天气条件对冰雹冲击严重程度及光伏板损坏影响的数值建模与分析

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Numerical modeling and analysis of weather conditions effects on hail impact severity and damage to photovoltaic panels

　　摘要光伏（PV）系统的日益普及使得理解和减轻天气诱发的失效机制变得尤为必要。在这些危害中，冰雹暴可导致严重的机械损伤、功率衰减和巨大的经济损失。尽管国际光伏安全标准已涉及冰雹冲击测试，但风驱动冰雹轨迹、冲击方向和旋转运动对光伏组件的耦合效应仍未得到充分表征。本研究开发了一个基于物理的计算模型，用于模拟不同风力条件下冰雹的运动，并量化其对倾斜光伏表面的冲击特性，评估框架参考了IEC 61730标准的要求。该模型评估了风速、释放高度和组件倾角对冲击速度、冲击角度、角速度以及面板表面动能分布的影响。模拟考虑了恒定体积的球形冰雹，并比较了两种空气动力学模型：传统的恒定阻力系数（Cd = 0.47）和随高度变化的变阻力系数模型。结果表明，风速显著改变了冰雹轨迹，进而影响冲击角度和光伏表面的能量传递机制。释放高度超过2000米时，冲击条件尤为严酷。此外，变阻力系数模型比恒定系数模型能提供更可靠的冲击角度预测，尤其对于大尺寸冰雹。对于直径8厘米及以上的冰雹，使用恒定阻力系数会产生高达14%的偏差，表明在评估大型冰雹冲击时，采用变阻力表示是必要的。通过伊朗加兹温省塔凯斯坦一个3兆瓦光伏电站的案例研究，验证了所提方法的适用性。研究结果为将特定地点的风况纳入光伏设计和风险缓解策略提供了实用的决策支持工具，从而提高冰雹易发地区太阳能设施的韧性。引言由于化石燃料的快速枯竭和全球变暖风险，世界正转向可再生能源。太阳能作为易于获取的能源，是一种可持续的能源[1]、[2]、[3]。光伏（PV）目前是利用太阳能增长最快的技术之一，对全球发电量有显著贡献[4]、[5]。尽管光伏技术被分为三代，但硅基太阳能电池（单晶和多晶）占当前安装量的80%[6]。由于成本快速下降、可扩展性、多功能性和可持续性，太阳能光伏现已成为全球电力转型的核心[7]、[8]、[9]。图1[10]展示了伊朗的光伏发电潜力，基于1999年至2018年PVOUT（光伏输出）的长期平均值。伊朗中部和南部地区具有较高的太阳辐照潜力，适合大规模光伏部署。如图1所示，伊朗各地区年太阳能发电潜力约为1241至1972 kWh/kWp。德黑兰和卡拉季等城市位于地图中部，显示出中等太阳能潜力。尽管塔凯斯坦市未明确标注在此地图上，但考虑到其位于加兹温省（德黑兰西北和赞詹东南）的地理位置，其太阳能潜力可在浅绿色至黄色范围内观察到，表明光伏能源利用潜力良好至中等。这些数据表明伊朗不同地区在光伏发电方面的巨大潜力。太阳能光伏组件（也称太阳能电池板）的额定性能是在标准测试条件（STC）下确定的，使制造商能够在模拟的一致环境中评估性能。然而，STC可能无法准确反映实际条件。它们可能高估实际运行条件下的预期能量产出[11]，假设了诸如晴朗明亮天的辐照度、晴朗冬季天的组件温度和晴朗春季天的太阳光谱等最佳参数[12]。相反，由NREL于1995年建立的公用事业规模应用光伏测试条件（PTC）旨在模拟更真实的环境，包括升高的电池温度。在标准测试条件（STC）下，辐照度为1000 W/m2，标准参考光谱为AM 1.5，太阳能电池温度为25°C，环境温度为25°C，不考虑风速。在性能测试条件（PTC）下，辐照度同样为1000 W/m2，标准参考光谱为AM 1.5，太阳能电池温度为45°C，环境温度为20°C，地面以上10米处风速为1 m/s。为提高光伏技术的经济竞争力，制造商已将硅片厚度从300 μm减小至某些情况下的100 μm[13]、[14]。