Фотовольтаические (PV) модули оказывают как локальное, так и глобальное воздействие на температуру. Локальное влияние зависит, в первую ...
Victron Energy в БолгарииНашим основным партнёром является нидерландская компания Victron Energy, которая славится надёжными инверторами, зарядными устройствами и другим профессиональным ...
Солнечная энергия для Hyundai и JeepВсё чаще собственники домашних солнечных электростанций задумываются о покупке электрического транспортного средства (EV), чтобы более эффективно ...
Впервые в Болгарии: инверторы HypontechПосле успешного тестирования инверторов Hypontech мы заключили договор с производителем и стали официальным партнёром марки Хайпонтек в Болгарии. ...
Солнечная энергия для катамаранаМы строим солнечные электростанции разных видов и для разных задач: сетевые, автономные и гибридные, для собственных нужд и для продажи ...
Мощная PV система для дома в СофииВ начале 2021 года к нам обратился собственник строящегося рядом с Софией дома с просьбой установить на крыше солнечную электростанцию. ...
Новинка: контроллер Victron Energy RS 450Сегодня мы получили оборудование из Китая, Австрии и Нидерландов, в том числе новейший солнечный контроллер заряда Victron Energy RS 450 | 100 ...
Что будет с фотовольтаическими (PV) модулями во время града? Способен ли крупный град разбить стеклянную поверхность панелей и повредить солнечные ячейки? Какие PV модули более устойчивы к ударам града и суровым климатическим условиям? Давайте разбираться.
Введение
Устройство PV модуля
Испытания и стандарты
Образование града
Статистика и тенденции
Борьба с градом
Снижение рисков
Дополнительные материалы
Для сертифицированных солнечных модулей град диаметром до 25 mm не представляет опасности. Во время обязательных испытаний модули обстреливают ледяными шариками именно такого размера, вылетающими из специальной пушки на скорости 23 m/s (82.8 km/h). После ударов градом специалисты лаборатории проверяют модули: они должны сохранить характеристики и не иметь визуальных дефектов.
Более крупные градины несут в себе больше кинетической энергии, поэтому они могут нанести как явные повреждения защитного стекла, так и скрытые повреждения солнечных ячеек или токопроводящих шин.
В связи с изменением климата мы всё чаще сталкиваемся с экстремальными погодными условиями. Одновременно с этим технологии быстро развиваются: учёные разрабатывают всё более прочные и устойчивые к внешним воздействиям материалы. Мировая практика показывает, что повреждённые градом солнечные панели обычно продолжают работать с соответствующей потерей эффективности. Нужно иметь в виду, что небольшие повреждения могут увеличиваться в процессе эксплуатации фотовольтаической системы.
Все современные солнечные модули массового производства устроены почти одинаково. Сверху они защищены закалённым стеклом, которое принимает на себя основной удар во время града. Стекло должно быть не только очень прочным, но и достаточно гладким, чтобы препятствовать накоплению пыли и эффективно самоочищаться во время дождя. В то же время оно не должно быть слишком гладким, иначе солнечные лучи, падающие на модуль под малым углом, будут почти полностью отражаться. Специалисты в лабораториях по всему миру постоянно экспериментируют с микроструктурой поверхности стекла для фотовольтаических модулей и специальными покрытиями, чтобы получить оптимальное сочетание противоречивых характеристик.
Структура PV модуля © NENCOM
Под защитным стеклом расположены солнечные ячейки (обычно кремниевые), соединённые между собой последовательно с помощью токопроводящих шин. Раньше использовали по две широкие плоские шины на каждую ячейку, что иногда приводило к образованию так называемых «горячих точек», а повреждение одной шины было критично. Позже начали использовать 3, 5 и даже 10 более тонких шин, уменьшая таким образом электрическое сопротивление и распределяя ток более равномерно. MBB (multi-bus bar) технология хорошо себя зарекомендовала и стала нормой. Сейчас, в 2024 году, некоторые производители используют по 16 и более сверхтонких токопроводящих шин круглого сечения на каждой ячейке, что делает солнечные модули не только более эффективными, но также более надёжными и долговечными. Качество изготовления солнечных ячеек и токопроводящих шин влияет на устойчивость PV модулей к граду.
PV модуль LONGi LR7-72HGD 585~620
Солнечные ячейки вместе с токопроводящими шинами заламинированы с двух сторон специальной прочной плёнкой из этиленвинилацетата (EVA), устойчивой к ультрафиолету. Такая инкапсуляция защищает ячейки и шины от попадания влаги и снижает вероятность образования микротрещин при экстремальных нагрузках на модуль (ветер, снег, град). Качество этой плёнки невозможно оценить визуально при покупке модулей, так как её просто не видно. Мы можем лишь полагаться на репутацию производителя, а результат будет очевиден через несколько лет — некачественные ламинирующие плёнки со временем мутнеют и отслаиваются:
Некачественный модуль через 3 года © NENCOM
Последний слой — полимерная или стеклянная подложка, которая также влияет на прочность солнечного модуля. Стеклянная подложка используется в двусторонних (bifacial) модулях, обратная сторона которых может производить энергию за счёт отражённого от окружающих поверхностей света.
