淹沒的接線箱/逆變器可能會進水或內部損壞，因此即使在洪水退去數小時後，它們也會造成安全隱患。

水災燒毀的逆變器

水災燒毀的接線箱與模組

最後報告針對水患區域提出一些維運的建議，詳細請參考報告內容。

 

颱風區域

報告首先描述了颱風對太陽能系統造成的傷害，狀況與台灣類似，在此不再贅述，有興趣可參考報告或這兩篇文章有更詳細的說明 颱風對太陽光電系統的影響（1/2）-基礎與支架、颱風對太陽光電系統的影響（2/2）-模組強度問題

 

強風下的系統安裝要求：

美國有一些規範和標準為屋頂PV系統提供了設計指南。2016年版的ASCE 7 [美國土木工程師協會“建築物和其他結構的最小設計載荷和相關標準”（Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, ASCE 7-16，2017）添加了屋頂PV系統的風載荷標準， 以及 SEAOC PV2 [加利福尼亞結構工程師協會“太陽能電池陣列風力設計”(Wind Design for Solar Arrays, SEAOC PV2-17)的更新。ASCE 7-16 提供了計算屋頂PV系統風載荷的標準，但地面安裝PV系統的風載荷並未包括在內。 如果需要，可以從 SEAOC PV2-17 和“FM global loss prevention data sheet 7-106”中獲取有關地面安裝PV系統的建議和指南。在地面PV系統指南中，強調了風洞試驗對PV陣列的重要性和風對地面PV陣列的動態影響，以防止模組吹落、結構失效和其他類型的故障。

在每年都會遭受強颱風襲擊的日本，“PV陣列結構的負載設計指南”(Load design guide on structures for photovoltaic array) 已被確立為日本工業標準（JIS C 8955：2017）。該標準為安裝在地面或建築結構上的PV陣列結構設計中的允許應力提供了指南。 但是，本標準不包括以下內容：

• PV陣列的最大高度超過九米。

• 建築綜合陣列被建築材料取代，例如屋頂、牆壁或窗戶。

• PV陣列安裝在地面高度超過60 m。

本標準中PV陣列及結構件的設計風載荷（單位：N）按風係數、設計風壓、受風面積乘以風力因數計算。風力因數由標準中定義的公式估算，根據安裝模式（地面、斜屋頂或平屋頂）、PV陣列的傾斜角度、風向（相同或相反的方向）以及PV陣列中的位置而決定。

在歐洲，有一系列十項歐洲技術標準，為建築物和其他土木工程的結構設計提供了通用方法。 第 1-4 部分適用於結構的風作用和風載荷設計。基本風速值，以10分鐘平均值，在開闊地形（II 類）上方 10 米高處，概率為 50 年一次，可以根據帶有風區的國家地圖計算。 然後考慮表面粗糙度、高度和結構形狀等因素進一步修改這些值。

最近，IEC PV標準化委員會 TC82 成立了一個新的工作組 WG9，因為需要解決用於支持PV陣列及其相關系統組件的結構設計和製造的標準化問題。

 

維運建議：

本報告依照不同建置階段提供建議，包括A.設計規劃階段、B.安裝階段、C.維護階段、D.其他

內容太過細節在此不贅述，有興趣可參考報告。

 

本文為下集，上集請由此進入 不同氣候下的維運指引（上）

 

延伸閱讀：

-             不同氣候下的維運指引（上）

-             EL檢測技術介紹

-             太陽能電站IR熱影像空拍

-             PID-電位差導致衰退

 

 

關於作者：

林敬傑博士，業界朋友們暱稱為「傑博」

2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發

2005年與德國萊因技術合作，在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室

2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長

2011年成立顧問公司PV Guider，提供專業諮詢與電站品質管控等服務

 

目前擔任：

PV Guider首席顧問

CNS國家標準審議委員

工研院量測中心顧問

IEA國際能源總署Task 13太陽能可靠度工作組技術專家

SEMI產業標準工作小組召集人

Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家

華聚基金會兩岸共通標準技術專家