硅片厚度的持续减小增加了光伏组件对机械损伤（如微裂纹和断裂）的敏感性，这可能显著影响长期可靠性和发电量[14]、[15]、[16]。理解载荷向光伏组件各组成部分的传递对于提高其长期性能至关重要[17]、[18]、[19]、[20]。冰雹冲击是影响光伏组件结构可靠性的最关键环境载荷条件之一。近期研究强调，由于气候变化和大型太阳能电站的日益部署，冰雹暴正成为光伏系统日益严重的威胁。严重冰雹事件可能导致光伏组件玻璃破裂、微裂纹扩展、电池破碎和长期退化[21]。此外，现行IEC标准可能无法完全代表涉及斜向冰雹冲击、大型冰雹和复杂风驱动轨迹的实际现场条件。因此，能够在现实环境条件下预测冰雹诱发损伤的先进数值建模方法对于现代光伏系统的可靠性评估日益重要[22]、[23]。图2展示了保加利亚扬博尔一个光伏电站报告的严重冰雹诱发损伤示例。该事件凸显了当前光伏技术对极端冰雹暴事件的脆弱性，并表明需要改进抗冲击设计和预测性数值模型。Moore和Wilson[24]建立了在冲击载荷条件下评估光伏组件的方法。发现冰球能提供自然冰雹冲击行为的真实近似。冰雹的特性如尺寸、密度、速度和冲击角度强烈影响光伏组件中诱发的机械损伤。冰球尺寸和终端速度的变化影响冲击强度。冰雹冰自然分层形成；然而，在实验室环境中复制这种形成过程及其产生的微观结构非常困难。因此，实验室生产的冰，以下称为模拟冰雹冰（SHI），用于测试。SHI是一种在封闭模具中制造的人造冰球，主要使用去离子水通过单一填充和冷冻过程制成整体结构[25]。这种抛射物可以可靠地制造到高标准以供实验室测试。Jenkins和Matthi[25]依靠实验技术模拟冰雹对光伏系统的影响，记录了冰雹对光伏系统的冲击。发射装置由带有可更换管道的压缩空气枪和测量冰粒速度的延时摄像机组成。该研究表明，让冰粒直接接触组件为评估冰雹冲击提供了令人满意的模拟。然而，该研究仅使用视觉检查来检测光伏组件的破裂。Tipman等人[26]建立了一个实验装置，使用应变率相关材料模型模拟快速冰雹冲击。冰粒通过使用电磁阀释放加压氮气来发射。Friesen[27]引用瑞士和奥地利多个实验室测试中冰雹损伤发现的不一致，指出冰雹的生产方法应标准化。该研究考察了冰雹在地面上的入射角及其对光伏面板的影响。制造工艺和冰质，包括冰雹温度，显著影响冲击能量，可能相差高达30%。研究了25毫米和35毫米的冰雹尺寸，冰温为-4°C或-20°C，速度变化范围为18 m/s至50 m/s。Corrado等人[28]研究了安装方式对光伏组件抗冰雹性能的影响。由气动手枪推进的聚酰胺球模拟冰雹冲击光伏面板。他们主张使用裂纹图案的电致发光检查来评估光伏组件的损伤。与经验建模相比，重要的是建立方程和数值结果来预测冰雹对光伏面板表面造成的损伤，这对于光伏面板的自然灾害保险数据库、政策制定者和设计者获取最佳倾角至关重要。在冰雹频繁发生的地区忽视冰雹诱发的载荷效应可能导致严重结构损坏和重大经济损失。因此，在3MW TAHH塔凯斯坦太阳能电站项目框架内，与该技术的工业部署并行，研发的主要目标是优化并获得合适的倾角。为此，研究了两种模型，考虑阻力系数为变或恒定。研究了30°和25°角度下能量输入和面板损伤程度的影响，最终提出了一种模型，通过将该模型引入移动式太阳能结构，利用风速传感器获取风速以及从气象数据获取云高，调整面板的最佳角度以切向排斥落下的冰雹。该方法由Radsun和Asoo Vision Pardaz合作伙伴识别，并可能针对现有工业技术进行修改。据我们所知，这种方法从未在文献中报道过以获得冰雹下落模型。最近的研究工作更多地集中在冰雹冲击光伏组件的实验、冲击后的表征和诊断上。但是，在现有文献中，将风速、冲击角度、倾角和冰雹冲击双面光伏组件的损伤模式关联起来的完整建模方法的可用性仍然是一个问题。此外，基于物联网（IoT）的智能监测系统和环境传感器，结合实时气象预报，可显著增强光伏电站在极端天气条件下的运行韧性。实时监测风况和风暴轨迹可能实现自适应倾角控制策略，能够降低冰雹冲击能量的垂直分量，从而在极端天气事件期间最大限度地减少光伏组件的机械损伤[26]。