Весь этот «сэндвич» обычно помещается в алюминиевую рамку, которая также является важным элементом защиты модуля при экстремальных нагрузках.
Стекло является самой тяжёлой частью солнечного модуля. Квадратный метр листового стекла толщиной 1 mm весит ~2.5 kg. Рассмотрим пару примеров:
1. Односторонний модуль SHARP NU-JC440 для частного сектора имеет площадь ~1.95 m2 и стекло толщиной 3.2 mm. Получается, что стекло весит ~15.6 kg, при том что целый модуль весит 20.7 kg. Таким образом, более 75% веса модуля приходится на стекло.
2. Двусторонний модуль SHARP NB-JD585 для коммерческого сектора имеет площадь ~2.58 m2 и два стекла толщиной по 2 mm с каждой стороны. Получается, что стёкла весят ~25.8 kg, при том что целый модуль весит 32.5 kg. Следовательно, почти 80% веса модуля приходится на стекло.
Спецификация SHARP
Иногда в двусторонних модулях вместо заднего стекла используется прозрачный полимер, что позволяет снизить стоимость и вес. В теории модули с двойным стеклом (иногда их называют «glass/glass» или «dual-glass») долговечнее модулей с полимерной подложкой («glass/backsheet» или «single-glass») благодаря исключительной устойчивости стекла к атмосферным воздействиям. На практике надёжность солнечного модуля зависит от качества его компонентов и производственного процесса.
Мы разобрались с тем, как устроено большинство современных PV модулей и выяснили, что прочность материалов и технология производства непосредственно влияют на устойчивость к граду. Но как эту устойчивость можно измерить и сравнить модули между собой? На помощь приходят испытательные лаборатории и стандарты тестирования. В процессе обязательной сертификации солнечные модули проходят множество испытаний, разработанных Международной электротехнической комиссией (IEC), в том числе тесты на устойчивость к солевому туману (IEC 61701), устойчивость к атмосфере с содержанием аммиака (IEC 62716), устойчивость к воздействию пыли и песка (IEC 60068) и устойчивость к ударам града (IEC 61215).
На самом деле международный стандарт IEC 61215 предусматривает не только проверку на устойчивость солнечных модулей к граду (hail test), но и множество других тестов, таких как «термическое циклическое испытание», «испытание на влажность и замерзание», «испытание на влажную жару», «испытание статической механической нагрузкой», «тепловой тест байпасного диода» и многое другое.
Испытания на устойчивость PV модулей к ударам града по стандарту IEC 61215 происходят следующим образом. Пневматическая установка выстреливает ледяные шары заданного размера и массы с определённой скоростью в 11 точек на фотовольтаическом модуле:
Hail Test 35 mm © Kiwa PVEL, анимация NENCOM
В стандарте IEC 61215 в качестве примера схематически показано подходящее устройство, включающее горизонтальную пневматическую пусковую установку, вертикальную установку модуля и датчик скорости, измеряющий время, за которое ледяной шар пролетает расстояние между двумя световыми лучами. Измеритель скорости должен иметь точность ±2% и находиться на расстоянии не более 1 метра от поверхности испытываемого модуля:
© International Electrotechnical Commission
На практике могут использоваться другие типы горизонтальных и вертикальных пусковых установок, в том числе рогатки и пружинные тестеры. Скорость выстрела должна поддерживаться с точностью ±5%, допустимое отклонение от цели составляет ±10 mm. Точки для ударов, описанные в стандарте, покрывают углы и края модулей, токопроводящие шины между ячейками, края отдельных ячеек, места крепления модуля к несущей конструкции и область над распределительной коробкой:
Точки на PV модуле для ударов © NENCOM
Солнечный модуль должен быть надёжно зафиксирован в соответствии с инструкцией производителя, а его поверхность должна быть расположена перпендикулярно траектории полёта ледяных шаров.
Испытательные ледяные шары формируются в морозильной камере при температуре −10±5 °C. Для проверки их массы используются весы с точностью ±2%, в то время как отклонение массы и диаметра должно находиться в диапазоне ±5% от требуемого. Каждый ледяной шар внимательно осматривается на наличие трещин, после чего помещается в специальный контейнер для хранения при температуре −4±2 °C. В контейнере искусственные градины должны провести не менее одного часа перед использованием. Время между извлечением ледяного шара из контейнера и ударом по модулю не должно превышать 60 секунд.
О том, как настоящие градины зарождаются и растут в грозовом облаке, мы поговорим позже. Сейчас нам нужно понять, с какой скоростью они падают на поверхность и какой кинетической энергией обладают перед столкновением.
Формула максимальной (предельной) скорости падения градины определяется равновесием между силой тяжести и силой сопротивления воздуха. Для сферической градины предельная скорость \( v_t \) может быть выражена следующим образом:
\[ v_t = \sqrt{\frac{2mg}{\rho C_d A}} \]
В этой формуле \( m \) — масса градины (kg), \( g \) — ускорение свободного падения (~9.81 m/s2), \( \rho \) — плотность воздуха (~1.225 kg/m3 на уровне моря), \( C_d \) — коэффициент аэродинамического сопротивления (~0.47 для сферы), \( A \) — площадь поперечного сечения градины (m2).
Таблица, приведённая в стандарте IEC 61215, показывает, что более крупные градины могут развивать более высокую скорость. Наши расчёты это подтверждают, а для наглядности мы решили добавить в таблицу и кинетическую энергию градин (как основной разрушающий фактор), рассчитав её по формуле \( E_k = \frac{1}{2} mv^2 \):
Диаметр, mm | Масса, g | Скорость, m/s | Кинетическая энергия, J |
25 | 7.53 | 23.0 | 1.99 |
35 | 20.7 | 27.2 | 7.66 |
45 | 43.9 | 30.7 | 20.7 |
55 | 80.2 | 33.9 | 46.1 |
65 | 132 | 36.7 | 88.9 |
75 | 203 | 39.5 | 158.4 |
Для сравнения: дождевые капли падают на землю со скоростью около 10 m/s
Из таблицы видно, что при увеличении диаметра градины в три раза (25 → 75 mm), её масса увеличилась в 27 раз, скорость — в 1.7 раза, а кинетическая энергия — в 80 раз.
В реальных условиях на скорость падения града может влиять ветер, а также восходящие или нисходящие воздушные потоки. Кроме того, настоящий град, особенно крупный, часто имеет неправильную форму, а следовательно — иной, в отличие от сферы, коэффициент аэродинамического сопротивления.
Важно заметить, что градина не является абсолютно твёрдым телом, поэтому при столкновении она не сможет передать всю свою кинетическую энергию PV модулю. Фактическая энергия удара будет представлять собой ту часть кинетической энергии градины, которая поглощается модулем и приводит к его упругой деформации или повреждению. Остальная часть энергии будет потеряна на деформацию самой градины, преобразуется в тепло, звук, а также будет унесена осколками градины при её разрушении.
Выплавка искусственного града © Kiwa PVEL
Град лабораторного происхождения по стандарту IEC 61215 чрезвычайно плотный (~0.92 g/cm3), поэтому энергия его удара обычно существенно превышает таковую у настоящего града. Плотность естественного града составляет в среднем около 0.64 g/cm3 и может варьироваться от ~0.32 g/cm3 в слякотном состоянии до ~0.99 g/cm3 (крайне редко).
Меньшая плотность натурального града приводит к снижению конечной скорости падения, уменьшая, тем самым, кинетическую энергию. Кроме того, удар более «мягкой» градины окажет меньшее локальное давление на модуль за счёт более длительного времени взаимодействия и большей площади контакта.
Несмотря на то, что стандарт IEC 61215 предусматривает шесть размеров градин, обязательным при сертификации является только первый — 25 mm. По этой причине абсолютное большинство солнечных модулей, представленных сегодня на рынке, имеют именно такой уровень подтверждённой защиты от града. Класс устойчивости к ударам града обязательно указывается в протоколе испытаний, а некоторые производители, например LONGi, указывают его и в спецификации:
PV модуль LONGi LR5-54HTH 420~440M
На данный момент все модули LONGi, предназначенные для рынка Европы, испытаны на устойчивость к граду диаметром 25 mm в соответствии со стандартом IEC 61215. В мае 2024 года компания заявила о начале производства двусторонних модулей серии «Ice-Shield», устойчивых к ударам града диаметром до 45 mm, но только для рынка США. Повышенная прочность достигнута за счёт более толстого переднего стекла (3.2 вместо 2 mm) со специальным покрытием, что увеличило вес модуля на 7.7 kg.