基于IoT的监测平台和智能环境传感系统的最新进展已显示出在极端天气条件下提高可再生能源基础设施韧性和运行安全性的巨大潜力。因此，本研究的主要目标和贡献可总结如下：•开发一个数值模型，用于评估在现实环境条件下（考虑风速、冲击角度和面板倾角）冰雹冲击双面光伏组件的行为。•研究不同安装倾角（25°和30°）在多种风况下对冰雹冲击能量分布和损伤模式的影响。•比较恒定和变阻力系数方法在预测冰雹轨迹和冲击能量方面的表现。•使用源自IEC标准条件的冲击能量值验证所提出的数值模型，并将模拟输出与基于标准的参考值进行比较。•提出一个实用框架，利用气象和基于IoT的监测数据实现光伏自适应倾角控制，以降低垂直冰雹冲击能量，提高光伏电站的韧性。尽管在光伏组件冰雹冲击实验测试方面取得了显著进展，但文献中仍存在几个重要的研究空白。大多数先前研究主要集中于基于实验室的冲击实验和冲击后诊断，而未开发针对现实环境条件的全面预测性数值模型。此外，风速、冰雹轨迹、冲击角度和光伏倾角对双面光伏组件的联合效应尚未得到充分研究。现有IEC标准测试也主要考虑垂直冲击，可能无法完全代表实际冰雹暴期间发生的斜向冰雹轨迹。此外，将基于自适应物联网的监测与实时倾角控制策略相结合以减轻冰雹损伤，在以往研究中受到的关注有限。章节片段冰雹轨迹本节详细介绍了用于分析冰雹在不同风况下的运动轨迹及其撞击特性的理论模型和数值模拟技术。核心目标是确定撞击时的水平和垂直速度分量，以及偏离纯垂直下落的偏角，这些对于评估光伏面板的撞击风险至关重要。大气中冰雹的运动主要受以下因素控制单面光伏面板的结构与特性单面光伏（PV）面板是当今太阳能产业的基石，因其高效率和经过验证的可靠性而被广泛采用。这些面板专门设计为仅从单面吸收太阳光，这意味着其太阳能电池仅位于一个表面上，以捕获光子并将其转化为电能。典型构造通常包括用于保护脆弱电池的前玻璃层、乙烯-醋酸乙烯酯封装层讨论与结果为深入考察撞击角度的影响，本分析在借鉴前文所述原则的基础上，假设冰雹的尺寸和撞击角度在单面与双面光伏面板之间并无固有差异。这使得可以统一研究这些角度如何影响面板的脆弱性。我们的项目场址位于X=372631.00、Y=3980943.00的地理坐标处，成为本研究展开的舞台。结论由于强烈冰雹风暴和气候变化导致光伏系统损坏风险增加，以及大规模光伏电站的发展，本研究得以开展。为确定上述变量的影响，进行了冰雹轨迹与撞击分析，以考察风速、风向以及光伏面板倾角对系统遭受冰雹撞击的影响。该地区的长期气象数据集作者贡献声明Armin Hasanpour：写作——审阅与编辑、写作——原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。Farhang Hassani：验证、监督、资源、资金获取、概念化。Alireza Afsharpour：写作——审阅与编辑、写作——原稿、可视化、验证。Bijan Saedpanah：监督、资源、资金获取。利益冲突声明作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Farhang Hassani报告由Radsun Energy Pars提供财务支持和统计分析。Farhang Hassani报告与Radsun Energy Pars存在关系，包括：股权或股票。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的工作。致谢本工作是3MW TAHH塔克斯坦太阳能电站项目的一部分，由Asoo Vision Pardaz在Radsun Energy Pars的监督下提供支持。作者感谢Radsun Energy Pars对本项目的支持。Armin Hasanpour|Farhang Hassani|Alireza Afsharpour|Bijan Saedpanah