Спецификация LONGi
Компания LONGi выступает против производства PV модулей слишком большого размера. Отчасти это связано с логистическими проблемами и безопасностью операций на объекте, но есть и другая причина. Исследования LONGi в 2021 году показали, что чем больше площадь закалённого стекла, тем меньше его прочность. Ниже приведена корреляция между поверхностным напряжением и шириной стекла:
Специалисты LONGi обратились в лабораторию TÜV SÜD для сравнения устойчивости к граду модулей с размерами 2256×1133 mm (2.56 m2) и 2384×1303 mm (3.11 m2), предоставив по три экземпляра каждого. Стрельба проводилась ледяными шарами диаметром 35 mm на скорости 27.2 m/s. Все три модуля увеличенной площади были разбиты, в то время как модуль площадью 2.56 m2 выдержал удары.
В декабре 2023 года компания SHARP Solar успешно прошла испытания модулей серии NU-JC на устойчивость к граду диаметром 40 mm. Такого размера нет в таблице стандарта IEC 61215, зато он есть в швейцарском стандарте VKF, который является более требовательными из-за особых условий окружающей среды в альпийском регионе.
PV модуль SHARP серии NU-JC © NENCOM
Солнечные модули SHARP серии NU-JC давно доступны на рынке Европы. Наша компания является официальным партнёром SHARP Solar: мы продаём PV модули этого производителя оптом и в розницу, а также используем их для строительства фотовольтаических систем в Болгарии.
В Швейцарии и Австрии ведётся так называемый «реестр града», в котором различные строительные изделия, включая фотовольтаические модули, классифицируются по пяти уровням устойчивости к ударам града: от HW1 (10 mm) до HW5 (50 mm). Для PV модулей минимально допустимый уровень устойчивости — HW3 (30 mm). Эта классификация не только позволяет правильно выбрать солнечные модули для конкретного региона, но также может повлиять на страховое покрытие ущерба, нанесённого градом. Регламент испытаний был разработан под руководством Ассоциации кантонального пожарного страхования (VKF).
Документация VKF
На первый взгляд методика тестирования VKF похожа на IEC 61215, даже точки для ударов те же самые, но ледяные шары имеют другую плотность, размеры, скорость и температуру. Плотность льда по регламенту VKF составляет 0.87 g/cm3, что чуть ниже 0.92 g/cm3, принятых в IEC 61215, но всё ещё значительно выше среднего значения для настоящего града, которое составляет 0.64 g/cm3. Из-за небольшого снижения плотности льда уменьшается скорость падения града и, соответственно, его кинетическая энергия.
Мы добавили три размера градин для тестирования PV модулей по регламенту VKF (красный шрифт) в таблицу с размерами по стандарту IEC 61215 (синий шрифт):
Диаметр, mm | Масса, g | Скорость, m/s | Кинетическая энергия, J |
25 | 7.53 | 23.0 | 1.99 |
30 | 12.3 | 23.9 | 3.51 |
35 | 20.7 | 27.2 | 7.66 |
40 | 29.2 | 27.5 | 11.1 |
45 | 43.9 | 30.7 | 20.7 |
50 | 56.9 | 30.8 | 27.0 |
55 | 80.2 | 33.9 | 46.1 |
Из таблицы видно, что минимальный уровень защиты по швейцарскому регламенту VKF должен обеспечить устойчивость к ударам градин с кинетической энергией 3.51 джоуля, что в 1.76 раза выше, чем этого требует стандарт IEC 61215.
Солнечные модули SHARP серии NU-JC, имеющие уровень HW4, выдерживают град с кинетической энергией до 11.1 J, что в 5.58 раза превышает требования для обязательной сертификации.
Регламент VKF предусматривает использование ледяных шаров, охлаждённых до температуры −20 °C, в то время как по стандарту IEC 61215 их температура должна составлять −4 °C.
Специалисты швейцарской лаборатории SUPSI PVLab провели исследование, стреляя искусственным градом диаметром 25, 40 и 70 mm в стержень Гопкинсона. Они хотели проанализировать формы импульсов, вызванных ударами ледяных шаров с температурой −20 °C и −5 °C.
Удар града −5 °C и −20 °C © SUPSI PVLab
Выяснилось, что градины с температурой −20 °C приводят к более короткому импульсу и увеличенной пиковой нагрузке, что значительно повышает вероятность локальных разрушений солнечных модулей.
Сейчас инженеры SUPSI PVLab разрабатывают новый испытательный стенд, который позволит выстреливать град диаметром до 100 mm со скоростью 46 m/s (166 km/h).
По состоянию на 25 июня 2024 года в реестре града опубликовано 94 сертификата VKF на фотовольтаические модули, включая такие марки как Trina Solar, JA Solar, JinkoSolar и LONGi, которые ранее мы использовали в своих проектах. Из них 52 сертификата подтверждают защиту от града на уровне HW3, ещё 31 сертификат подтверждает уровень HW4 и 11 сертификатов — HW5 (6 производителей).
Продукция HW5 не является массовой. В основном это интегрируемая в здания фотовольтаика (BIPV) и так называемая «солнечная черепица» с толстым стеклом. Среди обладателей пятого уровня защиты мы обнаружили только один продукт, внешне похожий на модули массового производства — e.Prime M HC от австрийского производителя Energetica Industries. Толщина стекла, рамки и общий вес этого PV модуля значительно превышают стандартные показатели. Интересно, что многие модели солнечной черепицы, несмотря на внушительную толщину стекла 7 mm (4+3), не дотянули до пятого класса защиты и получили сертификаты HW4.
Примеры PV с уровнем HW5
Лаборатория PVEL (PV Evolution Labs), входящая в группу Kiwa, проводит собственные испытания в США, используя ледяные шары диаметром до 55 mm. По данным SPC (Центр прогнозирования штормов) за период 1995-2019 в США в 68% случаев размер града не превышал 25 mm. Таким образом, оставшиеся 32% случаев несут в себе потенциальный риск повреждения солнечных модулей:
© Kiwa PVEL
PVEL предлагает всем заинтересованным сторонам независимые испытания солнечных модулей на устойчивость к ударам града различного размера, с учётом региона использования и соответствующей степени риска. Интересно, что по результатам тестирования PVEL, модули с одинаковыми конструктивными параметрами (размер, вес, толщина стекла) часто получают совершенно различные результаты. Это говорит о том, что качество используемых материалов и технология производства имеют большое значение.
Лаборатория Kiwa PVEL
Лаборатория RETC (Renewable Energy Test Center), входящая в группу VDE, также проводит независимые испытания фотовольтаических модулей в США. Обе лаборатории существенно выходят за рамки необходимых требований по устойчивости к граду. В частности, после обстрела модулей ледяными шарами, они проводят ресурсные испытания, имитируя перепады температуры и ветровую нагрузку, что способствует выявлению скрытых повреждений.
Ресурсные испытания © RETC
Микротрещины в ячейках, как и некоторые другие типы внутренних дефектов, невозможно увидеть невооружённым глазом. Для этой цели используется электролюминесцентная (EL) визуализация:
EL тест © Clean Energy Associates (CEA)
При подаче на солнечный модуль обратного тока ячейки начинают испускать люминесцентное (нетепловое) излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, которое фиксируется специальной камерой в темноте. Программное обеспечение анализирует полученное изображение и автоматически классифицирует повреждения по типам.
В 2023 году специалисты RETC провели статистический анализ всех своих градовых тестов за более чем три года, в который вошли солнечные модули разных производителей, мощностей и размеров, разделив их на две группы: 1. Двусторонние модули со стёклами по 2 mm с каждой стороны; 2. Односторонние модули со стеклом 3.2 mm и полимерной подложкой. Оказалось, что вторая группа примерно в два раза прочнее:
Градоустойчивость PV © RETC
Это связано как с толщиной, так и с характеристиками стекла. В односторонних модулях, как правило, применяется закалённое стекло, в то время как в двусторонних обычно используется термоупрочнённое (полузакалённое) стекло.
Технология производства обоих видов идентична: стекло нагревают до температуры ~650 °C, после чего равномерно охлаждают потоками воздуха с обеих сторон. В результате внешние слои сжимаются быстрее, чем внутренние, что создаёт напряжение и повышает прочность стекла. Разница лишь в том, что при создании закалённого стекла охлаждение происходит быстрее, что создаёт ещё более высокое поверхностное напряжение:
Закалённое стекло © RETC
Полностью закалённое стекло не только прочнее, но и безопаснее, так как при разбивании образует множество мелких осколков с тупыми краями. Проблема в том, что при охлаждении стёкол толщиной менее 3 mm очень сложно создать необходимый температурный градиент между внутренними и внешними слоями. Стекло толщиной 2 mm просто слишком тонкое для полной закалки на большинстве производственных линий, поэтому оно и получается полузакалённым.
В результате двусторонние модули с тонкими полузакалёнными стёклами (таковыми являются почти все двусторонние модули на рынке в данный момент) крайне чувствительны к технологическим ошибкам на всех этапах: производство, погрузка, доставка, разгрузка, монтаж, эксплуатация. Стёкла таких модулей чаще разбиваются, иногда «самопроизвольно» и без очевидных на первый взгляд причин, особенно когда речь идёт о модулях слишком большого размера.
В качестве альтернативы производители могут использовать более толстые стёкла, создавать специальные линии по закаливанию тонкого стекла или использовать химическое упрочнение, как поступает компания Corning при производстве своих фирменных стёкол Gorilla Glass. Всё это, безусловно, повысит производственные расходы, но сделает солнечные модули более прочными.
Град образуется в мощных восходящих потоках грозовых облаков. Даже летом температура в верхней части грозы значительно ниже нуля, что создаёт условия для формирования ледяных кристаллов. Градина начинает образовываться, когда ледяной кристалл сливается с переохлаждёнными каплями воды, которые оставались жидкими при температурах до −40 °C из-за отсутствия центров кристаллизации, таких как аэрозольные частицы или другие примеси.
© Min Hee Kim, Jaeyong Lee & Seung-Jae Lee
Восходящие потоки могут удерживать молодую градину от падения по мере её роста. Если грозовое облако большое и содержит много влаги, но с умеренно сильными восходящими потоками, результатом может быть множество мелкого града. Более мощный восходящий поток может удерживать крупные градины, позволяя им становиться ещё больше. В некоторых случаях замёрзшая капля может превратиться в градину размером с бейсбольный мяч (более 70 mm в диаметре) всего за 20-30 минут.
Суперъячейки, представляющие собой мощные грозовые облака с вращающимся восходящим потоком (мезоциклон), усиливают этот процесс. Условия внутри суперъячеек способствуют интенсивному росту ледяных кристаллов, что приводит к образованию крупных градин.
Структура суперъячейки © Kelvinsong
В мае 2019 года град повредил около 400 тысяч PV модулей на электростанции Midway Solar в Западном Техасе, что привело к ранее невообразимым страховым убыткам в размере 80 миллионов долларов. Опасность града наиболее велика в районах, где холодные и сухие воздушные массы встречаются с тёплыми и влажными, а также в горных районах, рельеф которых способствует усилению конвекции.
Особенно известна огромными по размеру градинами область в США, называемая «Аллея града», которая охватывает большую часть Центральных Высоких Равнин, включая Денвер. Высокое расположение этой зоны приводит к образованию более глубоких холодных слоёв в грозовых облаках. Также крупному граду подвержены Индия и Бангладеш, Центральная Европа, восточная Австралия, прерии центральной Аргентины и части Сахеля в центральной Африке.
На большинстве территорий мира крупный град — редкое явление. На карте ниже показана глобальная среднегодовая вероятность крупного града, нормированная на площадь 100×100 km, за период с 1979 по 2015 годы по данным Национального центра атмосферных исследований США (NCAR):
© National Center for Atmoshpheric Research, USA
В Европе довольно часто крупный град регистрируется в Альпах (Словения, Австрия, Швейцария, северная часть Италии) и Пиренеях (граница между Испанией и Францией, Андорра). Ниже показана карта годового количества выпадений града в Европе за период с 2004 по 2014 годы по данным Европейского агентства по окружающей среде (EEA):
© European Environment Agency (EEA)
Изменения климата приводят к тому, что крупный град становится всё более частым явлением как во всём мире, так и на Европейском континенте. В 2023 году в ESWD (Европейская база данных о суровой погоде) поступило 9 627 сообщений о крупном граде (диаметром более 20 mm). Из них 1 931 сообщение касалось очень крупного града (>50 mm), а 92 сообщения — гигантского града (>100 mm). Все три показателя были самыми высокими, когда-либо зарегистрированными в базе данных, что сделало 2023 год третьим рекордным сезоном града подряд:
© European Severe Weather Database (ESWD)
Серьёзный удар пришелся на Италию 19 июня 2023 года, когда три суперъячейки произвели град диаметром до 10, 14 и 16 cm. Град размером около 16 сантиметров выпал в Карминьяно-ди-Брента и установил новый рекорд размера европейского града. В десятках деревень и городов были повреждены автомобили, крыши и окна, пострадали как минимум 111 человек.
Новый рекорд продержался лишь 5 дней, и уже 24 июня на Европу обрушился настоящий «град года», когда в ESWD было подано 855 сообщений за один день. Сильный град наблюдался во Франции, Швейцарии, Италии, Словении, Хорватии, Австрии, Чехии и Словакии. Пострадали 119 человек, все они — в Италии. Град нанёс значительный ущерб, включая повреждения солнечных панелей и полное пробитие лобовых стёкол многих автомобилей. Самый крупный град упал в итальянском городе Аццано-Дечимо, где была обнаружена градина размером 19 сантиметров:
Самая крупная градина в Европе © Marilena Tonin
Эта находка очень близка к мировому рекорду от 23 июля 2010 года в Вивиане, Южная Дакота, когда была зафиксирована градина размером 8 дюймов (20.3 cm). Следует отметить, что Аццано-Дечимо был поражен гигантским градом дважды за два года. Профессиональный фотограф и «охотник за штормами» Marko Korošec сфотографировал повреждения фотовольтаических модулей после рекордного града в Аццано-Дечимо 24 июня 2023 года:
Разбитые рекордным градом PV модули © Marko Korošec
Для Болгарии 2023 год также оказался весьма насыщенным на крупный град. Рекордным было сообщение, поступившее 6 августа из города Дулово в Силистренской области. К счастью обошлось без жертв, но пострадал урожай, повреждены дома и автомобили. Размер градин достигал 13 сантиметров (оранжевый треугольник на карте):
© European Severe Weather Database (ESWD)
Град наносит значительный ущерб посевам, фруктам, автомобилям, зданиям, домашним животным и людям, заставляя фермеров и владельцев имущества искать способы защиты. Борьба с этим явлением является актуальной задачей, однако оценка эффективности различных методов остаётся сложной из-за природных условий, которые не позволяют проводить точные и контролируемые эксперименты.
Засев облаков ледообразующими агентами — один из наиболее известных способов борьбы с градом. Этот метод предполагает введение в грозовые облака частиц иодида серебра (AgI) или «сухого льда» (твёрдый диоксид углерода). Микроскопические частицы захватываются переохлаждёнными каплями, превращаясь в кристаллы, которые становятся зародышами града. Эти искусственные кристаллы конкурируют с естественными за влагу в облаке, что приводит к формированию множества мелких градин вместо небольшого количества крупных.
© North Dakota Cloud Modification Project
Несмотря на десятилетия исследований и применения, эффективность засева облаков остаётся предметом споров среди учёных, а сведения о его эффективности весьма противоречивы. Данные показывают, что иногда засев облаков может давать обратный эффект. Кроме того, остаются вопросы относительно экологической безопасности этого метода, так как длительное воздействие иодида серебра на окружающую среду остается не до конца изученным.
Иодид серебра © Ice Crystal Engineering (ICE)
Другой известный способ борьбы с градом — выстрелы из акустических пушек — используется вот уже более 100 лет. Эти устройства создают звуковые ударные волны, направленные вертикально вверх, которые теоретически должны помешать формированию града в облаках. Однако эффективность градовых пушек не подтверждена научными исследованиями.
Выставка градовых пушек в Падуе, Италия
Градовые пушки были модным фермерским увлечением в Европе в период с 1896 по 1905 год, после чего от их массового использования отказались из-за крайней неэффективности. Некоторые фермеры покупают и используют градовые пушки до сих пор:
Градовая пушка © Stephen Kloosterman
Оценка результативности методов борьбы с градом крайне сложна из-за уникальности каждого грозового облака и невозможности создать идентичные условия для сравнения. В отличие от лабораторных исследований с контролируемыми переменными, погодные условия варьируются, что затрудняет выводы о реальной эффективности используемых технологий. В то же время продолжение научных исследований и совершенствование статистических методов оценки результатов очень важны для поиска надёжных и безопасных решений.
С другой стороны, даже успешное изменение погоды в одном регионе может привести в непредсказуемым последствиям в других. С этой точки зрения пассивная защита имущества за счёт применения современных сверхпрочных материалов выглядит более разумно, чем активное воздействие на погоду. Например, надёжным способом защиты урожая от града может быть использование прочных и эластичных трикотажных антиградовых сеток:
Противоградовые сетки © Agroflor
Минимальное затенение, создаваемое такими сетями, нередко идёт на пользу многим сельскохозяйственным культурам, но для солнечной электростанции это означало бы потерю мощности. Для повышения уровня пассивной защиты PV модулей от града необходимо более прочное и упругое стекло с достаточно высоким коэффициентом светопропускания.
Хотя и невозможно полностью избежать риска повреждения солнечных панелей градом, мы можем снизить вероятность таких повреждений или смягчить их последствия. Вот семь советов от NENCOM для защиты инвестиции в фотовольтаическую систему:
1. Покупайте PV модули известных производителей и только через официальных дистрибьюторов. Цена не должна являться определяющим критерием при выборе компонентов для солнечной электростанции. На рынке встречается большое количество некачественной продукции, а также подделки под известные марки. Основные критерии выбора — давняя история, безупречная репутация и финансовая устойчивость компании-производителя. Почти все производители дают многолетнюю гарантию на солнечные модули, но большинство из них прекратит своё существование задолго до истечения гарантийного периода.
2. Не покупайте PV модули большого размера без явной необходимости, особенно для домашних систем. Чем больше площадь стекла, тем менее оно устойчиво к ударам града при прочих равных условиях. Оптимальный размер солнечного модуля для домашней фотовольтаической системы — не более 2 m2. В последние годы мы наблюдаем тенденцию использования в домашних системах PV модулей большого размера, предназначенных для коммерческих систем, из-за их более низкой цены за 1 Wp (ватт-пик). Такие модули оптимальны для строительства крупных наземных электростанций, но не для установки на крыше частного дома.
3. Доверьте установку фотовольтаических модулей опытным профессионалам, строго соблюдающим инструкции производителя. Не забывайте, что нарушение правил перевозки, разгрузки, хранения и монтажа солнечных модулей приводит к аннулированию гарантии.
Монтаж PV модулей © NENCOM
Неправильный монтаж также повышает вероятность повреждений при сильном ветре или граде. Помните, что ущерб, нанесённый солнечным панелям во время форс-мажорных обстоятельств или стихийных бедствий, включая молнии и град, не является гарантийным случаем.
4. Желательно устанавливать PV модули под углом не менее 15° к горизонтальной поверхности, когда это возможно. Чем больше угол наклона, тем меньше градин попадёт в модуль (из-за меньшей площади проекции), а энергия их ударов будет ниже.
PV модули с наклоном 60° © NENCOM
Конечно, сильный ветер во время града может внести непредсказуемые коррективы. В любом случае наклон 15° и более обеспечивает эффективное самоочищение солнечных модулей во время дождя. При выборе оптимального угла наклона в каждом конкретном случае нужно учитывать множество факторов, включая место монтажа, ветровую нагрузку, стоимость монтажной конструкции, азимут, график потребления энергии и многое другое. Обратитесь к профессионалу за консультацией.
5. Постарайтесь застраховать свою фотовольтаическую систему. Внимательно изучите договор страхования: в нём может быть множество исключений и оговорок, особенно в регионах со сложными климатическими условиями. Некоторые страховые компании могут отказаться страховать фотовольтаические модули. Известный производитель и наличие сертификата, подтверждающего повышенную устойчивость к граду, увеличат шансы на заключение договора или снизят стоимость страховки.
6. Если вы владеете небольшой фотовольтаической системой, состоящей из нескольких модулей с лёгким доступом к ним (лодка, кемпер, плоская крыша дома или наземная установка) — держите наготове подходящие для защиты материалы и следите за прогнозом погоды. Одно из возможных решений — прочная трёхслойная воздушно-пузырчатая плёнка:
Купите рулон шириной 150 cm и нарежьте плёнку на отдельные листы с некоторым запасом. Например, если размер модуля 113×172 cm, подготовьте листы плёнки размером 150×200 cm. В качестве тренировки попробуйте закрепить защитную плёнку на одном модуле с помощью армированной клейкой ленты. Заверните края плёнки за алюминиевую рамку и сделайте несколько оборотов клейкой лентой вокруг модуля. Старайтесь не приклеивать ленту непосредственно к солнечному модулю — только к плёнке, чтобы потом можно было легко удалить защиту. Убедитесь, что плёнка закреплена надёжно и её не сдует ветром.
При ожидании крупного града используйте несколько слоёв пузырчатой плёнки. На случай гигантского града, между слоями плёнки можно установить лист фанеры размером чуть больше модуля, чтобы распределить энергию удара на всю площадь, включая рамку. Импровизируйте с учётом вашего опыта и конкретной ситуации.
Не рискуйте! Если град уже начался, а вы не успели установить защиту на солнечные модули — берегите себя и своих близких, находясь в укрытии.
7. Имейте в виду, что разбитые градом PV модули в некоторых случаях могут привести к пожару из-за образования электрической дуги на повреждённых токопроводящих шинах. Например, когда 20 декабря 2018 года крупный град обрушился на Сидней (Австралия), были разбиты многие автомобили и крыши домов. Пострадала и солнечная электростанция мощностью 200 kW, установленная на крыше компании Tacca Industries за пять лет до этого события. Несмотря на то, что после шторма PV модули были отключены от нагрузки, через три дня они загорелись:
Сгоревшие после града PV модули © Tacca
Возгорание повреждённых панелей может произойти в солнечную погоду, особенно под нагрузкой, когда они производят много энергии. В большей степени такому риску подвержены модули «старого» типа: с квадратными ячейками и небольшим количеством токопроводящих шин. Модули с технологиями «Half-cut cell» и «Multi-bus bar» подвержены данному риску в меньшей степени за счёт более равномерного распределения тока внутри модуля.
Поэтому после повреждения панелей очень важно принять оперативные меры, обратившись к специалистам. Фотовольтаические модули производят постоянный ток (DC), электрическая дуга которого намного более стабильна и опасна, чем дуга переменного тока (AC):
Электрическая DC дуга ~600W © NENCOM
В этом разделе мы собрали некоторые научные исследования, связанные с образованием града, методами его прогнозирования и снижения ущерба:
Hail Hazard Research
Выберите удобный способ связи или заполните форму:
© 2013-2024 NENCOM Строительство фотовольтаических систем Болгария, Варна, бул. Христо Смирненски, 39 |
+359 8 999 68 574 +359 8 999 60 300 +359 877 01 49 01 |
О компании NENCOM Реализованные проекты Статьи и новости |
Контактная информация Реквизиты компании Для партнёров |